同塔多回交流輸電線路絕緣平衡配置分析

陰春輝

(山西元工電力工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的土地資源相對減少，并且輸電線路在占地方面是一個(gè)廊道或?qū)⒄麄€(gè)地塊切開，造成了土地資源的浪費(fèi)，所以在電力的高速發(fā)展中，城區(qū)、城郊和工業(yè)規(guī)劃區(qū)等一并考慮遠(yuǎn)期規(guī)劃和負(fù)荷的重要程度需要雙回或者多回路供電，而目前，架空輸電線路大都采用鐵塔架設(shè)。當(dāng)線路遭受內(nèi)過和外過電壓等故障，將導(dǎo)致雙回輸電線路同跳，危及生產(chǎn)設(shè)備安全甚至人身安全，但根據(jù)近年來各省市或地區(qū)運(yùn)行情況，可知外過電壓尤其是雷電直擊、反擊和繞擊原因，占據(jù)了同塔多回線路同跳的90%，因此，防止架空輸電線路雙回、多回同跳需要引起人們的重視，本文就此通過對多回交流輸電線路的絕緣配置調(diào)整，如何有效避免雷擊同跳，減少故障率做分析。

2 多回線路防雷要求

1)針對多回輸電線路，首先絕緣配置應(yīng)滿足不低于單回線路的防雷水平的基礎(chǔ)上，再減少多回線路在雷擊下同跳事件，避免雷擊下整條線路全停。

2)針對多回輸電線路，首先絕緣配置應(yīng)滿足不低于單回線路的防雷水平的基礎(chǔ)上，再減少多回線路在雷擊下同跳事件，避免雷擊下整條線路全停。

3)針對多回輸電線路，并且應(yīng)降低桿塔接地電阻，加強(qiáng)線路的絕緣配置，并針對110 kV和220 kV線路首先采用不平衡絕緣配置，將雷擊跳閘總數(shù)比例控制在10%內(nèi)。

4)針對多回輸電線路，在不同回路，采取增加或增大絕緣子爬電比距(或采用不同材質(zhì)和盤型懸式瓷絕緣子、盤型懸式玻璃絕緣子和復(fù)合絕緣子)。

5)針對多回輸電線路，在不同回路，采取增加或增大絕緣子爬電比距(或采用不同材質(zhì)和盤型懸式瓷絕緣子、盤型懸式玻璃絕緣子和復(fù)合絕緣子)。

3 多回線路需加強(qiáng)絕緣配置

1)針對多回輸電線路，首先應(yīng)滿足桿塔和當(dāng)?shù)匚鄯x等級要求的絕緣配置，在海拔高度不超過1 000 m的地區(qū)，操作過電壓和雷電過電壓，需滿足表1中的配置。

表1 操作過電壓及雷電過電壓要求懸垂絕緣子串最少片數(shù)

表1僅為懸垂直線要求的片數(shù)，對于耐張串110 kV,220 kV和500 kV應(yīng)比表中的片數(shù)增加1片和2片。

針對40 m以上的桿塔，要求每增加10 m需相對應(yīng)增加1片146 mm高度的絕緣子，對于全高超100 m的桿塔，絕緣子數(shù)量應(yīng)通過反擊計(jì)算并結(jié)合當(dāng)?shù)剡\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定，前提需滿足該項(xiàng)要求。

2)針對目前國內(nèi)雙回和多回線路，線路絕緣配置一般采用平衡高絕緣和不平衡差絕緣兩種方式。

平衡高絕緣：即同塔雙回或多回線中，每回每相均比常規(guī)配置增加2片～3片146 mm結(jié)構(gòu)高度絕緣子，或者根據(jù)地區(qū)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)增加更多，根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，平衡高絕緣設(shè)計(jì)，能有效提高線路的內(nèi)、外過電壓，提高抗雷擊能力，很大程度的降低了雙回、多回同跳事故，效果非常明顯，據(jù)查資料可知，國外發(fā)達(dá)國家雙回線路均采用平衡高絕緣配置方式。

不平衡差絕緣：即其中一回路采用常規(guī)絕緣配置方式，另一回采用均比常規(guī)配置增加2片～3片146 mm結(jié)構(gòu)高度絕緣子，或者根據(jù)地區(qū)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)增加更多，即兩回輸電線路絕緣配置有差值，采用該絕緣配置方式時(shí)，當(dāng)線路發(fā)生過電壓時(shí)，常規(guī)絕緣配置的一回線路發(fā)生閃絡(luò)，而此時(shí)該回線路相當(dāng)于一根地線，過電壓產(chǎn)生的電流會迅速流入大地，保護(hù)了另一回輸電線路的安全，此種運(yùn)行方式是以一回輸電線路的安全運(yùn)行為代價(jià)，來降低跳閘率。

4 防止多回同跳的措施

根據(jù)雷電反擊耐雷水平ATO-EMTP建模和連續(xù)仿真計(jì)算以及采用GB/T 50064規(guī)定的計(jì)算方法，可得知采用不平衡高絕緣配置下，計(jì)算結(jié)果110 kV和220 kV雙回同跳率分別為常規(guī)配置的0.29和0.35。

不平衡度選用計(jì)算如下：

根據(jù)相關(guān)計(jì)算，絕緣子上相最容易放電。當(dāng)線路的上相放電時(shí)，此導(dǎo)線相位相當(dāng)于1條地線，因?yàn)槎鄺l地線的耦合系數(shù)的計(jì)算可用式(1)簡單計(jì)算[1]。

K0(12.3)={ln(D13/d13)+
ln(D23/d23)}/{ln(2h1/r1)+ln(D12/d12)}

(1)

其中，r1為線1的半徑；h1為線1的平均高度;d12,d13,d23分別為線1與線2間、線1與線3間、線2與線3間的距離；D12,D13,D23分別為線1與線2鏡像間、線1與線3鏡像間、線2與線3鏡像間的距離。

根據(jù)式(1)計(jì)算可知，導(dǎo)線平均高度越高，與避雷線間的距離越近，耦合系數(shù)越大。因此在計(jì)算最大耦合系數(shù)差時(shí)可取上、下相的耦合系數(shù)之差。假設(shè)110 kV和220 kV的避雷線分別為OPGW-80，OPGW-120，110 kV和220 kV的絕緣子串長度分別取2.61 m，4.19 m，不同電壓等級因其拉斷力不同避雷線的弧垂分別取4.5 m，4.0 m，相同導(dǎo)線的弧垂相同。計(jì)算可得知在相同導(dǎo)線高度下，電壓等級越高耦合系數(shù)差越大。

作為工程計(jì)算，需要進(jìn)行簡化處理，將放電線和相鄰地線用作分離地線，并且根據(jù)部分計(jì)算公式計(jì)算分割線半徑和有效半徑。

不同相導(dǎo)線的瞬間工頻電壓最大差計(jì)算如下：

Ui=1.1√2U。

根據(jù)上式計(jì)算得知110 kV和220 kV的瞬間工頻電壓最大差為171.1 kV和342.2 kV。

不同相絕緣子絕緣差計(jì)算如下：

ΔU=(ΔkβRi-ΔhaβL0/2.6-Δhc/2.6)I1。

其中，ΔU為下相對上相絕緣子的電壓差；Δk為考慮電暈影響上相對下相的耦合系數(shù)差；Δha為上相對下相的掛點(diǎn)差；Δhc為上相對下相的導(dǎo)線平均高度差；I1為反擊耐雷水平。

針對110 kV和220 kV雙回路鐵塔上下相絕緣子雷電壓差的計(jì)算得知，110 kV平均呼高36 m時(shí)，絕緣子片數(shù)差為5片，220 kV平均呼高36 m時(shí)，絕緣子片數(shù)差為11片。

針對上述計(jì)算，如果單純考慮同時(shí)跳閘率，增加絕緣子串長，導(dǎo)線對地弧垂會減小，投資勢必會增大，不切合實(shí)際，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，線路在實(shí)際中不需要按上述配置，依據(jù)DL/T 620—2016交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合[2]和DL/T 1784—2017多雷區(qū)110 kV～500 kV交流同塔多回輸電線路防雷技術(shù)導(dǎo)則[3]的規(guī)定，針對雙回線路，110 kV和220 kV采用不平衡絕緣配置，即一回線路為常規(guī)配置，另一回增加配置，按增加2片146 mm瓷絕緣子設(shè)計(jì)。

對四回輸電線路，對于110 kV輸電線路，需保持上層一回按常規(guī)絕緣配置，其他三回均按增加配置，按增加2片146 mm瓷絕緣子設(shè)計(jì)；對于220 kV輸電線路，需保持上層一回按常規(guī)絕緣配置，其他三回均按增加配置，按增加3片146 mm瓷絕緣子設(shè)計(jì)；對于110 kV和220 kV同塔4回輸電線路可按下層110 kV其中一回常規(guī)絕緣配置，另一回增加配置，按增加2片146 mm瓷絕緣子設(shè)計(jì)，而220 kV則兩回保持常規(guī)配置即可。具體可按表2中表述配置。

表2 絕緣配置(片數(shù))

5 實(shí)例選型分析

山西陽光集團(tuán)股份有限公司陽光220 kV輸變電工程220 kV線路工程，新建候家莊220 kV變電站-陽光220 kV變電站220 kV線路，路徑長9.773 km，全線220 kV/110 kV混壓四回路架設(shè),兩回220 kV掛于鐵塔上層，兩回110 kV掛于鐵塔下層。

設(shè)計(jì)條件：基本風(fēng)速27 m/s，覆冰厚度10 mm。采用2×JL/G1A-300/25鋼芯鋁絞線。兩根地線均采用48芯OPGW光纜，沿線海拔高度395 m～495 m。污區(qū)分布，全線處于e級污穢區(qū)。

5.1 絕緣子選型

目前我國高壓架空送電線路上經(jīng)常使用的絕緣子，主要型式有以下三種：瓷絕緣子、鋼化玻璃絕緣子和復(fù)合絕緣子。

經(jīng)過以上對幾種常用絕緣子優(yōu)、缺點(diǎn)的比較，為減少線路污閃事故的發(fā)生，縮短停電時(shí)間，減少維護(hù)和檢修工作量，導(dǎo)線懸垂串采用復(fù)合絕緣子?？紤]導(dǎo)線跳線串受力小，清掃困難，為加強(qiáng)防污閃能力，導(dǎo)線跳線串選用復(fù)合絕緣子。

導(dǎo)線耐張串較懸垂串受力大得多，考慮到復(fù)合絕緣子機(jī)械強(qiáng)度有蠕變特性，以及國產(chǎn)復(fù)合絕緣子目前尚存在運(yùn)行中機(jī)械強(qiáng)度下降的問題，因而導(dǎo)線耐張串不推薦用復(fù)合絕緣子。傳統(tǒng)的鋼化玻璃或瓷絕緣子具有長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并且導(dǎo)線耐張串極少發(fā)生污閃事故；另外考慮本工程所經(jīng)地區(qū)降雨量大，自潔能力強(qiáng)，同時(shí)參照本工程附近線路均采用鋼化玻璃絕緣子，因此本工程導(dǎo)線耐張串?dāng)M推薦使用鋼化玻璃絕緣子。

5.2 絕緣子片數(shù)選擇

依據(jù)DL/T 620—2016交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合的規(guī)定，由工頻電壓爬電距離要求的線路每串絕緣子片數(shù)應(yīng)符合下式要求：

其中，N為每串絕緣子片數(shù)；λ為要求的爬電比距,cm/kV;Lo為每片絕緣子幾何爬電距離，cm；Um為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV；Ke為有效系數(shù)，對雙傘結(jié)構(gòu)的瓷絕緣子，500 kV及以下線路，按Ke=1.0。

5.3 按操作過電壓和雷電過電壓選擇絕緣子片數(shù)

根據(jù)GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范的要求：

在海拔1 000 m以下地區(qū)，操作過電壓及雷電過電壓要求的懸垂絕緣子串絕緣子片數(shù)，不應(yīng)小于 13片(單片絕緣子的結(jié)構(gòu)高度146 mm)，耐張塔絕緣子串絕緣子片數(shù)不應(yīng)小于14片(單片絕緣子的結(jié)構(gòu)高度146 mm)。

為保持高塔的耐雷性能，全高超過40 m有地線的桿塔，高度每增加10 m，應(yīng)增加1片高度為146 mm的絕緣子。

按照上述要求，最高塔高為50 m時(shí)，懸垂串的絕緣子片數(shù)不應(yīng)小于14片，耐張串絕緣子片數(shù)不應(yīng)小于15片；最高塔高超過60 m時(shí)，懸垂串的絕緣子片數(shù)不應(yīng)小于15片，耐張串絕緣子片數(shù)不應(yīng)小于16片；最高塔高超過70 m時(shí)，懸垂串的絕緣子片數(shù)不應(yīng)小于16片，耐張串絕緣子片數(shù)不應(yīng)小于17片，本工程全高桿塔最高為68 m，選擇滿足要求。

本工程按爬電比距配置的懸垂串為1片大帽瓷絕緣子加1支復(fù)合絕緣子，爬電距離分別為300 mm和6 340 mm，相當(dāng)于鋼化玻璃絕緣子或瓷絕緣子19片，滿足要求。

5.4 高海拔修正

根據(jù)GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范要求，高海拔地區(qū)絕緣子片數(shù)，按下式計(jì)算：

nH=ne0.121 5m1(H-1 000)/1 000。

其中，nH為高海拔地區(qū)每聯(lián)絕緣子所需片數(shù)；H為海拔高度，m；m1為特征系數(shù)。

結(jié)合本工程線路所經(jīng)過地區(qū)的海拔高度為495 m，小于1 000 m,不需修正。

5.5 多回線路不平衡差絕緣配置修正

因?yàn)楸竟こ踢x用的是4回路鐵塔，考慮下層掛110 kV線路，依據(jù)交流多回線路防雷技術(shù)導(dǎo)則，本期雙回220 kV統(tǒng)一平衡配置考慮，110 kV按不平衡絕緣配置，即其中一回增加2片絕緣子，其余三回常規(guī)配置即可，配置見表3。

表3 不平衡絕緣配置要求修正片數(shù)

選擇絕緣子如下：

1)導(dǎo)線耐張串。線路側(cè)耐張串采用2×19片U120BP/146D型防污型瓷絕緣子，破壞荷載為120 kN，單片爬電距離450 mm，結(jié)構(gòu)高度146 mm，統(tǒng)一爬電距離為61.19 mm/kV。

2)進(jìn)出線檔耐張串。進(jìn)出線檔耐張串選擇2×19片U70BP/146D防污型瓷絕緣子組成，破壞荷載為70 kN，單片爬電距離450 mm，結(jié)構(gòu)高度146 mm，統(tǒng)一爬電比距達(dá)到61.19 mm/kV。

3)導(dǎo)線懸垂串及跳線串。導(dǎo)線懸垂串及跳線串采用1片大帽瓷絕緣子U120BP/146M(爬電距離365 mm，結(jié)構(gòu)高度146 mm)加FXBW-220/120-3復(fù)合絕緣子(爬電距離7 040 mm，結(jié)構(gòu)高度2 470 mm)，折算統(tǒng)一爬電距離為69.79 mm/kV。

由于本工程直線采用復(fù)合絕緣子，耐張采用玻璃絕緣子，故一回直線采用FXBW-220/120-2,另一回采用FXBW-220/120-3，滿足要求(見表4)。

表4 復(fù)合絕緣子參數(shù)表

合理選擇兩種絕緣方式，需要根據(jù)雙回線路電源的可靠性，如本工程為侯家莊220 kV變電站雙回出線至陽光220 kV變電站，電源站只有侯家莊站，可靠性較低，故建議采用不平衡差絕緣方式，使一回輸電線路不停電，以保護(hù)和提高陽光變電站的可靠性。假設(shè)侯家莊供電負(fù)荷側(cè)為陽光站和另一個(gè)站，且負(fù)荷側(cè)變電站都為雙電源，則可采用平衡高絕緣配置，可以提高雙回路部分的整體防雷水平，又不影響負(fù)荷側(cè)另一條線路，故采用平衡高絕緣配置。

四回路鐵塔差絕緣配置見圖1,110 kV差絕緣耐張串圖見圖2。

6 結(jié)語

針對同塔雙回和多回輸電線路的絕緣設(shè)計(jì)，需整體考慮線路的供電可靠性，不能單純110 kV和220 kV是雙回路就按不平衡絕緣設(shè)計(jì)，需根據(jù)負(fù)荷側(cè)和電源側(cè)的供電方式來綜合考慮，以進(jìn)一步提高供電可靠性，并結(jié)合投資和理論計(jì)算、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等來確定。