魯固特高壓直流黃河大跨越絕緣配合、防雷和接地設(shè)計(jì)

陳 鵬，姚元璽，蘆 燈

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

絕緣配合、防雷和接地設(shè)計(jì)是輸電線路設(shè)計(jì)的重要原則之一。絕緣配合是在過電壓保護(hù)下確定各種工作狀況的電壓，并根據(jù)絕緣特性及其影響因素，從運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性上確定輸電線路絕緣水平［1-3］。輸電線路的絕緣配合主要是選擇絕緣子型式、絕緣子串的片數(shù)和空氣間隙，應(yīng)同時滿足工作電壓，操作過電壓和雷電過電壓的要求［4］。大跨越線路遭受雷擊概率和運(yùn)維難度均大于一般段線路，其防雷接地設(shè)計(jì)同樣是大跨越設(shè)計(jì)的重要因素。

1 污區(qū)劃分

根據(jù)《山東電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖（2014 年版）》，該黃河大跨越段屬于d 級污區(qū)，結(jié)合我國電力行業(yè)絕緣配合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，考慮“絕緣到位，留有裕度”的原則，考慮大跨越今后調(diào)爬難度極大，黃河大跨越段按e 級污區(qū)配備絕緣。

結(jié)合現(xiàn)場污染源的調(diào)查，綜合向上、錦蘇、溪浙、哈鄭等直流輸電工程的鹽密測量值及最新的試驗(yàn)、運(yùn)行、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對鹽密的設(shè)計(jì)取值推薦詳見表1。

表1 鹽密的設(shè)計(jì)取值

2 絕緣子型式選擇

大跨越工程因荷載大，工況變化多，維修困難等特點(diǎn)，對設(shè)備的可靠性要求特別高。復(fù)合絕緣子尤其是大噸位的復(fù)合絕緣子，并沒有經(jīng)過長期運(yùn)行考核，所以在目前條件下，大跨越工程懸垂串、耐張串采用復(fù)合絕緣子是不合適的。而瓷棒絕緣子僅在國內(nèi)應(yīng)用于500 kV 交流線路上，未在直流線路上有使用記錄。半導(dǎo)體釉絕緣子僅作為500 kV 輸電線路防污閃的手段，在特高壓直流線路中應(yīng)用較少［5］。

綜上所述，直流大跨越工程的懸垂、耐張絕緣子選型，將局限于盤式絕緣子，而不考慮復(fù)合絕緣子和瓷棒絕緣子。對于耐張塔上跳線絕緣子串建議采用復(fù)合絕緣子。

瓷和玻璃這兩種材質(zhì)的絕緣子在交、直流工程中均有大量使用，而在該大跨越段中，絕緣子的噸位為550 kN。經(jīng)了解，在大噸位的直流品種中，玻璃絕緣子缺少400 kN 級及以上型號，而目前國內(nèi)的大連電瓷廠和唐山NGK 均生產(chǎn)直流用550 kN 級的盤式瓷絕緣子，絕緣子通過了國家鑒定，可以批量生產(chǎn)，且在±800kV 向上線長江大跨越中已有應(yīng)用。因此本工程選擇550kN 級瓷絕緣子，瓷絕緣子在我國大跨越工程中擁有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。

3 絕緣子片數(shù)選擇

直流絕緣子片數(shù)選擇主要有3 種方法：線路外推法、爬電比距法和污耐壓法［6］。線性外推法較為簡單，但其計(jì)算結(jié)果與選擇的外推基準(zhǔn)線路絕緣關(guān)系較大，計(jì)算結(jié)果分散。爬電比距法由實(shí)測的運(yùn)行線路鹽密值和爬距距離值擬合推出鹽密值與爬電比距的關(guān)系式，而后計(jì)算出對應(yīng)鹽密值的幾何爬電比距和線路要求的爬電距離，最后推出線路所需絕緣子片數(shù)，該方法簡單易行，目前在500 kV 交流線路上廣泛采用，且有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。在沒有運(yùn)行或運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)時，原則上要用此法進(jìn)行絕緣配合的選擇，需要選擇適合的試驗(yàn)室和試驗(yàn)方法，求出預(yù)選型號絕緣子的污閃電壓曲線，而絕緣子污閃電壓與鹽密值、灰密值、穢成分、上下表面污穢均勻比等因素有關(guān)。

3.1 爬電比距法

在同一環(huán)境下（沿海地區(qū)除外），參考試驗(yàn)數(shù)據(jù)和同地區(qū)交、直流線路積累污穢的測試結(jié)果，直流線路在等值鹽密條件下絕緣子串積污特性（積污比）比交流線路嚴(yán)重約2 倍，因此得出直流線路爬電比距應(yīng)滿足表2。

表2 直流線路要求的爬電比距表

絕緣子的污閃電壓曲線提升幅度低于其爬電距離幅度，因此采用爬電比距法確定絕緣子片數(shù)時需考慮有效系數(shù)。我國以XP-70 和XP1-160 兩種瓷絕緣子為標(biāo)準(zhǔn)絕緣子（有效系數(shù)取1.0），其他同類絕緣子一般為0.84～0.92，取所選絕緣子的爬電距離有效系數(shù)為1.0～0.9（標(biāo)準(zhǔn)絕緣子除外）。按此方法在海拔1 000 m 以下地區(qū)，計(jì)算出的500 kV 線路絕緣子片數(shù)（鹽密為0.05 mg／cm2輕污區(qū)）為38 片，多于原葛南線最初設(shè)計(jì)取值32 片及龍政線最初設(shè)計(jì)取值33片，而與三廣、貴廣線取值37 片相當(dāng)。經(jīng)過運(yùn)行檢驗(yàn)，葛南線最終運(yùn)行調(diào)爬到37 片，龍政線最終運(yùn)行調(diào)爬到44 片，由此證明上述爬電比距法選配500 kV線路絕緣子片數(shù)基本符合我國線路運(yùn)行的實(shí)際情況。根據(jù)爬電比距法，取直流等值鹽密為0.15 mg／cm2、交流等值鹽密為0.3 mg／cm2、直流線路要求的爬電比距為5.19 cm／kV，確定的±800 kV 線路絕緣子片數(shù)見表3。

表3 ±800 kV 線路滿足爬電比距要求的絕緣子片數(shù)

3.2 污耐壓法

根據(jù)日本NGK 公司CA-735EZ 絕緣子有關(guān)污耐壓試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)值存在較大分散性，詳見表4。

中國電科院與NGK 試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，并通過計(jì)算得出特高壓±800 kV 直流輸電線路，不同傘型絕緣子所需片數(shù)和串長，推薦本工程外絕緣配置見表5。

3.3 絕緣子片數(shù)選擇結(jié)論

按爬電比距和按人工污穢特性選擇絕緣子片數(shù)的結(jié)果見表6。

表4 單片CA-735EZ 絕緣子的污耐壓值 kV

表5 800 kV 直流線路絕緣片數(shù)配置結(jié)果

表6 按照污穢特性選擇的絕緣子片數(shù)（重污區(qū)）

該黃河大跨越段海拔較低，為10 m 左右，按照單I 串選取片數(shù)在83 片（三傘型）左右，根據(jù)以往大跨越工程經(jīng)驗(yàn)并考慮實(shí)際使用的多聯(lián)絕緣子串積污特性有所不同，最終推薦采用83 片550 kN 三傘型絕緣子。

綜上所述，結(jié)合導(dǎo)線選型的結(jié)論，本工程黃河大跨越段懸垂串、耐張串絕緣子片數(shù)選擇為：1）懸垂串，I 型串，6 聯(lián)550 kN，83 片；2）耐張串，8 聯(lián)550 kN，83 片；3）耐張塔跳線串串長及爬距推薦如表7 所示。

表7 耐張他跳線串選擇

3.4 操作及雷電過電壓校核

根據(jù)額定工作電壓選定了絕緣子片數(shù)，還應(yīng)考慮操作過電壓和雷電過電壓情況下的耐沖擊性能。

3.4.1 操作過電壓校核

根據(jù)美國電力研究協(xié)會試驗(yàn)驗(yàn)證，相同污穢條件下同類絕緣子的直流操作污耐壓特性較額定電壓工況高約2.2 倍；根據(jù)中國電科院在多項(xiàng)直流特高壓工程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該數(shù)值為1.7～2.3 倍。因此，操作過電壓不影響絕緣子片數(shù)的選擇。

3.4.2 雷電過電壓校核

特高壓大跨越工程具有桿塔高、跨距大、電壓等級高等特點(diǎn)，尤其作為承擔(dān)大容量長距離電力輸送的主要跨越通道，對其可靠性、可用性要求較高。因此，有必要結(jié)合特高壓直流線路的特點(diǎn)和以往大跨越工程豐富的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對該大跨越段的雷電防護(hù)水平進(jìn)行有效評估。

采用IEC60071-4 推薦的相交法進(jìn)行雷電反擊計(jì)算，同時校核反擊耐雷水平。根據(jù)計(jì)算，再考慮800 kV 工作電壓影響，對應(yīng)雷電流幅值200 kA 時，跨越塔懸垂串需采用51 片155 mm 高度絕緣子，相當(dāng)于205 mm 高度的絕緣子39 片，240 mm 高度的絕緣子33 片；雷電流幅值250 kA 時，跨越塔懸垂串需采用56 片155 mm 高度絕緣子串的耐雷絕緣水平，相當(dāng)于205 mm 高度的絕緣子43 片，240 mm 高度的絕緣子37 片。

相應(yīng)的雷電過電壓間隙，按0.8 倍絕緣子串50%放電電壓U50%進(jìn)行配合，取為6.1 m（200 kA）和6.7 m（250 kA）。

該大跨越段絕緣長度由絕緣子串污耐壓特性控制，對應(yīng)240 mm 高度（550 kN）絕緣子片數(shù)達(dá)到83片。故無論雷電流值取200 kA 還是250 kA，相應(yīng)的絕緣長度對800 kV 大跨越絕緣配置均不起控制作用。

4 塔頭間隙

絕緣配合除需確定絕緣子的材質(zhì)、型號、片數(shù)外，還需確定塔頭在工頻電壓、操作電壓、雷電過電壓和帶電作業(yè)4 種工況下的電氣間隙。

4.1 按運(yùn)行電壓選擇塔頭空氣間隙

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL 5497—2015 《高壓直流架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，絕緣子串風(fēng)偏后導(dǎo)線對桿塔空氣間隙的直流50%放電電壓U50%應(yīng)符合［7］

式中：Ue為額定工作電壓，取800 kV；N 為空氣間隙直流放電電壓的變異系數(shù)，取0.9%；K1為直流電壓下空氣密度校正系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下取值為1；K2為直流電壓下空氣濕度校正系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下取值為1；K3為安全系數(shù)，取值范圍1.1～1.15，取1.15。計(jì)算得運(yùn)行電壓下塔頭空氣間隙應(yīng)滿足的U50%為945.5 kV。查相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則運(yùn)行電壓下塔頭空氣間隙值約為2.1 m。

GB 50790—2013 《±800 kV 直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》及DL／T 5504—2015《特高壓架空輸電線路大跨越設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》要求：海拔高度500 m 時，工作電壓下±800 kV 線路帶電部分對桿塔構(gòu)件的最小間隙為2.1 m［1，3］。

綜合以上因素，推薦運(yùn)行電壓下塔頭空氣間隙值為2.1 m。

4.2 按操作過電壓選擇塔頭空氣間隙

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL 5497—2015 《高壓直流架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，絕緣子串風(fēng)偏后導(dǎo)線對桿塔空氣間隙的正極性50%操作沖擊放電電壓U50%應(yīng)滿足［7］

式中：Um為最高運(yùn)行電壓，取816 V；為操作沖擊電壓下間隙放電電壓的空氣密度校正系數(shù)；為操作沖擊電壓下間隙放電電壓的空氣濕度校正系數(shù)；為操作過電壓倍數(shù)，本工程取1.65；σS為空氣間隙在操作沖擊電壓下放電電壓的變異系數(shù)，取0.06。

由此計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下塔頭空氣間隙50%操作沖擊放電電壓為1 530 kV。

中國電科院根據(jù)在各試驗(yàn)基地的最新試驗(yàn)結(jié)果，得出其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（海拔0 m）所需操作空氣間隙如表8 所示。

表8 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（海拔0 m）所需操作過電壓工況空氣間隙

綜合以上因素，推薦操作過電壓下塔頭空氣間隙值為5.3 m。

4.3 按雷電過電壓選擇塔頭空氣間隙

對于高壓直流輸電系統(tǒng)，換流閥在直流線路遭雷擊時可迅速反應(yīng)，并在100 ms 內(nèi)進(jìn)行重啟動，基本不影響線路連續(xù)運(yùn)行。因此，特高壓直流線路桿塔外形規(guī)劃設(shè)計(jì)中不考慮雷電過電壓的影響，僅參照操作過電壓間隙對防雷水平進(jìn)行驗(yàn)算。

4.4 帶電作業(yè)間隙

我國110～750 kV 交流輸電線路設(shè)計(jì)中考慮帶電作業(yè)工況下的空隙間隙取值?？紤]到帶電作業(yè)方式的多樣性，根據(jù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不宜因此增大桿塔尺寸，僅在桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量考慮便于帶電作業(yè)操作。

4.5 塔頭空氣間隙海拔修正

GB 50790—2013 《±800 kV 直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》 規(guī)定了空氣間隙耐受電壓從標(biāo)準(zhǔn)氣象條件校正到直至2 000 m 時海拔校正因數(shù)Ka為［1］

式中：H 為海拔高度，m；m 為校正因子，對于工頻及雷電沖擊電壓m＝1.0，對于操作沖擊電壓可由GB 50790—2013 《±800 kV 直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》操作沖擊電壓關(guān)系曲線中查到。

4.6 空氣間隙結(jié)論

根據(jù)上述計(jì)算分析合理選取工作電壓、操作過電壓、雷電過電壓及帶電作業(yè)工況下的空氣間隙。最終推薦本工程空氣間隙選取如表9 所示。

表9 各工況空氣間隙計(jì)算結(jié)果 m

5 防雷保護(hù)和接地

雷電直接擊中桿塔造成線路反擊以及繞擊線路導(dǎo)線這兩種方式，易造成線路雷擊跳閘。GB／T 50064—2014 《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對500 kV 及±500 kV 線路，當(dāng)雷擊桿頂時，其耐雷水平應(yīng)達(dá)到125～175 kA。在大跨越檔距中央和變電站（換流站）進(jìn)出線段（2～3 km），耐雷水平不應(yīng)低于175 kA，此規(guī)定可作為本工程防雷設(shè)計(jì)的參照依據(jù)。

5.1 大跨越線路的反擊閃絡(luò)率

5.1.1 大跨越桿塔處雷電反擊閃絡(luò)率

采用ATP-EMTP 程序?qū)Φ湫蜅U塔的反擊耐雷水平進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中考慮了工作電壓、電暈的影響、放電路徑、地線對導(dǎo)線之間閃絡(luò)的間隙等因素，間隙距離為25 m。

針對不同的導(dǎo)線對塔身最小空氣間隙距離進(jìn)行了研究，計(jì)算得到的桿塔反擊耐雷水平和閃絡(luò)率計(jì)算結(jié)果如表10 所示。

表10 雷擊桿塔處反擊耐雷水平和反擊閃絡(luò)率

5.1.2 雷擊大跨越線路檔距中央地線的反擊閃絡(luò)率

一般段線路的檔距不大，雷擊檔距中央地線時，反射波可很快自兩側(cè)桿塔返回并抑制雷擊過電壓，一般不易造成檔中極導(dǎo)線的反擊閃絡(luò)。但是對于大跨越段的單個檔距通常超過1 000 m，雷擊檔距中央地線時，兩側(cè)桿塔的負(fù)反射波返回時間較長，雷擊點(diǎn)的過電壓相對常規(guī)線路高出許多。這可能發(fā)生雷擊檔距中央極導(dǎo)線的反擊閃絡(luò)，也可能造成兩側(cè)桿塔的極導(dǎo)線的反擊閃絡(luò)。因此，研究雷擊檔距中央地線時，需同時考慮桿塔上的空氣間隙和檔距中央的空氣間隙閃絡(luò)情況。

表11 列出了雷擊檔距中央地線時，不同的桿塔最小間隙下的反擊耐雷水平。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)檔距中央的地線、極線間距為25 m 時，雷擊檔距中央地線時，閃絡(luò)均發(fā)生在兩側(cè)桿塔上。桿塔處地線和導(dǎo)線的最小間隙距離為8.0 m 時，其耐雷水平可達(dá)323 kA。在桿塔處最小間隙距離為7.5 m 時，耐雷水平仍可達(dá)306 kA。均滿足標(biāo)準(zhǔn)對大跨越線路的要求。

根據(jù)我國多年來各電壓等級大跨越線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，沒有發(fā)生過雷擊檔距中央出現(xiàn)反擊閃絡(luò)事故。所以，在特高壓大跨越檔距中央地線和導(dǎo)線的間隙距離顯著加大的情況下，其防雷性能應(yīng)是十分良好的。

5.2 大跨越線路繞擊閃絡(luò)率

計(jì)算大跨越直流線路繞擊閃絡(luò)率時，采用了電氣幾何模型（Electro-Geometric Model，EGM），計(jì)算結(jié)果見表12。若大跨越塔的雷電間隙為8.0 m，大跨越平均繞擊閃絡(luò)率為0.123 次／（100 km·a）。大跨越線路全長3.7 km，發(fā)生繞擊閃絡(luò)約為0.003 次／a，平均無故障年為333 a。若縮小大跨越塔的雷電間隙至7.5 m，發(fā)生繞擊閃絡(luò)約為0.003 7 次／a，平均無故障年為270 a；若縮小大跨越塔的雷電間隙至7 m，發(fā)生繞擊閃絡(luò)約為0.005 次／a，平均無故障年為201 a。因此，即使空氣間隙縮小至7 m，平均無故障時間仍大于50 a。

表12 ±800 kV 典型塔繞擊閃絡(luò)率

5.3 大跨越線路綜合雷擊閃絡(luò)率

綜合雷擊閃絡(luò)率取值為平均繞擊與反擊閃絡(luò)率之和。經(jīng)計(jì)算，大跨越線路間隙距離為8.0 m 時，綜合雷擊閃絡(luò)率為0.160 次／（100 km·a）；間隙距離為7.5 m時，綜合雷擊閃絡(luò)率為0.192 次／（100 km·a）；間隙距離為7m 時，綜合雷擊閃絡(luò)率為0.259 次／（100km·a）。

大跨越的平均無故障時間大于50 a。滿足防雷設(shè)計(jì)要求。

5.4 地線的保護(hù)角

2 個大跨越線路架設(shè)雙地線（兩根OPGW）。為提高線路的耐雷電繞擊性能，鐵塔地線對導(dǎo)線的保護(hù)角按照-5°設(shè)計(jì)。

5.5 接地配置

計(jì)算桿塔耐雷水平時桿塔的接地電阻數(shù)值，按不超過5 Ω 設(shè)計(jì)。該黃河大跨越段均位于平地，實(shí)測土壤電阻率小于500 Ω·m，推薦的桿塔接地電阻值完全可以滿足桿塔的防雷水平。

6 結(jié)語

結(jié)合魯固特高壓直流工程實(shí)際情況，依次介紹了黃河大跨越的絕緣配合設(shè)計(jì)原則及絕緣配置結(jié)論，包括選擇絕緣子型式、絕緣子串的片數(shù)和確定塔頭空氣間隙；論述了大跨越線路的耐雷水平、反擊閃絡(luò)率和繞擊閃絡(luò)率的計(jì)算方法，提出了防雷和接地的設(shè)計(jì)結(jié)論，可為特高壓直流大跨越工程設(shè)計(jì)提供參考。