輸電線路絕緣配合設(shè)計(jì)方法研究

李家坤，施喜平

輸電線路絕緣配合設(shè)計(jì)方法研究

李家坤，施喜平

（長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212）

架空輸電線路絕緣配合對(duì)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行極為重要，本文針對(duì)架空線路絕緣配合原則、計(jì)算方法、選用標(biāo)準(zhǔn)，從爬電距離、電氣間隙兩個(gè)方面分析了輸電線路絕緣配合的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，得出安全經(jīng)濟(jì)的絕緣配合設(shè)計(jì)方法；通過實(shí)例分析，表明經(jīng)過塔高修正和海拔修正，絕緣子數(shù)量和空氣間隙能滿足實(shí)際工程需要。

輸電線路；絕緣配合；爬電距離；電氣間隙；絕緣配合設(shè)計(jì)

架空輸電線路的絕緣配合是關(guān)系到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要方面，電氣設(shè)備絕緣水平選擇是在綜合考慮系統(tǒng)中設(shè)備可能承受的各種作用電壓（包括工作電壓和過電壓）、保護(hù)裝置的特性和設(shè)備絕緣對(duì)各種工作電壓的耐受特性，合理選擇選擇設(shè)備絕緣等級(jí)，使設(shè)備的制造成本、維修費(fèi)用和設(shè)備絕緣故障造成的損失，在經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的綜合效益上達(dá)到最高目標(biāo)。

架空輸電線路設(shè)計(jì)要貫徹安全可靠、先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)合理的國家基本建設(shè)方針和技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。絕緣配合是綜合考慮輸電線路上可能出現(xiàn)的各種電壓的作用，（包括線路上的工頻電壓、操作過電壓、雷電過電壓的作用），合理確定水電線路的絕緣水平，保證線路能夠安全可靠運(yùn)行，絕緣配合設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括導(dǎo)線對(duì)桿塔、導(dǎo)線對(duì)地、不同相導(dǎo)線間的絕緣選擇。

線路絕緣配合計(jì)算的方法主要有慣用法和統(tǒng)計(jì)法，相比較而言，統(tǒng)計(jì)法計(jì)算復(fù)雜，慣用法計(jì)算簡單而且較為方便，是架空輸電線路絕緣配合的常用計(jì)算方法。選擇絕緣子串、確定線路和桿塔上的安全間隙以及極間距離（空氣間距）構(gòu)成線路絕緣配合的主要內(nèi)容。

1 塔頭絕緣配合的設(shè)計(jì)

1.1 選擇絕緣子串

輸電線路塔頭絕緣的組成主要有絕緣子串和空氣間隙，線路絕緣子串的選擇應(yīng)考慮滿足絕緣和機(jī)械強(qiáng)度的要求。除了考慮絕緣子串在工頻電壓下不發(fā)生污閃、在操作過電壓下不發(fā)生濕閃外，還應(yīng)具備足夠的雷電沖擊絕緣強(qiáng)度，滿足耐雷水平與雷擊跳閘率的規(guī)范要求。

線路絕緣子根據(jù)受力情況一般分為懸垂絕緣子串和耐張絕緣子串，通常按懸垂絕緣子來選擇絕緣子數(shù)量，而耐張絕緣子串受力較大，受電場分布的影響，容易出現(xiàn)耐壓為零的零值絕緣子。為了補(bǔ)償零值絕緣子，耐張絕緣子一般適當(dāng)增加絕緣子片數(shù)，對(duì)于電壓等級(jí)為110kV至330kV的高壓輸電線路，應(yīng)增加1片絕緣子；對(duì)于電壓等級(jí)為500kV的高壓輸電線路，應(yīng)增加2片絕緣子，對(duì)于電壓等級(jí)為750kV的輸電線路則不需要增加絕緣子片數(shù)。

輸電線路均設(shè)置有防雷措施，除大跨越線路外（大跨越線路易發(fā)生繞擊），雷電過電壓一般不作為選擇懸垂絕緣子片數(shù)的決定條件。懸垂絕緣子串的絕緣子數(shù)量，一般按照耐受長時(shí)間工頻電壓下不發(fā)生污閃、在操作過電壓下不發(fā)生濕閃來確定。具體選擇方法為:

（1）根據(jù)絕緣子所受機(jī)械力和環(huán)境條件，選取懸式絕緣子的型號(hào)[1]；

（2）按照工頻電壓所要求的泄漏距離，采用爬電比距法選擇絕緣子串中的絕緣子片數(shù)；

（3）按操作過電壓水平選擇絕緣子串中絕緣子片數(shù)；

（4）選?。?）（3）所計(jì)算絕緣子片數(shù)中的較大者，同時(shí)校核線路的耐雷水平與雷擊跳閘率是否符合規(guī)范要求。

1.1.1 按工作電壓要求選擇絕緣子片數(shù)

為了防止線路絕緣子串在工作電壓下發(fā)生污閃事故，絕緣子串應(yīng)有足夠的沿面爬電距離。一般采用爬電比距法[2]，參考《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊》第二版公式2.6.17和《110-750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（即GB50545-2010）第7.0.5款，絕緣子片數(shù)按公式（1）計(jì)算：

絕緣子幾何爬電距離按照絕緣子在試驗(yàn)和運(yùn)行中污穢耐壓的有效性來確定[4]，普通型XP-60絕緣子其值取為1。

1.1.2 按操作過電壓和雷電過電壓要求選擇絕緣子片數(shù)

在1000m以下海拔高度的地區(qū)，在操作過電壓和雷電過電壓作用下，懸垂絕緣子串的絕緣子最少數(shù)量，應(yīng)滿足表1的要求。

表1 操作過電壓和雷電過電壓作用下懸垂絕緣子串的最少數(shù)量

1.2 進(jìn)行塔高的修正

當(dāng)桿塔高度超過40m時(shí)，要進(jìn)行修正。對(duì)于總高度大于40m且有地線的桿塔，桿塔高度每增加10m，在表1的基礎(chǔ)上應(yīng)增加一個(gè)相當(dāng)于146mm高的絕緣子。對(duì)于100m以上的桿塔，可根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定絕緣子串的絕緣子片數(shù)，或者通過計(jì)算確定。當(dāng)考慮桿塔高度而需增加絕緣子數(shù)量時(shí)，相應(yīng)雷電過電壓的最小間隙也應(yīng)增大。桿塔總高度超過40m時(shí)的750kV電壓等級(jí)輸電線路，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，確定是否需要增加絕緣子串的絕緣子數(shù)量和間隙。

塔高大于40m時(shí)，確定懸垂絕緣子串的最少絕緣子片數(shù)可按公式（2）計(jì)算：

1.3 進(jìn)行海拔修正

在海拔高度超過1000m的地區(qū)，還應(yīng)考慮高海拔的影響，在選擇懸垂絕緣子串的數(shù)量后還需要進(jìn)行海拔修正，按公式（3）修正：

2 空氣間距的選擇

空氣間隙受到不同氣象條件的影響，氣象條件不佳時(shí)，空氣間隙的選擇格外重要，不同季節(jié)和時(shí)間的不同風(fēng)速下，風(fēng)偏后帶電部分對(duì)桿塔的安全間隙也要保持在安全范圍內(nèi)[5]。

輸電線路上的空氣間隙主要包括：導(dǎo)線對(duì)地面的空氣間隙、導(dǎo)線之間的空氣間隙、導(dǎo)線與地線之間的空氣間隙、導(dǎo)線與桿塔之間的空氣間隙。

2.1 導(dǎo)線對(duì)地面的安全距離確定

確定導(dǎo)線對(duì)地面的安全距離，即空氣間隙（即空間距離）時(shí)主要考慮穿越導(dǎo)線下面最高物體與導(dǎo)線的安全距離，確定方法參考《110-750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》第13節(jié)“對(duì)地距離及交叉跨越”部分。

2.2 導(dǎo)線之間的空氣間隙確定

確定導(dǎo)線之間的空氣間隙，應(yīng)考慮相間過電壓的作用以及相鄰導(dǎo)線在大風(fēng)中因不同步擺動(dòng)或舞動(dòng)而相互靠近等問題。導(dǎo)線的線間距離應(yīng)結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定[6]，并應(yīng)符合公式規(guī)定：當(dāng)導(dǎo)線為水平排列時(shí)，對(duì)于1km以下檔距，水平線間距離一般按公式（4）計(jì)算：

式中：

當(dāng)檔距超過1000m的大跨越桿塔，尤其是跨越較大河流的大跨越導(dǎo)線，可按公式（5）確定。

當(dāng)導(dǎo)線垂直排列時(shí)，線間距離為上式計(jì)算結(jié)果的75%；導(dǎo)線三角形排列時(shí)的等效水平線間距離按公式（6）計(jì)算確定：

對(duì)于多回路、同桿塔架設(shè)的高壓輸電線路，考慮到不同回路之間導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)將會(huì)影響到兩個(gè)以上回路的供電安全[7]，容易使事故擴(kuò)大，因此對(duì)多回路桿塔的不同回路相導(dǎo)線間的水平或垂直相間距離，應(yīng)比單回路不同相導(dǎo)線間所要求的相間距離大0.5m。

2.3 導(dǎo)線、地線之間的空氣間隙確定

在選擇導(dǎo)線與地線之間的空氣間隙時(shí)，一般按標(biāo)準(zhǔn)雷電波形雷擊于檔距中央避雷線上，此時(shí)導(dǎo)線與地線間的空氣間隙不擊穿來確定安全距離。

桿塔上兩地線之間的距離，要求不應(yīng)超過導(dǎo)線與地線間垂直距離的5倍。在一般檔距線路的檔距中央，導(dǎo)線與地線之間的距離，通常應(yīng)按公式（7）確定：

對(duì)于檔距較大的大跨越輸電線路，當(dāng)按雷擊線路檔距中央避雷線來選定地線與導(dǎo)線之間的距離時(shí)，由公式（7）計(jì)算出的距離往往過于偏大，此時(shí)應(yīng)按避免發(fā)生反擊的公式（8）來進(jìn)行計(jì)算，并取公式（7）和公式（8）兩公式計(jì)算數(shù)值的相對(duì)較小者。

2.4 導(dǎo)線與桿塔之間的空氣間隙確定

在海拔高度不超過1000m的地區(qū)，帶電部分與桿塔（包括拉線、腳釘）之間的最小間隙，應(yīng)按表2確定。

表2 帶電部分與桿塔的最小間隙（單位：m）

需要強(qiáng)調(diào)的是，表2中750kV括弧內(nèi)為邊相Ⅱ型串最小間隙，括弧外為邊相Ⅴ型串最小間隙，在海拔高度1000m以上地區(qū)，要進(jìn)行海拔修正，海拔每增高100m，間隙值比表2中的數(shù)據(jù)增加1%。

3 實(shí)例分析

某500kV架空輸電線路工程，最高運(yùn)行電壓550kV，導(dǎo)線采用4×JL/GLA-500/45，子導(dǎo)線直徑30mm，導(dǎo)線自重荷載為16.528N/m，基本風(fēng)速27m/s，設(shè)計(jì)覆冰厚10mm。

3.1 根據(jù)以下情況，計(jì)算確定導(dǎo)線懸垂絕緣子串?dāng)?shù)

（1）跨越塔全高100m，所經(jīng)地區(qū)海拔為3000m。

（2）等值鹽密為0.10mg/cm2 ，統(tǒng)一爬電比距（最高運(yùn)行相電壓）要求按4.0cm/kV設(shè)計(jì)。

（3）絕緣子的公稱爬電距離為480mm，結(jié)構(gòu)高度170mm，爬電距離有效系數(shù)為1.0，特征指數(shù)m取0.40。

3.2 位于3000m海拔高度時(shí)輸電線路帶電部分與桿塔構(gòu)件工頻電壓最小空氣間距應(yīng)為何值

計(jì)算過程如下：

（1）確定導(dǎo)線懸垂絕緣子串?dāng)?shù)

1）按操作過電壓及雷電過電壓配合選擇

由表1可知，500kV線路懸式絕緣子串需25片結(jié)構(gòu)高度155 mm的絕緣子片；由公式（2），結(jié)合絕緣子高度為170mm，則絕緣子片數(shù)修正為：

2）按爬電比距法選擇

綜合（1）、（2）取較大者28片。

海拔修正后的絕緣子片數(shù)：

取31片。

（2）確定輸電線路帶電部分與桿塔構(gòu)件之間的工頻電壓最小空氣間距

根據(jù)表2， 輸電線路帶電部分與桿塔構(gòu)件之間的工頻電壓最小空氣間距為1.3m，海拔修正為

4 結(jié)語

架空輸電線路絕緣配合設(shè)計(jì)主要包括絕緣子個(gè)數(shù)和導(dǎo)線電氣距離的確定，兩者對(duì)輸電線路安全運(yùn)行非常重要。分析、總結(jié)輸電線路絕緣配合的設(shè)計(jì)方法，合理設(shè)計(jì)絕緣子個(gè)數(shù)和導(dǎo)線電氣距離，滿足輸電線路在工頻電壓、操作電壓和雷電過電壓等條件下安全可靠運(yùn)行，對(duì)于電力工程中高壓輸電線路設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

[1]孫秀麗,楊超.輸電線路絕緣配合設(shè)計(jì)方法探討[J].黑龍江科學(xué),2017(24):92-93.

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Research on Design Methods of Insulation Coordination for Transmission Lines

Li Jiakun，Shi Xiping

（Changjiang Institute of Technologe,Wuhan 430212 Hubei）

The insulation coordination of overhead transmission lines is very important for the safe and stable operation of transmission lines. According to the principle, calculation method and selection standard of overhead line insulation coordination, this paper analyzes the design steps and key points of transmission line insulation coordination from two aspects of creep-age distance and electrical clearance, and obtains a safe and economic insulation coordination design method; through the analysis of examples, it is shown that the number of insulators and air gap can meet the actual engineering needs after tower height correction and altitude correction.

Transmission line; Insulation coordination; Creep-age distance; Electrical clearance; Insulation coordination design

2020-11-01

李家坤，男，湖北監(jiān)利人，教授。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向的教學(xué)與研究工作。

TM853

A

1672-1047（2020）06-0132-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2020.06.35

[責(zé)任編輯：劉良瑞]