西藏高海拔地區(qū)混壓同塔多回輸電線路絕緣配合研究

郭琳玲

國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏拉薩，852000

0 引言

中國(guó)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展和建設(shè)以風(fēng)能、光能為主，常規(guī)水電、抽水蓄能和儲(chǔ)能作為風(fēng)、光電消納的補(bǔ)償電源，并逐步降低火電和核電在電力系統(tǒng)中的占比，構(gòu)建水-風(fēng)-光-儲(chǔ)互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行的綠色、清潔電力系統(tǒng)，響應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)和電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[1]。隨著“十四五”規(guī)劃在維護(hù)生態(tài)的前提下啟動(dòng)大型水電建設(shè)，西藏地區(qū)將成為水、光清潔能源開(kāi)發(fā)的第一梯隊(duì)，新增新能源外送通道迫在眉睫。

西藏高海拔地區(qū)屬于典型的高原自然環(huán)境，植被生長(zhǎng)極為緩慢，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，地形條件惡劣，現(xiàn)場(chǎng)施工條件極差，運(yùn)行環(huán)境惡劣，開(kāi)辟電力走廊非常困難，導(dǎo)致輸電線路電力走廊資源難以滿足電力建設(shè)需求，隨著西藏電力建設(shè)的高峰期到來(lái)，這些客觀條件必將要求電能需求和輸電線路走廊做到協(xié)調(diào)配合。為解決這一矛盾，同時(shí)有效降低電力建設(shè)對(duì)西藏地區(qū)清潔能源開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境的影響，需要開(kāi)展西藏高海拔地區(qū)220kV與110kV、220kV與35kV、110kV與35kV交流混壓同塔多回輸電線路絕緣配合研究。絕緣配合研究是整個(gè)輸電線路研究的重要部分，其中絕緣配合主要是對(duì)絕緣子串的選擇以及空氣間隙距離的計(jì)算取值。我國(guó)許多地區(qū)夏季雷雨天氣頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，高壓架空線路跳閘事故中，由雷擊導(dǎo)致的占40%～70%[2]。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于混壓同塔多回線路的防雷研究和絕緣配合以及影響因素等都有一定的研究，然而卻沒(méi)有詳細(xì)的計(jì)算分析[3-6]。

同塔多回輸電線路的避雷器的安裝位置與導(dǎo)線的防雷擊效應(yīng)息息相關(guān)[7]。最終研究得出：同塔雙回220kV輸電線路裝一只避雷器時(shí)建議安裝在橫擔(dān)最下方；裝兩支避雷器時(shí)建議安裝在橫擔(dān)中間和最下方。同塔四回線路裝避雷器建議安裝在橫擔(dān)下方兩回線路的最上方和橫擔(dān)最上方右側(cè)。Malicki等闡述了如何有效地結(jié)合不同的方法來(lái)支持絕緣協(xié)調(diào)研究，利用EMTP-ATP的電幾何模型和仿真，預(yù)測(cè)了兩種混合塔架結(jié)構(gòu)的雷擊發(fā)生率和停電范圍[8]。

1 高海拔絕緣子型號(hào)和片數(shù)

1.1 污區(qū)劃分和爬電距離

由于西藏地區(qū)無(wú)污區(qū)劃分圖，因此線路污區(qū)劃分只能根據(jù)線路所經(jīng)區(qū)域環(huán)境條件、污穢情況調(diào)查、污濕特性分析和以往西藏地區(qū)架空線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等展開(kāi)。隨著國(guó)內(nèi)污染工業(yè)企業(yè)數(shù)量增多，大氣環(huán)境污穢逐漸蔓延至無(wú)工業(yè)污染地區(qū)，因此，即使線路沿線基本無(wú)工業(yè)污染，西藏地區(qū)也無(wú)清潔區(qū)（0級(jí)區(qū)）可言。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，本次課題研究線路沿線多處于道路、縣城設(shè)施、鄉(xiāng)村周邊，同時(shí)沿線多處存在新建鐵路和公路修建等地段，全線均為C級(jí)污區(qū)。同時(shí)根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司要求，C級(jí)以下污區(qū)均提高一級(jí)配置，因此，本文選取C級(jí)污穢區(qū)進(jìn)行全線的絕緣配置，所選絕緣子其爬電比距都取為39.4mm/kV。絕緣子片數(shù)選擇在考慮了線路污濕特性后，還應(yīng)進(jìn)行污穢條件下的高海拔修正。

1.2 絕緣子型式

合成絕緣子相較于其他型式的絕緣子，具有耐污性能好、抗外力打擊能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于途經(jīng)高海拔、強(qiáng)紫外線地區(qū)的線路，其合成絕緣子的性能可能會(huì)降低。同時(shí)，考慮到西藏地區(qū)現(xiàn)狀220kV線路的運(yùn)行規(guī)律及經(jīng)驗(yàn)，220kV線路中盤(pán)型絕緣子具有非常成熟的施工、運(yùn)檢經(jīng)驗(yàn)。因此，本文選擇采用盤(pán)型絕緣子來(lái)實(shí)現(xiàn)線路的絕緣配置。

1.3 絕緣子強(qiáng)度及特性

結(jié)合西藏地區(qū)高海拔實(shí)際現(xiàn)狀，絕緣子串的機(jī)械受力安全系數(shù)數(shù)值大于或等于表1所規(guī)定數(shù)值。

表1 絕緣子機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)

比較西藏地區(qū)輸電線路絕緣子研究選型和經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行，通過(guò)對(duì)絕緣子的荷載做安全校驗(yàn)，為便于長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)并嚴(yán)格考慮絕緣子不耐受外界打擊的缺陷，本次課題研究110kV和35kV線路絕緣子推薦采用70kN高質(zhì)量瓷質(zhì)絕緣子。懸垂鐵塔的絕緣子以及金具串采用單串型式，耐張塔的絕緣子以及金具串采用單聯(lián)串型式。220kV線路推薦懸垂串采用雙聯(lián)120kN型號(hào)，V型絕緣子串采用雙聯(lián)120kN型號(hào)，跳線串采用單聯(lián)70kN型號(hào)。

在輸電電壓不斷提高、過(guò)電壓水平不斷下降及過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備日趨完善的今天，工頻電壓下的絕緣性能是確定絕緣子串長(zhǎng)度的控制因素。污耐壓法是采用試驗(yàn)而得到的絕緣子在實(shí)際不同污穢條件下的最大承受電壓污閃，使最終選擇的絕緣子串的最大承受電壓污閃大于此輸電線路的運(yùn)行最大電壓，且要保證所選數(shù)值留有一定的安全性裕度。確定高海拔地區(qū)輸電線路污穢外絕緣配置的方法就是以平原地區(qū)輸變電設(shè)備外絕緣配置的選擇為基礎(chǔ)，找出污閃電壓隨海拔升高而降低的規(guī)律，計(jì)算出海拔地區(qū)所需輸電線路外絕緣配置。

1.4 絕緣子片數(shù)

目前我國(guó)仍廣泛采用爬電比距法選擇絕緣子片數(shù)，西藏地區(qū)輸電線路絕緣子研究選型和經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行有關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于不同污區(qū)和海拔，本次課題研究絕緣子片數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 220kV 線路特定污區(qū)和對(duì)應(yīng)海拔下的絕緣子片數(shù)計(jì)算表

國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司邀請(qǐng)國(guó)家電網(wǎng)公司生產(chǎn)運(yùn)維組織相關(guān)專(zhuān)家對(duì)輸電線路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等部門(mén)進(jìn)行全面、細(xì)致的審查和實(shí)地考察調(diào)研，通過(guò)計(jì)算并參考西藏地區(qū)220kV線路、110kV線路以及35kV線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，考慮本線路在系統(tǒng)中的重要作用，加之外部條件惡劣、高海拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，為保證線路安全運(yùn)行，在絕緣強(qiáng)度上適當(dāng)留有裕度。對(duì)線路實(shí)施調(diào)爬改造后，增加了絕緣子片數(shù)以及塔頭空氣間隙。對(duì)220kV線路研究得出，整條線路的懸垂絕緣子串片數(shù)選擇如表3所示。

表3 220kV 線路工頻電壓絕緣子片數(shù)選擇結(jié)果

表4 110kV 線路工頻電壓絕緣子片數(shù)選擇結(jié)果

表5 35kV 工頻電壓絕緣子片數(shù)選擇結(jié)果

2 220kV高海拔輸電線路放電空氣間隙特性研究

在國(guó)家電網(wǎng)有限公司西藏地區(qū)高海拔工程（海拔4300m），采用與內(nèi)地海拔較低地區(qū)的實(shí)驗(yàn)塔頭基本相同的研究，計(jì)算研究出導(dǎo)線的邊相-鐵塔塔身距離間隙的工頻電壓放電、操作沖擊和雷電沖擊放電特性的計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 邊相操作沖擊放電特性

對(duì)鐵塔導(dǎo)線的邊相采用正的操作沖擊標(biāo)準(zhǔn)性電壓，得到如圖1所示的輸電鐵塔塔頭的空氣距離50%放電操作沖擊電壓以及安全距離的擬合曲線結(jié)果，圖1同時(shí)給出了在低海拔地區(qū)放電電壓和間隙距離的曲線關(guān)系?？梢员容^得出，在高海拔地區(qū)，處于2.0m～6.0m的試驗(yàn)間隙距離范圍之內(nèi)，隨著間隙距離的不斷增大，校正系數(shù)卻在逐漸變小。圖2給出了試驗(yàn)時(shí)期邊相導(dǎo)線的操作沖擊放電照片。

圖1 高原區(qū)域輸電導(dǎo)線邊相-鐵塔塔身操作放電沖擊擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 高原區(qū)域邊相導(dǎo)線-塔身操作沖擊放電照片

2.2 雷電沖擊放電特性

2.2.1 絕緣子串雷電沖擊放電特性

針對(duì)高原區(qū)域的I型絕緣子串做雷電流特定試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的絕緣子串長(zhǎng)為1.6m～4.1m，試驗(yàn)用的雷電沖擊電壓范圍是500kV～1400kV。得到的結(jié)果如圖3所示。圖3也同時(shí)給出了低海拔地區(qū)的放電電壓數(shù)值和采用絕緣子串長(zhǎng)度的關(guān)系曲線?？梢匝芯康贸?，位于高原區(qū)域的輸電線路，同低海拔地區(qū)情況一樣，電壓釋放和長(zhǎng)度串表現(xiàn)為單調(diào)的同步關(guān)系。圖4給出了試驗(yàn)時(shí)期邊相絕緣子串的雷電沖擊的結(jié)果照片。

圖3 高原區(qū)域絕緣子串雷電沖擊放電特性曲線

圖4 高原區(qū)域絕緣子串邊相雷電泄流結(jié)果圖

2.2.2 空氣間隙雷電沖擊放電特性

對(duì)高原地區(qū)的輸電鐵塔導(dǎo)線-鐵塔空氣距離做了雷電泄流試驗(yàn)。試驗(yàn)中導(dǎo)線-塔身空氣間隙數(shù)值為2.0m～5.0m，試驗(yàn)的雷電沖擊電壓為600kV～1800kV。結(jié)果如圖5所示。

圖5 高原區(qū)域?qū)Ь€-塔身雷電沖擊放電特性曲線

圖5同時(shí)顯示了低海拔區(qū)域的雷電泄流試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)可以得出，處于高海拔地區(qū)和低海拔地區(qū)類(lèi)似，放電電壓和間隙距離呈現(xiàn)線性數(shù)值關(guān)系。處于試驗(yàn)間隙距離范圍之內(nèi)，隨著間隙距離的不斷增大，其校正系數(shù)保持不變。圖6得到輸電鐵塔雷電泄流試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 高原區(qū)域邊相空氣間隙雷電沖擊放電照片

2.2.3 工頻放電特性

處在高原區(qū)域的輸電導(dǎo)線-鐵塔塔身的工頻泄流試驗(yàn)的特定照片布置如圖7所示，試驗(yàn)時(shí)期間隙距離數(shù)值為0.50m～2.00m，間隙的工頻閃絡(luò)電壓數(shù)值為150kV～500kV，結(jié)果如圖8所示。

圖7 工頻放電特性試驗(yàn)試品布置圖

圖8 導(dǎo)線-塔身工頻間隙放電特性試驗(yàn)

對(duì)于導(dǎo)線-塔身間隙，處于0.50m～2.00m的間隙距離數(shù)值內(nèi)，海拔4300m地區(qū)的導(dǎo)線-塔身的工頻放電電壓數(shù)值相比較海拔0m的平原地區(qū)，其試驗(yàn)結(jié)果小約24.0%～33.0%。而隨著間隙距離的不斷增大，導(dǎo)線-塔身的間隙工頻放電電壓海拔校正系數(shù)也在不斷增大。

2.2.4 空氣間隙取值

結(jié)合西藏地區(qū)高海拔的現(xiàn)實(shí)情況，針對(duì)220kV輸電線路研究得出空氣間隙的相關(guān)取值：處于4000m地區(qū)空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區(qū)理論值增加約0.75m，增加了52.4%；海拔處于4500m地區(qū)空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區(qū)理論值增加約0.88m，增加了61.7%；海拔處于5000m地區(qū)空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區(qū)理論值增加約1.03m，增加了71.7%。本文日常各種工況下空氣間隙的規(guī)范取值如表6所示。

表6 220kV 空氣間隙取值

考慮到西藏地區(qū)高海拔實(shí)際情況，針對(duì)110kV輸電線路和35kV輸電線路得出結(jié)論，海拔處于3500m～4000m地區(qū)空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區(qū)理論值增加約0.16m，增加了36%絕緣的裕度，海拔處于4000m～5000m地區(qū)空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區(qū)理論值增加約0.42m，增加了90%絕緣的裕度，如表7、8所示。

表7 110kV 空氣間隙取值

表8 35kV 空氣間隙取值

根據(jù)絕緣子的型號(hào)以及計(jì)算片數(shù)選取研究、高海拔地區(qū)220kV輸電線路空氣間隙放電研究特性分析可以得出，220kV線路推薦懸垂串采用雙聯(lián)120kN型號(hào)，V型絕緣子串采用雙聯(lián)120kN型號(hào)，跳線串采用單聯(lián)70kN型號(hào)。對(duì)220kV線路研究得出，4000m海拔時(shí)，研究值比理論計(jì)算值最大增加6片絕緣子，增加33.6%的絕緣裕度；4500m海拔時(shí)，研究值相比較理論值最大增加約6片絕緣子，增加了33.4%的絕緣裕度；5000m海拔時(shí)，研究值相比較理論值最大增加6片絕緣子，增加了26.4%的絕緣裕度。

110kV和35kV輸電線路絕緣子串推薦采用高質(zhì)量70kN的瓷質(zhì)絕緣子。懸垂絕緣子型號(hào)和金具型號(hào)采用單聯(lián)串的型式，耐張絕緣子型號(hào)和金具形式采用單聯(lián)串的型式。對(duì)110kV線路和35kV線路論證顯示，海拔處于3500m～4000m，可考慮架設(shè)9片絕緣子，海拔處于4000m～5000m，可考慮架設(shè)10片絕緣子；考慮調(diào)整改造可以全線增加3片絕緣子，研究值比理論值增加約30.1%的絕緣裕度。

3 結(jié)論

混壓同塔多回輸電線路能夠合理節(jié)約輸電線路空間走廊，降低開(kāi)發(fā)成本，解決西藏地區(qū)線路走廊緊缺問(wèn)題，同時(shí)減少了生態(tài)環(huán)境破壞。本文根據(jù)工程實(shí)際需求，進(jìn)行高海拔220kV與110kV、220kV與35kV、110kV與35kV混壓同塔應(yīng)用的絕緣型研究及配置，研究成果將應(yīng)用于西藏35kV以上混壓同塔工程。在絕緣配合上，研究總結(jié)各電壓等級(jí)的輸電線路選擇絕緣子形式以及要求片數(shù)的數(shù)值，同時(shí)確定了各電壓等級(jí)下的空氣間隙取值，所有線路皆滿足規(guī)程要求。