750 kV輸電線路電暈損失測量技術(shù)

邢琳，劉云鵬，孫強(qiáng)，尤少華，李潤秋

（1.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安710048，2.華北電力大學(xué)，河北保定071003）

我國西部地區(qū)地處高原，針對能源發(fā)展規(guī)劃及地理特點(diǎn)，在建及投運(yùn)的750 kV輸電線路多處于高海拔地區(qū)[1-4]，隨著海拔高度的增加，空氣密度減小，導(dǎo)致空氣的臨界擊穿場強(qiáng)下降[5-6]，導(dǎo)線起暈電壓降低，電暈損失增加[7-8]，直接影響輸電線路的經(jīng)濟(jì)性和安全性，對西北750 kV輸電工程的經(jīng)濟(jì)性和可靠性帶來很大的影響。

但截至目前，我國超高壓輸電線路的電暈損失測量工作開展很少，尤其是西北新建750 kV線路，電暈損失的相關(guān)計(jì)算基本參考國外的相關(guān)數(shù)據(jù)，而這類可參考實(shí)測數(shù)據(jù)很少，很不完備。國際上輸電線路電暈損失雖己研究多年，但至今尚無公認(rèn)的估算電暈損失的統(tǒng)一方法。各國提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和估算方法，主要是針對本國具體情況，有較大的差別[9-10]。我國迫切需要研究和建立自己的750 kV輸電線路電暈損失的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和曲線，指導(dǎo)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效增大輸送功率，減少輸電損耗，提高輸電線路可靠性，為線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)借鑒，同時(shí)為促進(jìn)西北750 kV電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。

1 研究內(nèi)容

在交流特高壓試驗(yàn)基地的大電暈籠和試驗(yàn)線段基礎(chǔ)上開展研究，基于光纖測量技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，研制相應(yīng)的電暈損失測量裝置，獲得不同類型750 kV輸電線路導(dǎo)線在不同場強(qiáng)下電暈損失的關(guān)鍵參數(shù)[11-12]。

1.1 光纖數(shù)字化電暈損失測量系統(tǒng)

基于光纖傳輸技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，數(shù)字信號處理技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，研制了一套光供電光纖傳輸方式的輸電線路的電暈損失測量系統(tǒng)[13]，見圖1。

圖1 光供電光纖傳輸方式的試驗(yàn)線段電暈損失測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該測量系統(tǒng)，基于電暈電流/電暈損失獲得了特高壓線路導(dǎo)線的電暈損失曲線，通過光纖電流互感器實(shí)現(xiàn)電流的地面安全可靠測量，采用戶外高精度電容分壓器（或CVT）實(shí)現(xiàn)電壓的準(zhǔn)確可靠測量，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)計(jì)算電暈電流/電暈損失，研究輸電線路的電暈特性。

1.2 電暈損失測量試驗(yàn)

在不同條件下對試驗(yàn)導(dǎo)線進(jìn)行了電暈損失測量試驗(yàn)，包括對特高壓交流試驗(yàn)基地的單回試驗(yàn)線段A、B相進(jìn)行了電暈損失在線監(jiān)測，在特高壓電暈籠中進(jìn)行了不同分裂導(dǎo)線在海拔19 m處的干燥、濕潤和淋雨條件下的電暈損失測量，在環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室中，利用可移動(dòng)式電暈籠,對不同六分裂導(dǎo)線進(jìn)行不同海拔高度(19～4000 m)干燥和淋雨條件下的電暈損失測量。

1.2.1 特高壓電暈籠電暈損失試驗(yàn)

特高壓電暈籠截面為方形，截面邊長8 m，測量段長度25 m，兩端防護(hù)段長度各為5 m[14]。結(jié)構(gòu)上分為兩層，外層為屏蔽籠，接地，內(nèi)層為測量籠，內(nèi)外層之間采用支柱絕緣子支撐。兩層籠均采用金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如圖2所示，電暈籠電暈損失測量系統(tǒng)與試驗(yàn)線段測量系統(tǒng)原理相同，采用光纖數(shù)字化電暈損失測量系統(tǒng)獲得精確的表征電暈損失的電壓電流原始數(shù)據(jù)，通過后臺分析程序進(jìn)一步獲得準(zhǔn)確的電暈損失測量結(jié)果。

圖2 電暈籠電暈損失測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 可移動(dòng)式電暈籠電暈損失試驗(yàn)

可移動(dòng)式電暈籠截面為方形，截面邊長6 m，測量段長度8 m，兩端防護(hù)段長度各為1 m。不同于特高壓電暈籠，可移動(dòng)式電暈籠僅有一層籠壁，通過絕緣子使籠壁與電暈籠基座實(shí)現(xiàn)絕緣，可移動(dòng)式電暈籠電暈損失試驗(yàn)的測量原理及系統(tǒng)同特高壓電暈籠的試驗(yàn)。如圖3所示，在模擬高海拔進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將其置于環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)，通過環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室的抽真空系統(tǒng)，改變實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣壓，由101.3(海拔19 m)～62 kPa(海拔4000 m)，模擬海拔每升高250 m為一個(gè)測量點(diǎn)，共17個(gè)模擬海拔測量點(diǎn)，分別測量導(dǎo)線干燥和人工淋雨下的電暈損失，同時(shí)在電暈籠壁上裝有溫濕度探頭，實(shí)時(shí)記錄每個(gè)測量時(shí)刻的溫濕度。

圖3 可移動(dòng)式電暈籠

1.3 六分裂導(dǎo)線海拔校正

利用環(huán)境氣候試驗(yàn)室獲得的電暈損失與海拔高度之間的關(guān)系曲線，開展導(dǎo)線電暈損失的海拔校正研究，提出兩種六分裂導(dǎo)線電暈損失海拔修正公式[15]。

1.3.1 線性形式修正方法

位于高海拔地區(qū)的導(dǎo)線電暈損失，應(yīng)該是用低海拔地區(qū)的導(dǎo)線電暈損失乘以海拔修正系數(shù)

式中，a、b為待求系數(shù)；H為導(dǎo)線海拔高度，m。

1.3.2 指數(shù)與線性聯(lián)合修正方法

通過對導(dǎo)線電暈損失隨海拔高度的變化關(guān)系，應(yīng)用多種形式擬合后發(fā)現(xiàn)，采用指數(shù)與線性聯(lián)合形式，修正誤差較小，其海拔修正形式可以表示為

式中，a、b、c為待求系數(shù)；H為試驗(yàn)地點(diǎn)海拔高度，m。

1.4 電暈損失等效性研究

通常采用電暈籠的方法測量輸電線路的電暈損失數(shù)據(jù)，但在電暈籠中測量到的電暈損失不能直接反映輸電線路上的電暈損失。為解決此類問題，提出一種有效電暈損失等效計(jì)算方法，利用測量到的電暈籠導(dǎo)線損失，計(jì)算得到有效電暈損失修正系數(shù)，通過相同場強(qiáng)下計(jì)算電暈損失的等值轉(zhuǎn)換，可以將電暈籠導(dǎo)線電暈損失等效到試驗(yàn)線段電暈損失。

式中，P為實(shí)測電暈損失；Pn為有效電暈損失；K為有效電暈損失修正系數(shù)。

其中

式中,n為分裂導(dǎo)線數(shù)；r為子導(dǎo)線半徑，cm；re為分裂導(dǎo)線等效半徑，cm；R為對于每相導(dǎo)線等效零電位同皮克系數(shù)；ρ為18于分裂導(dǎo)線。

求得電暈籠導(dǎo)線有效電暈損失修正系數(shù)，試驗(yàn)線段或輸電導(dǎo)線有效電暈損失修正系數(shù)，將電暈籠導(dǎo)線電暈損失等效到試驗(yàn)線段電暈損失[16]。

式中，Peq為等效電暈損失；Pcage為電暈籠導(dǎo)線測量電暈損失；Kline為線路修正系數(shù)；Kcage為電暈籠修正系數(shù)。

通過對特高壓單回試驗(yàn)線段以及特高壓電暈籠電暈損失試驗(yàn)兩者進(jìn)行比對，均采取8×LGJ-500/35分裂導(dǎo)線進(jìn)行雨天電暈損失測量，并對兩種試驗(yàn)方法測的結(jié)果進(jìn)行等效性對比分析，從而驗(yàn)證上述電暈損失等效性公式的正確性。

1.5 750 kV輸電線路電暈損失估算

綜合上節(jié)研究，給出了綜合評估一條實(shí)際750 kV線路全年電暈損失的計(jì)算流程。

1）計(jì)算出實(shí)際輸電線路導(dǎo)線表面最大場強(qiáng)Emax。

2）將用于實(shí)際輸電線路的導(dǎo)線置于電暈籠內(nèi)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。利用光纖數(shù)字化電暈損失測量系統(tǒng)測得導(dǎo)線在一組電壓下的電暈損失，并繪出電暈損失-電壓曲線。

3）根據(jù)導(dǎo)線表面最大場強(qiáng)計(jì)算出在電暈籠中達(dá)到該電場強(qiáng)度所需的試驗(yàn)電壓，由該試驗(yàn)電壓從電暈損失-電壓曲線中找出相應(yīng)的電暈損失值Pcage。

4）求取電暈損失的修正系數(shù)Kline和Kcage。

5）利用有效電暈損失的概念求出電暈損失等效系數(shù)，將電暈籠內(nèi)的導(dǎo)線電暈損失等效到輸電線路導(dǎo)線上,見式（6）。

6）根據(jù)電暈損失隨降雨率的變化曲線計(jì)算大雨、中雨、小雨天氣下的電暈損失，根據(jù)大、中、小雪的等值降雨率計(jì)算出雪天的電暈損失。最后根據(jù)輸電線路長度和一年之中的降雨時(shí)間和降雪時(shí)間求出全年總電暈損失能量。

7）求取全年壞天氣下的電暈損失能量。

8）求取全年晴天下的電暈損失能量。良好設(shè)計(jì)的高壓輸電線應(yīng)該不會在天氣晴好的情況下出現(xiàn)電暈，好天氣下電暈損失主要是絕緣子的泄漏損失。求得每塔損失功率，由全年內(nèi)晴天持續(xù)時(shí)間（小時(shí)數(shù)）及其線段內(nèi)塔基數(shù)求得晴天下?lián)p失能量。

9）求得線路全年電暈損失能量。將全年晴天下和壞天氣情況下的電暈損失能量求和，求得線路全年電暈損失能量。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光纖數(shù)字化電暈損失測量系統(tǒng)

采用現(xiàn)代光纖測量技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，研制了光纖數(shù)字化電暈損失測量系統(tǒng)，將混合式光供電電流互感器OPCT16[13]，以及光纖傳輸技術(shù)應(yīng)用于電暈籠導(dǎo)線、試驗(yàn)線段導(dǎo)線電流測量。

2.2 電暈損失測量方法

采用特高壓交流試驗(yàn)線段、全國首個(gè)特高壓電暈籠、超高壓可移動(dòng)式電暈籠以及亞洲最大的環(huán)境氣候試驗(yàn)室等優(yōu)越的試驗(yàn)條件，進(jìn)行特高壓交流單回試驗(yàn)線段、特高壓電暈籠、超高壓可移動(dòng)式電暈籠導(dǎo)線電暈損失測量。

2.3 電暈損失海拔修正法

將可移動(dòng)式電暈籠置于環(huán)境氣候試驗(yàn)室內(nèi)，采用6×LGJ-400/50導(dǎo)線，在國內(nèi)外首次系統(tǒng)的研究了0～4000 m海拔范圍內(nèi)導(dǎo)線電暈損失隨海拔高度的變化關(guān)系。并以該數(shù)據(jù)為依據(jù)，對0～4000 m海拔范圍內(nèi)兩種導(dǎo)線電暈損失海拔校正方法誤差特性進(jìn)行分析，首次提出了推薦工程應(yīng)用電暈損失海拔校正方法。

2.4 電暈損失等效性

針對電暈籠導(dǎo)線電暈損失與線路導(dǎo)線電暈損失的等效性問題展開研究，為將環(huán)境氣候試驗(yàn)室內(nèi)可移動(dòng)式電暈籠實(shí)測導(dǎo)線電暈損失等效到實(shí)際750 kV輸電線路電暈損失奠定了基礎(chǔ)。

同時(shí)根據(jù)模擬不同海拔下可移動(dòng)式電暈籠實(shí)測導(dǎo)線電暈損失，等效到實(shí)際線路，對750 kV實(shí)際輸電線路電暈損失進(jìn)行綜合評估，并對海拔4000 m的導(dǎo)線電暈損失進(jìn)行推算，衡量了750 kV輸電線路運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，為750 kV輸電線路線路設(shè)計(jì)和導(dǎo)線選型提供參考。

3 技術(shù)創(chuàng)新及成果

高海拔地區(qū)750 kV輸電線路電暈損失測量研究的主要內(nèi)容在國內(nèi)是首次研究，該研究積累了西北地區(qū)750 kV輸電線路電暈特性大量相關(guān)數(shù)據(jù)、測量經(jīng)驗(yàn)，并取得了如下創(chuàng)新成果：

1）自主研制出光纖數(shù)字化電暈損失測量裝置，電流信號提取達(dá)到0.2級準(zhǔn)確度要求，能滿足電暈籠、試驗(yàn)線段以及實(shí)際輸電線路測量要求。測量系統(tǒng)通過光纖首次實(shí)現(xiàn)了電暈測量的光傳輸、光供能與光同步，抗干擾能力強(qiáng)。

2）首次在交流試驗(yàn)基地人工環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)，模擬0 ～4000 m海拔高度條件，應(yīng)用自主設(shè)計(jì)的可移動(dòng)式電暈籠開展750 kV輸電線路用分裂導(dǎo)線在不同海拔高度，干燥和淋雨條件下電暈損失試驗(yàn)，對其分裂導(dǎo)線電暈損耗進(jìn)行實(shí)測，獲得了電暈損失與海拔高度的關(guān)系曲線。

3）首次提出工程應(yīng)用指數(shù)型式的電暈損失修正公式，并通過誤差分析表明，其總體校正誤差可控制在±10%以內(nèi)，可以滿足工程要求。

4）首次獲得了750 kV實(shí)際輸電線路的年平均電暈損失和最大電暈損失等綜合評估數(shù)據(jù)，研究結(jié)果對不同海拔高度的750 kV輸電線路導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

4 結(jié)語

采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，在國際上首次獲得了一大批寶貴的750 kV試驗(yàn)數(shù)據(jù)和可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行的結(jié)論，特別是對0 ～4000 m海拔高度條件下對750 kV輸電線路分裂導(dǎo)線電暈損失進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出工程應(yīng)用指數(shù)型式的電暈損失修正公式，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國際空白，對我國750 kV電網(wǎng)建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義，對1000 kV特高壓輸變電工程的建設(shè)也具有參考作用。研究成果對于高海拔地區(qū)超、特高壓輸電線路導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)慕梃b意義，對750 kV輸電線路安全性經(jīng)濟(jì)性衡量，降損節(jié)能起到了重要作用。

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