輸電線路操作沖擊空氣間隙計(jì)算及適用范圍

周 剛，聶國一，梁 明，李育兵，劉 炯

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

自從 1965 年美國在海拔 3 200 m 的Leadvile山區(qū)開展了第一次全比例模擬高海拔地區(qū)空氣間隙操作沖擊試驗(yàn)后，國際電工委員會(huì)（IEC） 相繼發(fā)布了 IEC60-1-1973、IEC60-1-1989、IEC71-2-1996三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其中IEC60-1-1973被A.pigin等人在墨西哥所做試驗(yàn)所否定。由于IEC60-1-1989標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的多在海拔2 000 m左右的棒—板和棒—棒型間隙的試驗(yàn)資料， 經(jīng)M.Ramirez等人試驗(yàn)，認(rèn)為該修正方法不太適合用于海拔3 000 m以上，因此在IEC71-2-1996[1]標(biāo)準(zhǔn)中限定為適用于海拔2 000 m以下，更高海拔慎用。國際大電網(wǎng)（CIGRE）文獻(xiàn)和EPRI美國電科院參考書[2]推薦的A.M.Rizk物理模擬公式和M.Ramirez數(shù)學(xué)模擬公式可用于3 000 m的海拔修正。

隨著我國高海拔地區(qū)輸電線路的建設(shè)，中國電科院、重慶大學(xué)等科研單位，對高海拔地區(qū)操作沖擊絕緣強(qiáng)度修正方法及間隙取值進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，如何利用國內(nèi)外已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析、比較并推導(dǎo)出直觀的操作過電壓間隙的擬合計(jì)算公式，同時(shí)研究IEC71-2-1996海拔修正方法所適用的海拔范圍及海拔修正因子m取值計(jì)算是本文研究的主要目的。

1 不同海拔條件下空氣間隙放電電壓試驗(yàn)結(jié)果和擬合計(jì)算

1.1 海拔對空氣放電電壓的影響

空氣間隙的放電特性與大氣條件有著密切的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件如下：

溫度t0=20℃；

氣壓b0=101.3kPa；

絕對濕度h0=11g/cm3；

不同海拔高程下的相對空氣密度計(jì)算公式如下：

放電電壓變化可按下式進(jìn)行修正：

式中：m為海拔修正因子，與間隙尺寸、沖擊電壓特性有關(guān)，對于雷電沖擊和工頻電壓，m=1，對于操作沖擊，m為變量；為為海拔高度，m；V0為海拔高度0時(shí)空氣間隙的放電電壓，kV；VH為海拔高度H時(shí)空氣間隙的放電電壓，kV。

1.2 不同海拔條件下空氣間隙放電電壓試驗(yàn)結(jié)果

1965 年美國在海拔 3 200 m 的 Leadvile 山區(qū)開展了第一次全比例模擬高海拔地區(qū)空氣間隙操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 海拔修正因子

早期我國對海拔升高對外絕緣強(qiáng)度影響進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但電壓等級一般在500 kV以下，海拔一般在3 500 m及以下，隨著近年來在海拔4 000 m以上地區(qū)建設(shè)大量500 kV線路，特別是四川甘孜地區(qū)及川藏、藏中聯(lián)網(wǎng)500 kV線路海拔超過5 000 m的出現(xiàn)，加之規(guī)劃中的川渝、藏電外送特高壓工程的推進(jìn)，對高海拔外絕緣強(qiáng)度的研究、總結(jié)顯得特別重要和緊迫。

為確保工程技術(shù)可靠、運(yùn)行安全，在四川甘孜鄉(xiāng)城—水洛500 kV輸電項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，中國電科院進(jìn)行了試驗(yàn)研究[3]，進(jìn)一步探討了海拔對外絕緣強(qiáng)度的影響，如表2所示。

表2 鄉(xiāng)城—水洛500 kV線路海拔分布一覽表

中國電科院鄉(xiāng)城—水洛500 kV輸電線路高海拔空氣間隙的操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果詳見圖1。

圖1 海拔4 300 m空氣間隙操作沖擊實(shí)驗(yàn)曲線

中國電科院在西藏羊八井實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了高海拔絕緣系列研究，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表3所示。

表3 羊八井實(shí)驗(yàn)站高海拔空氣間隙的操作沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文對收集的國內(nèi)外其它5處高海拔21組全比例模擬空氣間隙絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析如表4所示。

表4 高海拔空氣間隙的操作沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

1.3 不同海拔條件下操作沖擊空氣間隙絕緣強(qiáng)度下降系數(shù)KH的擬合計(jì)算

通過對各試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，本文提出了G0-g擬合計(jì)算公式，詳見圖2。

圖2 G0-g關(guān)系曲線

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得到的數(shù)學(xué)擬合公式(相關(guān)系數(shù)R=0.93)如下，：

1.4 擬合計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析

按照IEC、國際大電網(wǎng)（CIGRE）、美國電科院（EPRI）推薦的高海拔修正及本文提出的G0-g擬合計(jì)算共6種方法，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（主要分析海拔2 000 m以上數(shù)據(jù)），對高海拔操作沖擊空氣間隙絕緣強(qiáng)度下降系數(shù)KH進(jìn)行擬合計(jì)算，通過與試驗(yàn)值的對比，其誤差趨勢曲線詳見下圖3。

圖3 不同修正方法下空氣間隙絕緣強(qiáng)度下降系數(shù)KH與試驗(yàn)值的誤差比較曲線

通過分析比較，在海拔2 000 m以上地區(qū)，IEC72-1-1996計(jì)算得出的高海拔空氣間隙絕緣強(qiáng)度下降系數(shù)KH與對應(yīng)海拔高度下試驗(yàn)值相差0.2% ～ 5.59%(僅在海拔 2 930 m 間隙距離 3 m、5 m的試驗(yàn)值相差-7.32%和-7.33%)；本文推導(dǎo)的G0-g擬合法均小于5.5%，其余IEC60-1-1973、IEC60-1-1989計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較大，海拔 2 000 m 以上達(dá) 10% 以上，在海拔 4 300 m時(shí)誤差接近20%。Ramirez數(shù)學(xué)擬合公式、Rizk公式在海拔3 000 m以上相差在10%以上，最大達(dá)16%以上。

在IEC發(fā)布的方法中，以IEC71-2-1996中的曲線法與試驗(yàn)值誤差最小，棄用IEC60-1是合適的。CIGRE(國際大電網(wǎng))推薦的Rizk理論法和Ramirez擬合公式只能適用于海拔3 000 m以下地區(qū)。本文推導(dǎo)的G0-g擬合方法，在海拔2 000 m以上地區(qū)與IEC71-2-1996方法有很好的吻合。

從以上分析可以證明，IEC71-2-1996海拔修正方法可適用于海拔4 300 m以上地區(qū)，其誤差滿足工程設(shè)計(jì)要求。

2 海拔修正因子及操作沖擊空氣間隙的計(jì)算

2.1 海拔修正因子m值的擬合計(jì)算

IEC71-2-1996發(fā)布的海拔修正因子m為曲線形式，使用不方便，經(jīng)過對曲線采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行擬合可得出以下計(jì)算公式。

式中：Vcw為空氣間隙耐受電壓，kV，目前規(guī)范中均未直接給出其值，僅給出1 000 m海拔下各級電壓相對地的操作過電壓空氣間隙值ds，m。

間隙耐受電壓可由式(6)計(jì)算：

式中：kg為間隙因子，一般取1.2～1.3，其取值對m值計(jì)算結(jié)果影響較小，一般在2%左右，建議取平均值 。

通過聯(lián)合求解(5)、(6)得到求解m(海拔修正因子)的通用計(jì)算公式如式(7)所示：

2.2 操作過電壓空氣間隙值的擬合計(jì)算

推導(dǎo)出計(jì)算各級電壓在不同海拔高程下的相對地操作過電壓空氣間隙值模擬計(jì)算公式如式(8)所示。

采用(6)、(7)、(8)公式進(jìn)行計(jì)算，可以較方便的初步估算得到各級電壓在不同海拔高度下相對地的操作過電壓間隙值如表5。

表5 220 kV～1 000 kV帶電部分與桿塔構(gòu)件操作過電壓最小間隙計(jì)算值

計(jì)算值與已建500 kV線路操作過電壓空氣間隙取值比較如下表6：

表6 已建500 kV～1 000 kV線路不同海拔下操作過電壓空氣間隙值與計(jì)算值比較

3 結(jié)論

1)現(xiàn)行“線路設(shè)計(jì)規(guī)范”關(guān)于空氣間隙操作沖擊放電電壓的海拔修正均推薦采用IEC71-2-1996中的圖8曲線，但對其使用范圍未作統(tǒng)一的限制說明，通過本文的比較分析，建議統(tǒng)一規(guī)定其使用海拔范圍至海拔5 000 m。

2)IEC71-2-1996規(guī)定Vcw(間隙耐壓)的計(jì)算公式為Vcw=Kcs×V2

其中Kcs可從IEC71-2-1996中的圖8查得，但不甚方便，V2為操作過電壓規(guī)定水平(2%概率)。

本文推導(dǎo)的公式(7)可替代IEC71-2-1996的圖8曲線，通過公式(8)可方便地估算出各種電壓等級在不同海拔高程條件下的操作過電壓空氣間隙值。

3)擬合計(jì)算得出的 500 kV、750 kV、1 000 kV電壓等級在不同海拔高程下的操作沖擊間隙值，通過與實(shí)際工程設(shè)計(jì)取值及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，誤差較小，特別是與中國電科院開展的鄉(xiāng)城～水洛500 kV外絕緣研究課題結(jié)論非常吻合，最大誤差不超過5%。

4)對于500 kV及以下電壓等級的線路，由于操作過電壓間隙一般不控制塔頭尺寸，因此計(jì)算值與線路設(shè)計(jì)取值的誤差在5%以內(nèi)，對塔頭尺寸一般不產(chǎn)生影響。對于1 000 kV特高壓線路而言，操作過電壓間隙將控制塔頭尺寸，通過與目前海拔 1 500 m 及以下 1 000 kV 線路的操作過電壓間隙取值進(jìn)行對比，擬合計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值、規(guī)程取值誤差在3%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計(jì)精度要求。

隨著西南水電外送工程的規(guī)劃建設(shè)，特別是規(guī)劃的川渝地區(qū)特高壓交流1 000 kV電網(wǎng)，其線路將通過四川甘孜海拔 3 000 m ～ 5 000 m地區(qū)，采用本文推導(dǎo)的操作過電壓間隙擬合計(jì)算公式，可方便地計(jì)算出不同海拔高程下1 000 kV特高壓線路的操作過電壓間隙值，為工程設(shè)計(jì)中的桿塔規(guī)劃、工程量估算及投資提供重要參考。