我国500kV紧凑型输电线路的研究

图1 525kV昌房紧凑型和昌安二回常规型线路离地面1m的工频电场分布

2 关于紧凑 化技术的研究

    架空输电线路紧凑化技术研究的目的是:在保证安全运行和经济的前提下，使线路导线所占走廊的空间及宽度最小，使铁塔的体积及质量最小，从而节省线路的总体占地面积。
　　首先，三相导线置于同一塔窗内，相间只有空气间隙而没有接地构件，从而在根本上压缩了相间距离。三相导线在空间上按等边倒三角形布置，使任意两相之间的距离都压缩到同一长度，从而使得三相导线的几何均距（GMD）就等于相间距离。这是三相导线最紧凑的布置形式。
　　其次，三相导线全部采用V形绝缘子串悬挂，使导线在塔窗中的位置固定，不因风力或电 动力而摆动。考虑到安全，3个V形串各自独立，2个上相V型串夹角均约90°，下相V形串夹角 约140°。但对于某些垂直档距较大的铁塔，下相导线垂直荷载较大，夹角为140°的V形绝缘 子即使采用300kN大吨位的绝缘子，其张力仍然不能满足要求。采取再增加一个垂直绝缘子串，专门用来承担导线的垂直荷载。此时夹角140°的V形串只起到防止导线摆动的作用。这种 新型的绝缘子串组装悬挂方式国内外都未有过。由于垂直串中间的连接金具处于三相导线中间，金具上产生的悬浮电位对塔窗内电场分布的影响，尤其是对相间操作冲击绝缘强度的影响问题，是超高压线路中从未遇到过的。为此进行了专题计算研究，并通过1∶1模拟塔头及 试验线段进行试验，结论是令人满意的。只要连接金具尺寸不大，即使在此处不加设屏蔽环 的情况下，影响极小，措施可行。
　　第三，在大档距中间位置的水平两相之间加装 相间绝缘间隔棒。这是我国特有的一项紧凑化技术。昌房紧凑型线路的相间距离为6.7 m，远小于常规线路，比设计规程的要求也小得多，在塔窗处用V形绝缘子串固定了位置，而在档距中间情形会如何?这里有2个问题要考虑:①发生短路故障时，在短路电流电动力的作用下，水平两相导线不得发生碰线而造成导线的损伤;②水平两相导线在大风的作用下，产生不同步摇摆而互相接近时，不得发生相间闪络事故。
　　在进行三相导线短路电动力计算时，将导线作为悬链线，然后逐段积分求得合力。研究 结果是:在50kA，0.1s三相短路电流作用下，档距小于700m时，水平两相导线间不会发生碰线，700m及以上时需安装一只相间绝缘间隔棒。以此类推，45kA对应850m档距，40kA对应1000 m档距，35kA对应1300m档距。进一步分析可知，50kA只是变电站母线的短路水平，变电站附近的数档范围内，档距一般都小于700m，随着短路点远离变电站，短路电流也逐渐降低，电动力的作用也随之减小。经计算，昌房线全线无需因短路电动力而装设相间间隔棒。
　　关于风力作用下导线发生不同步摇摆问题，运用非线性有限元动力方法计算，结果为:设计风速为3 0m/s和32m/s两种气象区，档距分别超过830m和800m时，则需要在档距中央安装水平方向的相间间隔棒，在任何非水平方向上的上下两相导线间均无需装设间隔棒。根据昌房线的实际情况，全线共安装了11只水平方向相间绝缘间隔棒。有效地防止了因风力而发生的相间闪络事故。
　　对水平相间间隔棒的基本要求是质量小，其自重引起的挠度要小，而在受压力时能承受较大的弯曲。硅橡胶合成绝缘子近几年来得到了较大发展和应用，在此基础上开展研制出水平相间间隔棒。在研究中发现玻璃纤维、环氧树脂引拔棒具有极好的“后屈曲”特性，即受到压力荷载大于其临界荷载之后，仍然具有承受压力大于临界压力的能力。应用“后屈曲”理论设计的相间间隔棒，其芯棒直径为30mm，比应用线性理论设计的结果减小1/4，不仅具有很好的稳定性，而且具有较好的柔性，减轻了导线的负担。该间隔棒已经过超大柔度屈曲试验和屈曲疲劳试验。从一定意义上说，相间绝缘间隔棒的成功研制及应用，是压缩相间距离到6.7m的最后一道保证措施。

3 关于绝缘配合的研究

　　根据系统计算，昌房线的最大统计（2%概率）操作过电压倍数，相对地为1.8p.u.，相 对相为3.3p.u.，均发生在合闸于空载线路的工况下。带电作业时的单相接地故障及切除（不 重合）时的最大操作过电压，相对地为1.72p.u.，相对相为1.9p.u.，以此作为确定线路塔头 间隙的基本依据。紧凑型线路的绝缘配合原则与常规线路是一致的，线路绝缘包括绝缘子和 空气间隙。此外，由于相间距离大大缩小，相间空气间隙、相间绝缘间隔棒的参数亦需根据相间操作过电压水平及保护装置特性进行设计、校核，以使线路操作过电压闪络概率控制在 可以接受的水平之内。
    参考美国通用电气公司对四分裂导线、三相呈三角形布置的超高压紧凑型输电线路绝缘的操作冲击强度的试验研究，并考虑到昌房线海拔1000m的修正并留有余度，昌房线塔窗内带电体与铁塔接地体的最小相对地间隙为3.3m，而塔窗内相导线带电体之间的相间间隙为5.2m，由此计算得到昌房线的操作冲击闪络概率小于10-3 。
　　考虑到安全可靠，对于与紧凑型压缩相间距离关系不大的一些设备及参数的实际选择，仍然按常规线路同样选取，如绝缘子串长仍然按常规28片160kN绝缘子的长度4340mm选取，铁塔窗内相对地间隙长度仍按常规的3.7m选取（而不按前述的3.3m选），这样做并不妨碍线路紧凑化的实质性进展。
　　为了探索紧凑型线路冲击放电的特殊规律，研究带电作业的相关问题 ，作为工程的中间试验，特建立了1∶1的模拟塔头以及由4个真型塔、3个档距组成的总长度为1080m的试验线段。由于三相导线布置在同一塔窗内，使相间绝缘距离比常规线路减少了5 m以上，因此引起了空间电场分布的巨大变化，导致相对地的绝缘水平和相对相的绝缘水平之间产生特殊的关系。通过进行大量的操作冲击电压试验，不仅获得了非常宝贵的、即使在国 外也是非常少见的试验数据，而且探索得到了一些非常重要的放电规律。首先，在考虑相间 操作冲击绝缘水平时， 随着相间总电压中正、负极性操作冲击电压所占的比例不同，即相应的电位系数α=U-/（U++U-）由0过渡到1，会出现由正极性单相对地放电过渡到相间放电，再由相间放电过渡到负极性单相对地放电。当第三相接地时，若α=0.5，放电主要表现 为相间放电;当α=0.4时，放电主要表现为相对地放电。其次，正极性的相对地操作冲击绝缘水平，受另外两相所加的反极性电压影响会有所下降，最严重情况约下降10%。通过实验验证 了理论分析，也为进一步理论研究提供了很多基础试验资料。
　　模拟塔头操作冲击绝缘水平试验表明:相对地电压为1270kV，相间电压为2040kV（α=0. 4）。根据昌房输电线路的实际情况，相对地统计操作过电压808kV（1.8p.u.），相间为148 2kV（3.3p.u.），按照统计分析方法计算可得出，昌房500kV紧凑型线路操作冲击闪络率小于10-3。
　　模拟塔头的雷电冲击试验表明:其雷电绝缘强度为2350kV，昌房500kV紧凑型输电线路的耐雷水平为170kA，与常规线路相当。

4 关于带电作业的研究

　　紧凑型输电线路必须能够带电作业，在进行导线的排列布置及确定相间距离时就已经考虑了这一问题。
　　当时我国执行的带电作业安全距离为:进行地电位带电作业时，人体与带电体之间最小安全距离为3.2m;等电位作业人员对地距离不小于3.2m，对邻相带电体距离不小于5.0m。这些距离制定的原始条件是:最大操作过电压相对地为2.18p.u.，相对相为3.3p.u.，如此高的过电压水平，往往是发生在空载线路和单相接地自动重合闸过程中。
　　重新审查带电作业时的操作工况，实际上述两种工况是不存在的:带电作业时，线路已经处在带电工况下，没有空充线路的问题;自动重合闸在带电作业期间也必须解除。所以带电作业期间仅有单相接地及跳闸这两种工况。根据昌房线的实际情况，经系统计算，最大操作过电压相对地为1.72p.u.，相对相为1.90p.u.，远小于过去制定安全距离的操作过电压倍数。对应的带电作业人员对地和对邻相带电体的安全距离分别为2.8m和4.0m。
　　带电作业的内容与常规线路相似，包括更换绝缘子串，走线检查，更换子导线间隔棒等。另外，新增加了更换相间绝缘间隔棒的内容。在带电作业研究中，充分利用了由真型塔组成的试验线段，将带电作业模拟人套上屏蔽服，置于塔窗中各典型位置，测定人体处于这些位置时的操作击穿电压，观察放电路径。根据试验找出了危险率最小、最便捷的带电作业安全通道，确定了作业姿势，并在试验线段上进行了带电作业演示。在各个典型位置上带电作业时，其中最大的危险率为2.7×10-5，符合危险率在（1～5）×10-5 的要求。
　　根据紧凑型线路实际情况，专门研究制造了整套的带电作业工具，为确保带电人员安全，特制了紧凑型塔专用屏蔽服，等电位人员着装可直接接触带电体，不使用转移电位线夹，适应了减小相间距的需要。

5 关于大负荷试验研究

　　在500kV紧凑型线路投产后，为验证其承受大负荷的能力，在国电公司指导下，由华北电力集团公司研究实施了对系统安全影响最小且能满足试验要求的试验方案，对电网结构进行了较大的改变。为了准确确定紧凑型线路的运行参数，在试验中应用了GPS同步测试技术，减小了线路两端测试数据的同步误差。在国内首次实现了单条500kV交流输电线路输送功率达 到1600MW，持续运行30min，在自然功率附近1380MW下持续运行1h，取得了500kV紧凑型线路大负荷运行工况下的有关数据，包括运行参数、导线接头温升、地面工频电场和磁场、导线 弧垂等。试验数据验证了紧凑型线路的输电能力高于常规线路，当传输功率在大范围变化时线路两端无功功率变化及线路两端的电压功角差的变化都比常规线路要小，这些优点主要是因为紧凑型线路的电抗比常规线路要低27%所致。

6 结束语

　　500kV紧凑型输电线路自然功率较常规线路提高34%，有利于电网稳定运行，对长距离输电可增加输送功率1.3;压缩线路走廊宽度17.9m，减少走廊占地、树木砍伐和建筑物拆迁，每公里可减少占地1.79ha（公倾），有利生态环保;线路地面电场强度超过4kV/m的宽度仅为16m，比常规线路48m减小2.3，降低了电磁污染。紧凑型输电线路较常规线路本体造价高10% （本体造价较常规线路高是因铁塔高度增加、塔材质量增大、V型绝缘子串的使用增加了绝缘子数量和导线根数增加），综合造价高5.7%，而按输送单位自然功率造价比较则降低了22%。今后随着合成绝缘价格的下降，占地赔偿价格和线路走廊通道障碍物拆迁、林木植被的保护费用的提高，紧凑型输电线路综合造价会进一步降低，采用紧凑型线路的社会、经济效益会更加显著。
　　由于紧凑型输电线路的以上优点，其应用前景非常广阔:它可用于需要提高输送功率的输电线路或输电走廊有限不允许两回及多条线路通过的;可用于因环境条件限制常规线路难以通过，如峡谷及大城市输电走廊狭小地带;可用于土地资源紧张需减小走廊以节约土地，以利于国家可持续发展的战略。因此，紧凑型输电线路是当前大力加强电网建设与国家可持续发展战略方针相协调的新技术之一。
　　在以上研究成果及第一条紧凑型输电线路取得成功的基础上，该项技术正在我国得到积极推广应用:目前江苏政平至宜兴500kV双回紧凑型输电线路，华中、华北联网工程新乡至邯郸500kV紧凑型输电线路都已投入运行;另有许多新建工程如浑源至霸州500kV紧凑型输电线路工程都在开工建设中。可以预见在国家电网公司大力推动下，今后在全国电网建设中会有更多紧凑型输电线路工程出现。

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