云南電網(wǎng)公司建設(shè)分公司

作者：徐曉曦 隴源杰 付衛(wèi)斌 徐峰 楊永盛李曉春 余斌

1 研究背景

在國(guó)家實(shí)施西部大開發(fā)的戰(zhàn)略和實(shí)施西電東送的能源政策趨勢(shì)下，超高壓長(zhǎng)距離大容量輸電走廊和變電站必然經(jīng)過西部高海拔地區(qū)。隨著海拔高度的增加，空氣密度逐漸降低，相同間隙的空氣絕緣強(qiáng)度會(huì)不同程度的降低。我國(guó)500kV輸變電工程設(shè)計(jì)工作已有20多年的成功經(jīng)驗(yàn)，750kV、1000kV變電站的絕緣配合研究也取得了很大的成績(jī)，研究成果均已在實(shí)際中得到應(yīng)用。但國(guó)內(nèi)外關(guān)于高海拔的500kV輸變電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都很少，尤其是海拔3500m的500kV變電站在全世界范圍內(nèi)幾乎沒有。如果按照高海拔地區(qū)750kV輸變電工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)外推，可能存在設(shè)計(jì)裕度偏大，對(duì)項(xiàng)目投資造成一定的浪費(fèi)，因此對(duì)高海拔地區(qū)輸變電工程外絕緣特性的研究成為迫切需要。同時(shí)，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外變電站絕緣配合研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)高海拔500kV建塘輸變電工程變電站的絕緣配合進(jìn)行研究，尋找500kV建塘輸變電工程安全運(yùn)行和最佳投資的契合點(diǎn)，也是十分必要的。

本項(xiàng)目以海拔高度2000—4000m的500kV建塘輸變電工程為研究對(duì)象，對(duì)輸電線路開展了500kV線路桿塔不同海拔高度的放電特性及海拔修正、絕緣子串污穢特性、絕緣子串覆冰特性、高海拔線路防雷性能及防雷措施、高海拔線路過電壓與絕緣配合、高海拔金具電暈性能、高海拔帶電作業(yè)技術(shù)等7個(gè)專題的研究工作；對(duì)變電站開展了空氣間隙放電特性和海拔修正、變電設(shè)備污穢外絕緣特性及海拔修正、變電設(shè)備外絕緣水平修正、變電站金具優(yōu)化等4個(gè)專題的研究工作。研究成果對(duì)合理選取超高壓輸電系統(tǒng)絕緣水平，減小間隙絕緣距離設(shè)計(jì)裕度，降低工程建設(shè)造價(jià)提供了技術(shù)支撐。項(xiàng)目研究目的在于確保工程安全運(yùn)行，降低工程投資，減少該地區(qū)及國(guó)內(nèi)類似工程的重復(fù)性技術(shù)研究投入，解決變電站高海拔絕緣配合的難題，為今后我國(guó)高海拔變電站設(shè)計(jì)開拓新思路提供理論依據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容

2.1 高海拔地區(qū)500kV變電站空氣間隙放電特性和海拔修正研究

研究了兩分裂軟母線、管母、避雷器均壓環(huán)等典型變電設(shè)備在23m（武漢）、2254m（西寧）、3742m（大武）等3個(gè)不同海拔高度的空氣間隙操作沖擊、雷電沖擊、電壓分配系數(shù)α=U-/（U++U-）=0.4的相間操作沖擊放電特性試驗(yàn)，并獲得典型空氣間隙放電特性曲線，根據(jù)變電站過電壓水平和空氣間隙放電特性曲線提出500kV建塘輸變電工程外絕緣海拔修正方法，參照海拔修正方法提出了高海拔條件下500kV變電站設(shè)備外絕緣配置方案。

項(xiàng)目實(shí)施外景之一

項(xiàng)目實(shí)施外景之二

2.2 高海拔地區(qū)500kV變電站設(shè)備污穢外絕緣特性及海拔修正研究

外絕緣設(shè)備的污耐壓隨著海拔高度的增加而降低，其原因是在高海拔條件下，絕緣子的局部電弧伏安特性降低。且隨著海拔高度的增加和污穢程度的增加，污耐壓下降趨勢(shì)越為明顯。課題開展了全尺寸設(shè)計(jì)條件下支柱、套管絕緣子的人工污穢試驗(yàn)，根據(jù)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了污耐壓曲線。利用國(guó)網(wǎng)特高壓交流試驗(yàn)基地的人工環(huán)境氣候試驗(yàn)室開展支柱絕緣子模擬高海拔條件下的人工污穢試驗(yàn)，得出其海拔修正系數(shù)。根據(jù)海拔修正建議提出了500kV建塘高海拔變電站套管、支柱絕緣子污穢外絕緣配置方案。

2.3 高海拔地區(qū)500kV變電站設(shè)備外絕緣水平修正研究

課題分析研究了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB311.1-1997“高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合”方法、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620—1997“交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合”推薦方法、IEC60071-2《絕緣配合 第2部分 使用導(dǎo)則》推薦的方法、GB/T 16927.1-1997《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第一部分：一般試驗(yàn)要求》等4種高海拔修正方法，將高海拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了適用于該工程涉及的修正方法，根據(jù)修正方法選擇了合適的外絕緣修正系數(shù)以及設(shè)備外絕緣水平。

2.4 高海拔地區(qū)500kV變電站金具優(yōu)化研究

完成了高海拔變電站金具表面電場(chǎng)分析計(jì)算，開展了平原地區(qū)和高海拔地區(qū)電暈試驗(yàn)，將仿真計(jì)算結(jié)果和電暈試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，提出了變電站不同金具的優(yōu)化配置方案。

2.5 500kV高海拔輸電線路空氣間隙放電特性及海拔修正研究

在海拔23m、2254m、3742m開展了500kV單回真型塔線路工頻、操作和雷電沖擊放電特性試驗(yàn)和500kV同塔雙回真型塔線路工頻、操作和雷電沖擊放電特性試驗(yàn)，提出了高海拔放電特性曲線和相應(yīng)的修正公式。通過試驗(yàn)及各種海拔修正方法的比較，建議工頻電壓海拔修正采用IEC 60071-2方法，操作沖擊電壓海拔修正采用IEC 60071-2或引入m因子的GB311.1改進(jìn)修正方法，建議雷電沖擊電壓采用引入m因子的GB311.1改進(jìn)修正方法。

2.6 500kV高海拔輸電線路絕緣子污穢特性及絕緣子配置研究

采用50%耐受電壓法對(duì)XWP2-160型瓷絕緣子和玻璃鐘罩型絕緣子V型串（32片）及倒V型串（32片）進(jìn)行人工污穢試驗(yàn)，獲得了雙傘V型串、雙傘倒V型串、鐘罩V型串、鐘罩倒V型串，在不同鹽密和灰密值下的U50%，提出了不同海拔高度的絕緣子串片數(shù)的絕緣配置方案。

項(xiàng)目實(shí)施外景之三

2.7 500kV高海拔輸電線路絕緣子冰閃特性及海拔修正研究

在大型環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)采用模擬真型布置和帶電覆冰的方法對(duì)500kV交流線路長(zhǎng)串染污絕緣子的冰閃特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了不同污穢度條件下的500kV絕緣子在模擬真型布置條件下的冰閃電壓特性及污穢度與冰閃電壓的關(guān)系，提出了絕緣子冰閃電壓海拔修正方法及氣壓影響特征指數(shù)，得到了不同海拔高度條件下500kV線路絕緣子串配置方案。

項(xiàng)目實(shí)施外景之四

2.8 500kV高海拔輸電線路防雷性能及防護(hù)措施研究

研究了500kV建塘高海拔輸電線路走廊所在的雷電分布特征，雷電流幅值概率分布采用DLT/6201997推薦公式，通過選取的典型參數(shù)，運(yùn)用規(guī)程法、電氣幾何模型EGM和ATP電磁暫態(tài)程序進(jìn)行了線路防雷性能分析計(jì)算。計(jì)算了單回桿塔和同塔雙回桿塔在不同地面傾角時(shí)EGM法繞擊跳閘率和規(guī)程法繞擊跳閘率，對(duì)ZVB452型和JG452型單回直線桿塔和單回耐張桿塔防雷性能進(jìn)行了評(píng)估。計(jì)算了線路相地和相間過電壓及波前時(shí)間，并提出了絕緣配合方案。

2.9 建塘—太安—黃坪500kV輸電線路過電壓及絕緣配合研究

計(jì)算了建塘—太安段線路合閘側(cè)分別位于建塘、太安時(shí)首端和末端相間最大空載過電壓，太安—黃坪段線路單回運(yùn)行合閘側(cè)分別位于太安、黃坪時(shí)首端和末端相間最大空載過電壓，太安—黃坪段線路雙回運(yùn)行合閘側(cè)分別位于太安、黃坪時(shí)首端和末端相間最大空載過電壓。經(jīng)過海拔修正，獲得了不同海拔高度單回路桿塔操作過電壓等效空氣間隙及工頻電壓間隙；提出了高海拔500kV單回、同塔雙回線路相地和相間操作過電壓幅值概率分布和高海拔500kV單回、同塔雙回線路操作過電壓波前時(shí)間概率分布。

2.10 500kV高海拔輸電線路金具電暈特性及優(yōu)化研究

建立了500 kV單回線路耐張塔絕緣子串直跳的右邊相、左邊相以及上相的耐張塔、絕緣子、均壓環(huán)、聯(lián)板、分裂導(dǎo)線和跳線分析模型，計(jì)算了金具表面電場(chǎng)水平，根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)限值提出了平原地區(qū)單回邊相單I串均壓、屏蔽環(huán)和海拔4000m單回中相V串均壓、屏蔽環(huán)管徑，雙回懸垂雙I串均壓、屏蔽環(huán)管徑配置建議。提出了500kV交流單回線路懸垂串、V串均壓環(huán)形狀和同塔雙回線路雙懸垂雙I串均壓環(huán)、屏蔽環(huán)管徑建議值。

2.11 500kV高海拔輸電線路帶電作業(yè)技術(shù)研究

對(duì)模擬人穿屏蔽服位于塔窗中間工作位置時(shí)的空氣間隙進(jìn)行操作沖擊放電特性試驗(yàn)，獲得了作業(yè)人員與塔窗側(cè)邊不同間隙下的50%放電電壓，提出了中相等電位人員對(duì)塔窗側(cè)邊構(gòu)架最小安全距離在不同過電壓水平和海拔高度下最小安全距離采用GB311.1改進(jìn)式修正值。

3 項(xiàng)目研究成果

項(xiàng)目實(shí)施外景之五

項(xiàng)目實(shí)施外景之六

項(xiàng)目實(shí)施外景之七

項(xiàng)目首次在海拔超過3000m處開展了模擬真型500kV典型變電設(shè)備相間操作沖擊放電試驗(yàn)研究，獲得了完整的500kV典型變電設(shè)備相地空氣間隙放電特性曲線；結(jié)合500kV建塘輸變電工程實(shí)際情況，提出了適合工程的空氣間隙放電海拔修正方法和設(shè)備外絕緣水平選擇方案；同時(shí)對(duì)輸變電設(shè)備中不同均壓環(huán)進(jìn)行了高海拔適應(yīng)性比較，提出了均壓環(huán)優(yōu)化方案。首次開展了高海拔地區(qū)500kV電壓等級(jí)帶電作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，積累了高海拔地區(qū)帶電作業(yè)放電特性數(shù)據(jù)，為高海拔地區(qū)輸變電工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，解決了設(shè)計(jì)中塔型尺寸設(shè)計(jì)、絕緣子選型配置、變電站設(shè)備間距、防污防冰、金具尺寸設(shè)計(jì)等一系列關(guān)鍵性問題，為高海拔地區(qū)500kV電壓等級(jí)帶電作業(yè)奠定了基礎(chǔ)，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，節(jié)約了輸變電工程建設(shè)費(fèi)用。

項(xiàng)目已授權(quán)實(shí)用新型專利4項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利9項(xiàng)，撰寫論文3篇，均由中文核心期刊發(fā)表。經(jīng)檢索及專家評(píng)審表明：所獲得的研究成果滿足500kV建塘輸變電工程設(shè)計(jì)需要，并可作為同類工程的技術(shù)指導(dǎo)。研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

4 現(xiàn)社會(huì)效益分析

項(xiàng)目成果已在建塘輸變電工程中應(yīng)用，證明研究成果有效降低了工程建設(shè)費(fèi)用，合理減少了輸電線路走廊，降低了運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，提高了抗事故的能力，由此帶來的環(huán)境效益和社會(huì)效益上百億元。項(xiàng)目研究成果為今后2000—4000m高海拔地區(qū)500kV輸變電工程建設(shè)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)促進(jìn)國(guó)家實(shí)施西部大開發(fā)和西電東送有著重大意義。

項(xiàng)目實(shí)施外景之八