汪晶毅，朱映潔，潘春平

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

國(guó)內(nèi)外架空輸電線路電氣間隙設(shè)計(jì)對(duì)比

汪晶毅，朱映潔，潘春平

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

通過選取中國(guó)、IEC、歐洲、CIGRE的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和研究成果，總結(jié)了各標(biāo)準(zhǔn)在工頻電壓、暫時(shí)過電壓、操作過電壓、雷電過電壓和帶電作業(yè)工況下的耐受電壓確定方法和電氣間隙計(jì)算方法。按照各國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算了110～750 kV各電壓等級(jí)線路在工頻、操作、雷電和帶電作業(yè)下的相地、相間電氣間隙值，并結(jié)合算例對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)下的500 kV線路塔頭間隙圓圖進(jìn)行對(duì)比，分析了電氣間隙計(jì)算值和塔頭尺寸上存在較大差異的主要原因。根據(jù)研究成果和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)在電氣間隙計(jì)算和外絕緣設(shè)計(jì)上的標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)完善提出了建議。

架空輸電線路；放電電壓；電氣間隙；相地；相間

輸電線路的電氣間隙取值是塔頭尺寸大小的重要影響因素，同時(shí)也決定了交叉跨越距離，是線路設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，影響工程投資的高低。近年來隨著國(guó)際業(yè)務(wù)的開拓，國(guó)內(nèi)企業(yè)已開始廣泛承接海外架空輸電線路設(shè)計(jì)工作，但海外項(xiàng)目采用的線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)多樣，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在電氣間隙取值上存在較大差異，有的工程項(xiàng)目在電氣間隙上取值不合理，直接影響了國(guó)內(nèi)企業(yè)參與海外工程的競(jìng)爭(zhēng)力。因此有必要開展電氣間隙的對(duì)比工作，指導(dǎo)海外工程的設(shè)計(jì)，同時(shí)也有助于我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)和完善。

目前國(guó)內(nèi)外線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)標(biāo)工作已較為深入和全面，文獻(xiàn)[1-5]分別選取我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50545—2010、DL/T 5154—2002和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASCE 74-2009、國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60826:2003、歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 50341:2001、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 8100以及日本標(biāo)準(zhǔn)JEC 127—1979，對(duì)線路的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)包括線條風(fēng)荷載和鐵塔風(fēng)荷載進(jìn)行研究，比較了基本風(fēng)速、體型系數(shù)、高度變化系數(shù)等參數(shù)選取的差異，并結(jié)合算例對(duì)輸電線路的風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比。上述文獻(xiàn)的對(duì)比工作均側(cè)重于鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)方法和參數(shù)選取，對(duì)電氣間隙計(jì)算方法及取值差異未有研究，也未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文選取中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[6-10](以下簡(jiǎn)稱“國(guó)標(biāo)”)，International Electrical Commission標(biāo)準(zhǔn)[11-14](以下簡(jiǎn)稱“IEC”)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)[15-16](以下簡(jiǎn)稱“歐標(biāo)”)、International Conference on Large High Voltage Electric System研究報(bào)告[17-19](以下簡(jiǎn)稱“CIGRE”)等主要的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和資料，對(duì)工頻電壓、雷電過電壓、操作過電壓、帶電作業(yè)等工況下的電氣間隙計(jì)算方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)各工況下的相地、相間電氣間隙要求值進(jìn)行了對(duì)比，并分析了對(duì)塔頭尺寸的影響。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比情況，對(duì)我國(guó)線路電氣間隙設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)和完善進(jìn)行了探討。研究成果將有助于深入理解國(guó)外架空線路電氣間隙設(shè)計(jì)的方法，分析國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的異同，從而提高設(shè)計(jì)水平，提升海外工程的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 電氣間隙計(jì)算方法

各標(biāo)準(zhǔn)確定電氣間隙的計(jì)算思路相近，首先確定各工況下間隙的放電電壓Upf、Usf、Uff、Ulw(分別代表工頻放電電壓、操作沖擊放電電壓、雷電沖擊放電電壓、帶電作業(yè)工況下的放電電壓)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線或經(jīng)驗(yàn)公式求得電氣間隙值。IEC[11]推薦的操作和雷電過電壓下的間隙計(jì)算方法首先根據(jù)線路間隙的年閃絡(luò)概率、降低因子、過電壓次數(shù)、過電壓累計(jì)時(shí)間和線路全年運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出放電統(tǒng)計(jì)概率，據(jù)此確定統(tǒng)計(jì)因子，進(jìn)而確定90%放電電壓；對(duì)操作過電壓分別考慮開關(guān)操作過電壓和重合閘過電壓；文獻(xiàn)[11]還給出了暫時(shí)過電壓下的間隙計(jì)算方法，但未涉及工頻電壓下的計(jì)算。歐標(biāo)在計(jì)算操作過電壓時(shí)統(tǒng)計(jì)配合因子Kcs直接采用1.05，對(duì)應(yīng)線路故障的概率為10-3量級(jí)，雷電和工頻未考慮統(tǒng)計(jì)配合因子；CIGRE在計(jì)算工頻、操作和雷電時(shí)均未考慮統(tǒng)計(jì)配合因子。在帶電作業(yè)間隙計(jì)算時(shí)，各標(biāo)準(zhǔn)均考慮了統(tǒng)計(jì)因子。以下分別從間隙放電電壓、海拔修正和電氣間隙計(jì)算分別對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。

1.1 間隙放電電壓

除IEC外，其他標(biāo)準(zhǔn)均考慮了工頻電壓下的間隙放電電壓，但未考慮暫時(shí)過電壓下的間隙放電電壓，IEC恰恰相反。

1.1.1 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各工況下相地的間隙放電電壓計(jì)算

上述各式中：Um為系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓(峰值)；Usf為沿線2%統(tǒng)計(jì)操作過電壓；U50%,is,ff為絕緣子串50%雷電沖擊放電電壓；k為配合系數(shù)，GB50545對(duì)750kV線路k取0.8，GB/T50064對(duì)110～500kV線路k取0.85；ks為統(tǒng)計(jì)安全因子，可取1.1；ke為相地2%統(tǒng)計(jì)過電壓倍數(shù)；Us為系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓(有效值)；UT為暫時(shí)過電壓(峰值)；spf為暫時(shí)過電壓下的變異系數(shù)，典型值為0.03～0.04；(1+4spf)為偏離因子，根據(jù)IEC61865算例給出；U2,sf為操作過電壓下沿線2%統(tǒng)計(jì)過電壓；ssf為操作過電壓下的變異系數(shù)，典型值為0.05；Ks,sf為操作過電壓下的統(tǒng)計(jì)因子，與線路放電概率相關(guān)，可按IEC61865查表或IEC60071-2查圖取值；U2,ff為雷電過電壓下沿線2%統(tǒng)計(jì)過電壓；sff為雷電過電壓下的變異系數(shù)，典型值為0.03；Ks,ff為雷電過電壓下的統(tǒng)計(jì)因子，與線路放電概率相關(guān)，可按IEC61865查表或IEC60071-2查圖取值；DLT為間隙距離；Kg,ff,is為雷電過電壓下的間隙因子；Ks為統(tǒng)計(jì)安全因子，取1.0～1.1；ue2為相地2%統(tǒng)計(jì)過電壓(標(biāo)幺值)；Ue2%,sf為沿線相地2%統(tǒng)計(jì)操作過電壓，一般由設(shè)備在操作過電壓下的標(biāo)準(zhǔn)絕緣耐受水平直接確定；Kcs為統(tǒng)計(jì)配合因子，取1.05；dis為絕緣子串的間隙距離；Kz,ff為偏離因子；Kg,ff,is為絕緣子串在雷電過電壓下的間隙因子；U90%,is,ff也可由設(shè)備在雷電過電壓下的標(biāo)準(zhǔn)絕緣耐受水平直接確定；K′cs為統(tǒng)計(jì)安全因子取1.1；u′e2為帶電作業(yè)時(shí)的相地操作過電壓倍數(shù)；σ為標(biāo)偏，假定為6%。

1.1.2 各標(biāo)準(zhǔn)各工況下相間的間隙放電電壓計(jì)算

表1 基于90%放電電壓下的大氣修正因子(IEC)

海拔高度/m不同放電電壓的大氣修正因子<199kV200～399kV400～599kV600～799kV800～999kV1000～1199kV>1200kV010001000100010001000100010001000990099209930995099609980999300097009750980098409880992099550009500958096609730980098509911000090109160931094409550966097615000853087508940912092809430956200008070833085708790899091709332500076307920820084508680888090830000720075207820810083508580880

表2 基于配合耐受電壓下的大氣修正因子(歐標(biāo))

海拔高度/m不同耐受電壓下的大氣修正因子≤200kV201～400kV401～700kV701～1100kV>1100kV010001000100010001000100099409950997099809993000982098509900993099650009700975098209870992100009380946095909700978150009040915093409480960200008700883090609230938250008340849087508960913300007980815084408670885

1.2 海拔修正

當(dāng)線路位于高海拔地區(qū)時(shí)，由于氣象條件發(fā)生變化，空氣間隙放電電壓會(huì)降低，各標(biāo)準(zhǔn)均提出間隙計(jì)算時(shí)需考慮海拔修正。

國(guó)標(biāo)提出按式(1)考慮海拔修正系數(shù)Ka[6]：

(1)

式中：H為海拔高度，m；m為海拔修正因子，工頻、雷電電壓海拔修正因子m=1，操作過電壓海拔修正因子可按圖1中的曲線a(相對(duì)地絕緣)、c(相間絕緣)取值。

圖1 海拔修正因子與放電電壓的關(guān)系

IEC提出海拔修正系數(shù)基于90%放電電壓和海拔高度進(jìn)行取值[14]，見表1。

歐標(biāo)提出大氣修正因子同樣根據(jù)海拔高度和配合耐受電壓取值，其數(shù)值與IEC推薦值略有差異，見表2[15]。

CIGRE提出海拔修正按式2計(jì)算[19]。

(2)

式中，m取0.7～1.0。

1.3 電氣間隙計(jì)算

1.3.1 各標(biāo)準(zhǔn)各工況下相地的間隙要求值計(jì)算

IEC：暫時(shí)過電壓Dpe,pf=1.65[exp(U50%,pf/(750kaKg,pf))-1]；操作過電壓Dpe,sf=2.71[exp(U50%,sf/(1 080 kaKg,sf))-1]；雷電過電壓Dpe,ff=U50%,ff/(530kaKg,ff)；帶電作業(yè)Dpe,lw=2.17[exp(U90%,lw/(1 080Kt))-1]+F。

GIGRE：工頻電壓Dpe,pf=(Us/(350kαkaKg,pf))N；操作過電壓Dpe,sf=2.17[exp(Umax,sf/(918kaKg,sf))-1]；雷電過電壓Dpe,ff=U50%,ff/(490Kg,ff)；帶電作業(yè)Dpe,lw=2.17[exp(U50%,lw/(1 080KCdCwCa))-1]+F。

上述各式中：ka為海拔修正因子；Kz,pf、Kz,sf、Kz,ff分別為工頻電壓(暫時(shí)過電壓)、操作過電壓和雷電過電壓下的偏離因子，歐標(biāo)分別取0.910、0.922、0.961；Kg,pf、Kg,sf、Kg,ff分別為相地工頻電壓、操作過電壓和雷電過電壓下的間隙因子，導(dǎo)線對(duì)塔窗時(shí)，歐標(biāo)分別取1.14、1.25、1.07，導(dǎo)線對(duì)塔身時(shí)分別取1.22、1.45、1.12，CIGRE取值與歐標(biāo)相同，對(duì)Kg,pf，CIGRE也可取默認(rèn)值1.25，IEC的Kg,sf在缺少資料的情況下可取1.2，相應(yīng)的Kg,pf、Kg,ff分別為1.12、1.05；K為間隙系數(shù)，取值詳見GB50545；kt為國(guó)標(biāo)中帶電作業(yè)工況下的綜合因子，kt= kdkgka，其中kd為標(biāo)準(zhǔn)偏差因子，一般取0.936，kg為間隙因子，對(duì)相地一般取1.0～1.2，ka可參考表3取值；Kt為IEC中帶電作業(yè)工況下的綜合因子，Kt=kskgkakfki，其中ks為標(biāo)準(zhǔn)偏差因子，一般取0.936，kf為中間電位導(dǎo)體影響系數(shù)，ki為損壞的絕緣子因子，對(duì)無需更換絕緣子的帶電作業(yè)工況可取1.0；F為作業(yè)間隙中處于中間電位的導(dǎo)體在間隙軸線上的投影長(zhǎng)度；kα為預(yù)期保證率，在90%保證率和9%變異系數(shù)下可取0.88；N為常數(shù)，Us≤400kV時(shí)N=1，Us>400kV時(shí)N=1.67；K為間隙因子，相地間隙常用值1.2；Cd為損壞的絕緣子因子；Cw為中間電位導(dǎo)體影響系數(shù)；Ca為GIGRE中的大氣因子，按式2計(jì)算。

1.3.2 各標(biāo)準(zhǔn)各工況下相間的間隙要求值計(jì)算

國(guó)標(biāo)：暫時(shí)過電壓和操作過電壓均由試驗(yàn)曲線確定；帶電作業(yè)Dpp,lw=2.17[exp(U90%,lw/(1 080 kt))-1]。

IEC：帶電作業(yè)Dpp,lw=2.17[exp(U90%,lw/(1 080 kt))-1]+F。

操作過電壓Dpp,sf=2.174[exp(1.4U90%,sf/(1 080kaKz,sfKg,sf))-1]；雷電過電壓Dpp,ff=1.2U90%,ff,is/(530kaKz,ffKg,ff)；帶電作業(yè)同IEC計(jì)算方法。

GIGRE：工頻電壓Dpp,pf=(Us/(350kαkaKg,pf))N；操作過電壓Dpp,sf=2.17[exp(1.4Um ax,sf/(918kaKg,sf))-1]；雷電過電壓Dpp,ff=1.2U50%,ff/(490Kg,ff)；帶電作業(yè)Dpp,lw=2.17[exp(U50%,lw/(1 080KCdCwCa))-1]+F。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)下的相地電氣間隙值對(duì)比①m

Ur/kVUs/kV國(guó)標(biāo)工頻操作雷電帶電IEC②工頻操作③雷電帶電歐標(biāo)②工頻操作雷電帶電CIGRE②工頻操作雷電帶電1101260250701010039—099083024—085083037—0860992202520551451918074—208220044—181212074—181249330363090195232210632825822506122621122310626922326250055013027033321684623402660903032792942223712953547508001904004240267759461378134471377386415591399506

①IEC、歐標(biāo)和CIGRE間隙因子均按導(dǎo)線對(duì)塔身間隙考慮，國(guó)標(biāo)的間隙值為邊相I串的間隙要求值；計(jì)算時(shí)取中間電位導(dǎo)體占位長(zhǎng)度為0.5 m，但為與國(guó)標(biāo)規(guī)定值作對(duì)比，IEC、歐標(biāo)和CIGRE的帶電作業(yè)間隙值均不含中間電位導(dǎo)體占位長(zhǎng)度和人體活動(dòng)范圍；②IEC 61865未給出工頻電壓下電氣間隙的計(jì)算公式，本列采用該標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算暫時(shí)過電壓下間隙的方法計(jì)算工頻電壓下的電氣間隙，以作對(duì)比；另外IEC、歐標(biāo)和CIGRE對(duì)最高運(yùn)行電壓Us≤245 kV(額定運(yùn)行電壓Ur≤230 kV)線路可不考慮操作過電壓下的絕緣要求，未指定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平，因此未給出相關(guān)計(jì)算結(jié)果；③統(tǒng)計(jì)因子取1.04，對(duì)應(yīng)的操作過電壓下線路放電概率為10-3量級(jí)。

表4 各標(biāo)準(zhǔn)下的相間電氣間隙值對(duì)比①m

Ur/kVUs/kV國(guó)標(biāo)工頻②操作③雷電帶電④IEC⑤工頻操作雷電帶電歐標(biāo)工頻操作雷電帶電CIGRE工頻操作雷電帶電1101260512/11—091———109037—098118048—0991302202520924/21—212———253071—206256097—2092863303631634/30—250———2841003152452751403862593105005502252/46—407———3861554413233793505513424647508002877/54—666———684241721438591653933463776

①帶電作業(yè)相間電氣間隙值計(jì)算時(shí)，IEC、歐標(biāo)、CIGRE取相間2%統(tǒng)計(jì)過電壓(標(biāo)幺值)up2=1.35ue2+0.45，國(guó)標(biāo)取up2=1.33ue2+0.4，式中ue2為相地2%統(tǒng)計(jì)過電壓(標(biāo)幺值)；②根據(jù)GB 50545的條文解釋，對(duì)工頻相間間隙國(guó)標(biāo)計(jì)算的為工頻過電壓下的間隙值；③“/”前的數(shù)據(jù)適用于塔頭，“/”后的數(shù)據(jù)適用于檔中；④根據(jù)GB/T 19185計(jì)算得到；⑤I EC 61865未給出暫時(shí)過電壓、操作和雷電過電壓下相間電氣間隙計(jì)算方法和參數(shù)。

上述各式中：Kz,pf、Kz,sf、Kz,ff歐標(biāo)分別取0.961、0.922、0.910；Kg,pf、Kg,sf、Kg,ff歐標(biāo)分別取1.26、1.6、1.16；CIGRE取值與歐標(biāo)相同，對(duì)Kg,pf也可取默認(rèn)值1.65；kg對(duì)相間一般取1.45；K對(duì)于相間間隙常用值為1.6。

2 電氣間隙對(duì)比

基于上述總結(jié)分析，分別采用IEC、歐標(biāo)和CIGRE方法對(duì)國(guó)內(nèi)常規(guī)的110～750 kV電壓等級(jí)各設(shè)計(jì)工況下的相地、相間電氣間隙進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3、表4。為便于對(duì)比，表中也列出國(guó)標(biāo)GB 50545對(duì)上述電壓等級(jí)線路間隙的取值要求。計(jì)算時(shí)，海拔高度取1 000 m；操作過電壓和雷電過電壓下取文獻(xiàn)[8]和[12]推薦的標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平，330～750 kV相地2%統(tǒng)計(jì)操作標(biāo)準(zhǔn)耐受電壓分別為950 kV、1 175 kV、1 550 kV(根據(jù)文獻(xiàn)[8]和[12]，系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓Us≤245 kV(相應(yīng)的額定電壓Ur≤230 kV)時(shí)絕緣配合可不考慮操作過電壓)；雷電過電壓下110～750 kV雷電標(biāo)準(zhǔn)耐受電壓分別為450 kV、950 kV、1 175 kV、1 550 kV、2 100 kV；110～750 kV在各標(biāo)準(zhǔn)下的帶電作業(yè)相地操作過電壓倍數(shù)分別為3、3、2.2、2、1.8[7,10]。

對(duì)比表3各標(biāo)準(zhǔn)下的相地電氣間隙計(jì)算結(jié)果，工頻間隙方面歐標(biāo)最小，國(guó)標(biāo)略大，IEC由于偏離因子取值較大、海拔修正因子較小，故工頻間隙值較大；CIGRE的工頻電氣間隙計(jì)算公式與IEC和歐標(biāo)有較大差異，在330 kV及以下電壓等級(jí)時(shí)其計(jì)算結(jié)果與IEC計(jì)算值相近，但對(duì)500 kV和750 kV，CIGRE方法計(jì)算的電氣間隙值明顯偏大；操作間隙方面，國(guó)標(biāo)值最小，由于海拔修正因子和間隙因子取值較小，故IEC操作間隙值較歐標(biāo)值偏大，而CIGRE的海拔修正因子與IEC接近，間隙因子取值與歐標(biāo)相同，其計(jì)算值位于歐標(biāo)值和IEC值之間；雷電間隙方面，CIGRE不考慮海拔修正，IEC海拔修正因子和間隙因子偏小，雷電間隙值從小到大為歐標(biāo)值

對(duì)比表4各標(biāo)準(zhǔn)下的相間電氣間隙計(jì)算結(jié)果，與相地間隙對(duì)比結(jié)果類似，CIGRE在較高電壓等級(jí)如500 kV、750 kV下的工頻、操作電壓值均明顯偏大，各電壓下的帶電作業(yè)間隙均是CIGRE最大，工頻間隙歐標(biāo)值最小，歐標(biāo)和CIGRE的雷電間隙值較為接近，國(guó)標(biāo)在110～330 kV下的帶電作業(yè)間隙最小，歐標(biāo)在500～750 kV下的帶電作業(yè)間隙最小。

導(dǎo)致各標(biāo)準(zhǔn)在電氣間隙計(jì)算值上的較大差異，主要有以下三方面原因：一是作為計(jì)算輸入條件的放電電壓的差異；其次，放電電壓與間隙距離函數(shù)關(guān)系的不同，如國(guó)標(biāo)的工頻、操作、雷電和CIGRE的工頻間隙計(jì)算表達(dá)式與其他標(biāo)準(zhǔn)不同，故計(jì)算結(jié)果上會(huì)有一定差異；第三，系數(shù)取值上的差異，如4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算帶電作業(yè)間隙時(shí)，其函數(shù)形式上是一致的，但是由于間隙因子、海拔修正因子、統(tǒng)計(jì)安全因子、綜合因子等變量的涵義和取值不同，導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果上的較大差異。另外需要說明的是，IEC在電氣間隙計(jì)算時(shí)是根據(jù)線路不同放電統(tǒng)計(jì)概率要求下對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)因子，確定90%放電電壓；而歐標(biāo)和CIGER則根據(jù)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平選擇線路的90%放電電壓，由此造成90%放電電壓值上二者會(huì)有較大差異。本文為了便于各標(biāo)準(zhǔn)間的橫向?qū)Ρ?，?0%放電電壓的選擇上對(duì)IEC、歐標(biāo)和CIGRE均統(tǒng)一采用文獻(xiàn)[12]推薦的標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平，由此計(jì)算操作和雷電下的電氣間隙值。

3 對(duì)塔頭尺寸的影響

塔頭間隙圓設(shè)計(jì)時(shí)，各標(biāo)準(zhǔn)考慮的風(fēng)偏工況不完全一致，但總的來說不外乎考慮絕緣子串在大風(fēng)、雷電、操作或帶電作業(yè)工況下的搖擺角度。相應(yīng)地各工況下線路帶電部分對(duì)鐵塔接地構(gòu)件的電氣間隙要分別滿足工頻間隙、雷電間隙、操作間隙、帶電作業(yè)間隙。由于風(fēng)偏工況及電氣間隙值的差異，對(duì)塔頭尺寸就有了顯著的影響。

3.1 風(fēng)偏工況

表5給出了各標(biāo)準(zhǔn)在間隙圓設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的風(fēng)偏工況。雖然有的標(biāo)準(zhǔn)在塔頭設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮所有工況，但仍給出了各工況下的電氣間隙計(jì)算方法，以便進(jìn)行檔中線間距、鄰近障礙物或交叉跨越時(shí)的電氣間隙校驗(yàn)。

表5 各標(biāo)準(zhǔn)塔頭設(shè)計(jì)時(shí)的風(fēng)偏工況①

標(biāo)準(zhǔn)類別大風(fēng)工況操作工況雷電工況帶電作業(yè)國(guó)標(biāo)√√√√IEC√②√②√②×歐標(biāo)√√③√③×CIGRE√√④√④×

①“√”表示風(fēng)偏設(shè)計(jì)時(shí)考慮該工況，“×”表示風(fēng)偏設(shè)計(jì)時(shí)不考慮該工況；除國(guó)標(biāo)外，其他標(biāo)準(zhǔn)在塔頭設(shè)計(jì)時(shí)均未考慮帶電作業(yè)工況，帶電作業(yè)間隙值僅用于帶電作業(yè)時(shí)的間隙校驗(yàn)；②IEC對(duì)Us≤245 kV(Ur≤230 kV)的線路絕緣配合時(shí)考慮暫時(shí)過電壓和雷電過電壓，Us>245 kV(Ur>230 kV)線路考慮雷電過電壓和操作過電壓；③歐標(biāo)在校驗(yàn)塔頭間隙時(shí)，操作和雷電合為同一種工況，風(fēng)速相同，取兩個(gè)工況下的最大間隙值；④CIGRE在校驗(yàn)間隙時(shí)，對(duì)Us≤245 kV(Ur≤230 kV)的線路絕緣配合時(shí)考慮工頻電壓和雷電過電壓，Us>245 kV(Ur>230 kV)線路考慮工頻電壓和操作過電壓。

3.2 塔頭間隙圓對(duì)比

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中塔頭風(fēng)偏設(shè)計(jì)的對(duì)比研究成果和絕緣子串風(fēng)偏搖擺角的計(jì)算，不考慮塔身坡度和間隙裕度，給出了500 kV線路各標(biāo)準(zhǔn)下的塔頭間隙圓尺寸，如圖2所示。

注：絕緣子串搖擺角計(jì)算時(shí)取導(dǎo)線型號(hào)4×JL/G2A-720/50，單根子導(dǎo)線直徑0.036 23 m，單重2.397 7 kg/m，子導(dǎo)線分裂間距0.5 m；線路50年重現(xiàn)期10 m高的基本風(fēng)速為32.7 m/s；水平檔距、垂直檔距均取600 m；導(dǎo)線平均高度取20 m；絕緣子串重300 kg，絕緣子串受風(fēng)面積1.5 m2，絕緣子串平均高取30 m，串長(zhǎng)6 m；國(guó)標(biāo)雷電間隙按GB 50545中規(guī)定的3.3 m取值，未考慮雷電過電壓下對(duì)單回路加強(qiáng)絕緣及雙回路的平衡高絕緣；歐標(biāo)雷電/操作下間隙校驗(yàn)時(shí)，電氣間隙值考慮間隙折減系數(shù)k1取0.75；IEC對(duì)電氣間隙主要用于校驗(yàn)工況，在桿塔設(shè)計(jì)時(shí)的絕緣子串風(fēng)偏搖擺角計(jì)算尚未見到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，為便于比較，IEC的絕緣子串搖擺角與CIGRE相同取值；圖中間隙值及塔頭尺寸單位均為m。圖2 各標(biāo)準(zhǔn)下的塔頭間隙圓圖

從圖2各標(biāo)準(zhǔn)下的間隙圓和塔頭尺寸對(duì)比來看，各國(guó)電氣間隙值差異較大，但是對(duì)塔頭橫擔(dān)長(zhǎng)度和層間距的影響并非與電氣間隙值呈正相關(guān)關(guān)系，還需要結(jié)合絕緣子串的風(fēng)偏搖擺角綜合比較。如歐標(biāo)的大風(fēng)間隙小于國(guó)標(biāo)(0.9 m<1.3 m)，操作/雷電間隙在考慮間隙折減系數(shù)后也小于國(guó)標(biāo)(2.27 m<2.7 m)，但是各工況下的絕緣子串搖擺角比國(guó)標(biāo)明顯偏大，導(dǎo)致按歐標(biāo)繪制的塔頭橫擔(dān)長(zhǎng)度要明顯長(zhǎng)于國(guó)標(biāo)(6.27 m>5.71 m)；而國(guó)標(biāo)由于考慮了帶電作業(yè)間隙和人體活動(dòng)范圍，故層間距尺寸則明顯大于歐標(biāo)。對(duì)IEC和CIGRE的間隙圓圖，由于工頻電壓和操作過電壓下的電氣間隙值明顯較國(guó)標(biāo)大，在風(fēng)偏校驗(yàn)時(shí)又未考慮間隙折減，故塔頭尺寸均較國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)偏大，IEC要求的層間距最大，而CIGRE要求的橫擔(dān)最長(zhǎng)?；谙嗤斎霔l件的間隙圓圖對(duì)比，在本算例中國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)的塔頭尺寸是較小的，而IEC和CIGRE的塔頭尺寸偏大。

除國(guó)標(biāo)外，其他標(biāo)準(zhǔn)在塔頭間隙圓繪制時(shí)均不考慮帶電作業(yè)工況，帶電作業(yè)間隙僅作為校驗(yàn)用，帶電作業(yè)的方式應(yīng)根據(jù)塔頭尺寸靈活選擇。國(guó)內(nèi)的特高壓線路設(shè)計(jì)和±500 kV直流線路設(shè)計(jì)時(shí)，均要求帶電作業(yè)不控制塔頭尺寸，而按照現(xiàn)行GB 50545要求，對(duì)較低電壓等級(jí)的線路，帶電作業(yè)會(huì)控制塔頭尺寸，因此可參考特高壓線路和國(guó)外線路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議對(duì)塔頭間隙圓不考慮帶電作業(yè)工況。

總的來說，IEC、歐標(biāo)和CIGRE在計(jì)算線路電氣間隙時(shí)，其依據(jù)的函數(shù)表達(dá)式單一，計(jì)算結(jié)果橫向?qū)Ρ容^為簡(jiǎn)單直接，也便于設(shè)計(jì)執(zhí)行和工程應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)為滿足超、特高壓線路設(shè)計(jì)和建設(shè)的需要，多年來已開展了深入的線路外絕緣實(shí)驗(yàn)，積累了大量的數(shù)據(jù)。但是另一方面也給線路設(shè)計(jì)帶來了困擾。放電電壓與間隙距離的函數(shù)表達(dá)式不唯一，同時(shí)也有大量的試驗(yàn)曲線可供選擇，而根據(jù)不同的函數(shù)關(guān)系和試驗(yàn)曲線得到的計(jì)算結(jié)果差異較大，對(duì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)性不強(qiáng)。另外，國(guó)內(nèi)不同的標(biāo)準(zhǔn)如GB 50545、GB 311.2和GB/T 50064，對(duì)電氣間隙計(jì)算方法和要求值也不一致。因此有必要對(duì)國(guó)內(nèi)已有的線路外絕緣數(shù)據(jù)和成果進(jìn)行總結(jié)歸納，提出實(shí)用性好的權(quán)威成果，統(tǒng)一線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

通過總結(jié)中國(guó)、IEC、歐洲、CIGRE等國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在工頻電壓、暫時(shí)過電壓、操作過電壓、雷電過電壓和帶電作業(yè)工況下的耐受電壓和電氣間隙計(jì)算方法，對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)、各工況下的相地、相間電氣間隙計(jì)算及數(shù)值進(jìn)行了較為全面的對(duì)比。并結(jié)合算例繪制了各標(biāo)準(zhǔn)下500 kV線路的塔頭間隙圓，分析了電氣間隙計(jì)算值和塔頭尺寸上存在較大差異的主要原因，結(jié)論如下。

a) 各標(biāo)準(zhǔn)確定電氣間隙的計(jì)算思路相近，首先確定各工況下間隙的放電電壓值，然后根據(jù)試驗(yàn)曲線或經(jīng)驗(yàn)公式求得電氣間隙值。

b) 導(dǎo)致各標(biāo)準(zhǔn)在電氣間隙計(jì)算值上較大差異的原因主要有間隙放電電壓的差異，間隙放電電壓與間隙距離函數(shù)關(guān)系的不同，即使函數(shù)形式一致，但由于所包含變量的含義和取值不同，也帶來了計(jì)算結(jié)果上的較大差異。

c) 基于給定的輸入條件，按各標(biāo)準(zhǔn)繪制了500 kV線路的塔頭間隙圓，在本算例中，國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)的塔頭尺寸較小，而IEC和CIGRE的塔頭尺寸偏大。

d) 參考國(guó)內(nèi)特高壓線路和國(guó)外線路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，塔頭間隙圓可不考慮帶電作業(yè)工況，帶電作業(yè)方式根據(jù)塔頭尺寸進(jìn)行靈活選擇。

需要指出的是，為滿足超、特高壓線路設(shè)計(jì)和建設(shè)的需要，國(guó)內(nèi)多年來已開展了深入的線路外絕緣實(shí)驗(yàn)，積累了大量的數(shù)據(jù)，有必要對(duì)已有的數(shù)據(jù)和成果進(jìn)行總結(jié)歸納，提出權(quán)威的各工況下放電電壓與間隙距離的函數(shù)表達(dá)式或試驗(yàn)曲線，便于指導(dǎo)線路外絕緣設(shè)計(jì)，統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而提高我國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威性和實(shí)用性。

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(編輯 查黎)

Designs Comparison for Electric Clearance of Overhead Transmission Lines Between Domestic and Abroad Criteria

WANG Jingyi, ZHU Yingjie, PAN Chunping

(Guangdong Electric Power Design Institute of China Energy Group, Guangzhou, Guangdong 510663, China)

According to design criteria of China, IEC, Europe and GIGRE and corresponding research reports, determination methods for withstand voltage in each criterion under different working conditions including power frequency voltage, transient overvoltage, switching overvoltage, lightning overvoltage and live working are summarized, and calculation methods for electric clearance under different working conditions are studied as well. Based on design criterion of each country, it respectively calculates phase-to-earth and phase-to-phase electric clearance values of 110～750 kV lines under different working conditions of power frequency voltage, switching overvoltage, lightning overvoltage and live working. Combining examples, it compares circle diagrams of tower head clearance of 500 kV line under each criterion and analyzes main reasons for large differences between calculation values of electric clearance and tower sizes. According to research achievements, design and operational experiences in domestic and at abroad, suggestions are presented for China’s criterion in improving calculation on electric clearance and designing external insulation.

overhead transmission line; discharge voltage; electric clearance; phase-to-earth; phase-to-phase

2016-05-12

2016-08-15

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.023

TM726.3

A

1007-290X(2016)12-0127-08

汪晶毅(1981)，男，安徽舒城人。高級(jí)工程師，工學(xué)博士，從事輸電線路的設(shè)計(jì)研究工作。

朱映潔(1981)，女，湖南邵陽人。工程師，工學(xué)碩士，從事輸電線路的設(shè)計(jì)研究工作。

潘春平(1960)，男，廣東潮陽人。高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，從事輸電線路的設(shè)計(jì)研究工作。