王 睿，施 芳，霍 鋒，南 敬

(1. 中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120；2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司武漢分院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，架空線路建設(shè)過程中的拆遷安置變得愈加困難[1-2]，通過壓縮線路走廊寬度提高單位走廊內(nèi)的輸電能力顯得越來越重要。玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料(以下簡稱“復(fù)合材料”)具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕和絕緣性能良好等特點，采用復(fù)合橫擔(dān)桿塔可以有效縮減線路走廊寬度和全塔高度，節(jié)約土地資源，降低輸電線路整體運營成本[3]。采用半復(fù)合橫擔(dān)桿塔可以壓縮走廊寬度，降低全塔高度。

作為一種全新的塔頭布置方式，半復(fù)合橫擔(dān)緊縮型塔頭布置方式是在常規(guī)角鋼橫擔(dān)的端部加裝復(fù)合橫擔(dān)，利用復(fù)合橫擔(dān)絕緣特性和V 串對導(dǎo)線風(fēng)偏的限制作用，實現(xiàn)在一層橫擔(dān)上懸掛兩相導(dǎo)線和壓縮線路走廊寬度等目的。本文對于半復(fù)合橫擔(dān)緊縮型布置形式下的電氣間隙和絕緣配合開展試驗研究，提出取值建議。

1 空氣間隙沖擊電壓試驗

通過搭建半復(fù)合橫擔(dān)形式真型塔窗，模擬相對地操作過電壓、相間操作過電壓和雷電過電壓，獲得放電特性及放電路徑分布特征。

1.1 試驗條件及方法

試驗基地位于湖北省武漢市江夏區(qū)，基地海拔高度50 m，擁有標(biāo)稱電壓7 500 kV 沖擊電壓發(fā)生器裝置，能夠產(chǎn)生250 ～2 500 μs 波前操作沖擊電壓和1.2/50 μs 的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，波前時間和幅值能夠滿足超高壓、特高壓輸電試驗需要。其測量系統(tǒng)經(jīng)過與國家高電壓計量站比對，測量電壓峰值的總不確定度在±3%范圍內(nèi)。

根據(jù)GB/T 16927.1—2011《高電壓試驗技術(shù) 第1 部分：一般定義及試驗要求》規(guī)定的試驗程序，試驗時根據(jù)現(xiàn)場大氣條件將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電壓值修正到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，確定最終試驗電壓，耐受電壓試驗加壓15 次[4]。復(fù)合橫擔(dān)桿塔塔頭間隙50%放電電壓試驗采用升降法，電壓級差的幅度約為預(yù)期電壓峰值的3%～5%，操作沖擊加壓次數(shù)為40 次，雷電沖擊為20 次。復(fù)合橫擔(dān)桿塔塔頭相間操作沖擊電壓試驗采用升降法，電壓級差取預(yù)期電壓峰值的3%～5%，每組試驗加壓次數(shù)為30 次。試驗結(jié)果依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行氣象修正。

1.2 試驗試品及桿塔布置

根據(jù)半復(fù)合橫擔(dān)塔頭布置方案如圖1 所示，每層導(dǎo)線橫擔(dān)懸掛兩相導(dǎo)線，其中：內(nèi)側(cè)相導(dǎo)線采用V 串懸掛于角鋼橫擔(dān)根部與復(fù)合橫擔(dān)端部之間，外側(cè)相導(dǎo)線采用I 串懸掛于復(fù)合橫擔(dān)端部，如圖2 所示?？紤]到外側(cè)相I 串串長較短，導(dǎo)線風(fēng)偏搖擺幅度較小，內(nèi)側(cè)相導(dǎo)線采用V 串固定，可以認(rèn)為兩相導(dǎo)線空間相對位置關(guān)系基本不變，那么工頻過電壓間隙對塔頭尺寸不起控制作用，僅需開展操作和雷電過電壓間隙試驗。

圖1 500 kV半復(fù)合橫擔(dān)塔頭布置

圖2 半復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)半復(fù)合橫擔(dān)塔頭布置，選取中橫擔(dān)搭建試驗塔窗試品，如圖3 所示。

圖3 半復(fù)合橫擔(dān)緊縮型試驗塔塔窗試品

1.3 內(nèi)側(cè)相V串塔頭間隙沖擊電壓試驗

1.3.1 內(nèi)側(cè)相V串間隙操作沖擊

試驗時V 串高壓電極(導(dǎo)線或均壓環(huán))對下側(cè)構(gòu)架、上側(cè)橫梁和低壓側(cè)均壓環(huán)間隙距離保持不變，調(diào)整V 串均壓環(huán)對塔身構(gòu)架不同距離。V 串電極對塔身不同間隙距離下的50%放電電壓值和放電路徑統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。

表1 內(nèi)側(cè)相V串間隙操作沖擊試驗結(jié)果

放電電壓與間隙距離的關(guān)系曲線如圖4 所示?？梢钥闯?，隨著間隙距離的增大，放電電壓梯度逐漸減小，從423 kV/m 降低至334 kV/m，具有一定的飽和趨勢。

圖4 內(nèi)側(cè)相V串間隙沖擊放電特性曲線

1.3.2 內(nèi)側(cè)相V串間隙雷電沖擊

試驗時V 串電極對下側(cè)構(gòu)架、上側(cè)橫梁和低壓側(cè)均壓環(huán)間隙距離保持不變，調(diào)整V 串均壓環(huán)對塔身間隙。不同間隙距離下的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓值和放電路徑統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。

標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓與間隙距離的關(guān)系曲線如圖4 所示?？梢钥闯?，在間隙距離為2.56 ～4.12 m 范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊放電電壓與間隙距離之間接近于線性關(guān)系，放電電壓梯度為588 kV/m。

1.4 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)塔頭間隙沖擊電壓試驗

1.4.1 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)操作沖擊

復(fù)合橫擔(dān)高壓側(cè)電極包括模擬導(dǎo)線、屏蔽環(huán)和懸掛金具。塔窗內(nèi)距復(fù)合橫擔(dān)高壓電極較近的接地體主要有塔身法蘭和拉桿接地側(cè)均壓環(huán)。采用升降法開展試驗，獲得50%放電電壓值，試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)間隙沖擊電壓試驗結(jié)果

可以看出，標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊絕緣配合試驗偏差取5%，該復(fù)合橫擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊最大 耐 受 電 壓 值Uw-s-max為：Uw-s-max=1 411×(1-3×5%)=1 199 kV。該電壓值大于GB 311.1—2012《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》[5]規(guī)定的500 kV 絕緣類設(shè)備最大耐受電壓取1 050 kV 的限值，具有14%的裕度，因此，該試驗復(fù)合橫擔(dān)耐受操作過電壓絕緣配置設(shè)計滿足運行絕緣要求。

1.4.2 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)雷電沖擊

采用升降法開展標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊試驗，獲得50%放電電壓值，試驗結(jié)果如表4 所示。

表4 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)雷電沖擊電壓試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓為2 460 kV，雷電沖擊試驗偏差取3%，該復(fù)合橫擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊最大耐受電壓值Uw-l-max為：Uw-l-max=2 460×(1-3×3%)=2 239 kV，高于GB 311.1—2012 規(guī)定的雷電沖擊耐受電壓限制1 550 kV。

1.5 內(nèi)、外側(cè)導(dǎo)線相間操作沖擊電壓試驗

試驗中，內(nèi)、外側(cè)相高壓電極最小間隙距離取3.5 ～4.9 m(固定下側(cè)V 串均壓環(huán)不動，調(diào)節(jié)復(fù)合橫擔(dān)屏蔽環(huán)位置實現(xiàn))，正負(fù)極性電壓比取1:1，采用升降法進行試驗，每組試驗次數(shù)為30 次，獲得不同間隙距離50%放電電壓。試驗間隙配置和放電電壓結(jié)果如表5 所示。

表5 相間操作沖擊電壓試驗結(jié)果

放電路徑均為橫擔(dān)屏蔽環(huán)對V 串均壓環(huán)。由放電電壓和間隙距離得出放電電壓與間隙距離擬合曲線如圖5 所示，放電電壓梯度從463 kV/m降低至439 kV/m。

圖5 內(nèi)、外側(cè)導(dǎo)線相間操作沖擊放電特性曲線

2 空氣間隙取值

根據(jù)試驗獲得的相對地操作過電壓、相間操作過電壓和雷電過電壓放電特性曲線，得到推薦的間隙取值。

2.1 操作過電壓電氣間隙配置

2.1.1 相對地操作過電壓電氣間隙配置

最大操作過電壓水平取2.0 p.u.，參照GB 50064—2014 《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》取配合系數(shù)為1.27，采用GB 311.1—2012 規(guī)定的方法進行海拔修正計算[5]。50%放電電壓要求值U50-req為：

按U50-req計算值進行0 ～2 000 m 海拔修正，并結(jié)合試驗放電電壓數(shù)據(jù)進行配合分析，可以得出不同海拔高度的電壓要求值。

考慮到復(fù)合橫擔(dān)一旦發(fā)生高壓電極對接地側(cè)放電，則存在電弧燒蝕復(fù)合傘裙和護套的風(fēng)險，推薦復(fù)合橫擔(dān)操作過電壓相地間隙配置時，提出應(yīng)適當(dāng)提高復(fù)合橫擔(dān)配置水平。本文將復(fù)合橫擔(dān)耐受電壓較V 串提高了5%，相對地操作過電壓間隙推薦值如表6 所示。

表6 相對地操作過電壓電氣間隙推薦值

2.1.2 相間操作過電壓電氣間隙配置

相間過電壓水平，按照1.5倍于相地2.0 p.u.的水平考慮，配合系數(shù)取1.27，采用GB 311.1—2012 規(guī)定的方法進行海拔修正計算[5]。50%放電電壓要求值U50-req為：

將相間U50-req計算值進行0 ～2 000 m 海拔修正，并結(jié)合試驗放電電壓數(shù)據(jù)進行配合分析，可以得出海拔0 ～2 000 m 范圍內(nèi)的內(nèi)、外側(cè)相之間電氣間隙配置推薦值如表7 所示。

表7 相間操作過電壓電氣間隙推薦值

2.2 雷電過電壓電氣間隙配置

根據(jù)GB 311.1—2012 對于500 kV 設(shè)備雷電沖擊耐受電壓要求，雷電過電壓耐受電壓值取1 550 kV，雷電沖擊電壓試驗偏差取3%。雷電過電壓間隙配置推薦值如表8 所示。

表8 雷電過電壓間隙推薦值

3 人工污穢試驗

在人工環(huán)境氣候?qū)嶒炇覂?nèi)對復(fù)合橫擔(dān)絕緣子以及復(fù)合絕緣子進行人工污穢條件下的50%耐受電壓試驗，試驗方法參考我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 859—2004《高壓交流系統(tǒng)用復(fù)合絕緣子人工污穢試驗》[6]。

3.1 復(fù)合橫擔(dān)人工污穢試驗

3.1.1 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)及試品布置

試品為帶硅橡膠護套的500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表9 所示，試品布置如圖6所示，對試品在親水性和弱憎水性條件下開展50%耐受電壓試驗。

表9 500 kV復(fù)合橫擔(dān)絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6 500 kV復(fù)合橫擔(dān)絕緣子試品布置

3.1.2 親水性下的50%耐受電壓試驗

在 鹽 密(salt deposit density，SDD) 分 別為0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2和0.35 mg/cm2， 以及 灰 密(non soluble deposit density，NSDD) 為1.0 mg/cm2條 件 下：施 加 電 壓450 kV 時，500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子在起霧后約40 min 發(fā)生閃絡(luò)；施加電壓410 kV 時，500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子受潮約28 min 后泄漏電流出現(xiàn)最大值，試驗進行43 min 后，泄漏電流持續(xù)減小并低于最大泄漏電流的70%而未發(fā)生閃絡(luò)。

復(fù)合橫擔(dān)絕緣子表面為親水性時人工污穢試驗結(jié)果如表10 所示。從試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子硅橡膠表面為親水性時，其污穢耐受電壓隨著鹽密值的增大而減小，呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系。最大污穢耐受電壓低于系統(tǒng)最高運行相電壓317.5 kV。

表10 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子表面為親水性時的人工污穢試驗結(jié)果

3.1.3 弱憎水性下的50%耐受電壓試驗

與傳統(tǒng)的瓷和玻璃絕緣子相比，硅橡膠在防污閃性能方面的主要優(yōu)勢在于硅橡膠良好的憎水性和獨特的憎水遷移性可以明顯抑制絕緣子沿面泄漏電流的發(fā)展進而提高絕緣子的污閃電壓。500 kV 復(fù)合橫擔(dān)表面弱憎水性人工污穢試驗結(jié)果如表11 所示。

表11 復(fù)合橫擔(dān)表面為弱憎水性時的人工污穢試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明，500 kV 復(fù)合橫擔(dān)硅橡膠表面為弱憎水性時，最大污穢耐受電壓為336.6 kV，較系統(tǒng)最高運行相電壓317.5 kV 高5.9%，滿足線路運行要求。

3.2 復(fù)合絕緣子人工污穢試驗

本次試驗所采用復(fù)合絕緣子為大傘、中傘和小傘結(jié)構(gòu)，其參數(shù)如表12 所示。試品布置如圖7 所示。試驗結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子在硅橡膠表面為弱憎水性時，在SDD 為0.35 mg/cm2及NSDD 為1.0 mg/cm2條件下，最大污穢耐受電壓為447.5 kV，較系統(tǒng)最高運行相電壓317.5 kV高40.9%。

表12 復(fù)合絕緣子參數(shù)

圖7 復(fù)合絕緣子污穢試驗試品布置圖

3.3 污穢外絕緣配置分析

500 kV 復(fù)合橫擔(dān)高低壓端部金具總長度約為1.1 m，復(fù)合絕緣子高低壓端部金具長度約為0.6 m，根據(jù)所采用的試品在其表面為弱憎水性下人工污穢試驗結(jié)果，當(dāng)線路修正系數(shù)取值1.0時，得出500 kV 交流復(fù)合橫擔(dān)絕緣子和復(fù)合絕緣子的推薦結(jié)構(gòu)高度，如表13 和表14 所示。其中，表14 給出了根據(jù)復(fù)合絕緣子不同爬距系數(shù)計算出來的結(jié)構(gòu)高度，本試驗未進行高海拔相關(guān)試驗，高海拔下的推薦值為結(jié)合以往相關(guān)試驗數(shù)據(jù)得出。

表13 500 kV復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)高度推薦值

表14 500 kV復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)高度推薦值

4 結(jié)論

基于以上試驗研究能夠得到如下結(jié)論：

1)對于500 kV 半復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔內(nèi)側(cè)相V 串間隙操作沖擊電壓試驗，隨著間隙距離的增大放電電壓梯度逐漸減小，從423 kV/m 降低至334 kV/m，具有一定飽和特點；對于內(nèi)側(cè)相V 串間隙雷電沖擊電壓試驗在2.56 ～4.12 m 范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊放電電壓與間隙距離接近線性關(guān)系，放電電壓梯度為588 kV/m。

2)對于500 kV 半復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)操作沖擊電壓試驗，當(dāng)橫擔(dān)屏蔽環(huán)對塔身法蘭距離4.15 m，拉桿高壓側(cè)均壓環(huán)對塔身側(cè)均壓環(huán)距離4.75 m 時，放電路徑均為橫擔(dān)屏蔽環(huán)對塔身法蘭，放電電壓值為1 411 kV；對于外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)雷電沖擊電壓試驗當(dāng)橫擔(dān)屏蔽環(huán)對塔身法蘭距離4.15 m，拉桿高環(huán)對環(huán)距離4.75 m 時，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓為2 460 kV。

3)對于500 kV 半復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔內(nèi)、外側(cè)導(dǎo)線相間放電范圍為3.5 ～4.9 m，其放電電壓梯度從463 kV/m 降低至439 kV/m。

4) 在SDD為0.35 mg/cm2及灰密為1.0 mg/cm2的條件下，當(dāng)500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子硅橡膠表面為弱憎水性時，最大污穢耐受電壓為336.6 kV，較系統(tǒng)最高運行相電壓317.5 kV 高5.9%，滿足線路運行要求；復(fù)合絕緣子在硅橡膠表面為弱憎水性時，最大污穢耐受電壓為447.5 kV，較系統(tǒng)最高運行相電壓317.5 kV高40.9%。

本文還研究得到500 kV 半復(fù)合絕緣橫擔(dān)操作過電壓、雷電過電壓和相間操作過電壓電氣間隙推薦值以及外絕緣配置推薦值，從而為500 kV 同塔四回路緊縮型鐵塔設(shè)計提供了理論依據(jù)。