西藏高海拔地區混壓同塔多回輸電線路絕緣配合研究

郭琳玲

國網西藏電力有限公司，西藏拉薩，852000

0 引言

中國新型電力系統的發展和建設以風能、光能為主，常規水電、抽水蓄能和儲能作為風、光電消納的補償電源，并逐步降低火電和核電在電力系統中的占比，構建水-風-光-儲互補協同運行的綠色、清潔電力系統，響應“碳達峰、碳中和”，最終實現節能減排目標和電力系統的可持續發展[1]。隨著“十四五”規劃在維護生態的前提下啟動大型水電建設，西藏地區將成為水、光清潔能源開發的第一梯隊，新增新能源外送通道迫在眉睫。

西藏高海拔地區屬于典型的高原自然環境，植被生長極為緩慢，生態系統極其脆弱，地形條件惡劣，現場施工條件極差，運行環境惡劣，開辟電力走廊非常困難，導致輸電線路電力走廊資源難以滿足電力建設需求，隨著西藏電力建設的高峰期到來，這些客觀條件必將要求電能需求和輸電線路走廊做到協調配合。為解決這一矛盾，同時有效降低電力建設對西藏地區清潔能源開發和生態環境的影響，需要開展西藏高海拔地區220kV與110kV、220kV與35kV、110kV與35kV交流混壓同塔多回輸電線路絕緣配合研究。絕緣配合研究是整個輸電線路研究的重要部分，其中絕緣配合主要是對絕緣子串的選擇以及空氣間隙距離的計算取值。我國許多地區夏季雷雨天氣頻發，據統計，高壓架空線路跳閘事故中，由雷擊導致的占40%～70%[2]。目前，國內關于混壓同塔多回線路的防雷研究和絕緣配合以及影響因素等都有一定的研究，然而卻沒有詳細的計算分析[3-6]。

同塔多回輸電線路的避雷器的安裝位置與導線的防雷擊效應息息相關[7]。最終研究得出：同塔雙回220kV輸電線路裝一只避雷器時建議安裝在橫擔最下方；裝兩支避雷器時建議安裝在橫擔中間和最下方。同塔四回線路裝避雷器建議安裝在橫擔下方兩回線路的最上方和橫擔最上方右側。Malicki等闡述了如何有效地結合不同的方法來支持絕緣協調研究，利用EMTP-ATP的電幾何模型和仿真，預測了兩種混合塔架結構的雷擊發生率和停電范圍[8]。

1 高海拔絕緣子型號和片數

1.1 污區劃分和爬電距離

由于西藏地區無污區劃分圖，因此線路污區劃分只能根據線路所經區域環境條件、污穢情況調查、污濕特性分析和以往西藏地區架空線路運行經驗等展開。隨著國內污染工業企業數量增多，大氣環境污穢逐漸蔓延至無工業污染地區，因此，即使線路沿線基本無工業污染，西藏地區也無清潔區（0級區）可言。根據現場調查情況，本次課題研究線路沿線多處于道路、縣城設施、鄉村周邊，同時沿線多處存在新建鐵路和公路修建等地段，全線均為C級污區。同時根據國家電網公司要求，C級以下污區均提高一級配置，因此，本文選取C級污穢區進行全線的絕緣配置，所選絕緣子其爬電比距都取為39.4mm/kV。絕緣子片數選擇在考慮了線路污濕特性后，還應進行污穢條件下的高海拔修正。

1.2 絕緣子型式

合成絕緣子相較于其他型式的絕緣子，具有耐污性能好、抗外力打擊能力強等優勢，但對于途經高海拔、強紫外線地區的線路，其合成絕緣子的性能可能會降低。同時，考慮到西藏地區現狀220kV線路的運行規律及經驗，220kV線路中盤型絕緣子具有非常成熟的施工、運檢經驗。因此，本文選擇采用盤型絕緣子來實現線路的絕緣配置。

1.3 絕緣子強度及特性

結合西藏地區高海拔實際現狀，絕緣子串的機械受力安全系數數值大于或等于表1所規定數值。

表1 絕緣子機械強度安全系數

比較西藏地區輸電線路絕緣子研究選型和經驗運行，通過對絕緣子的荷載做安全校驗，為便于長期運行維護并嚴格考慮絕緣子不耐受外界打擊的缺陷，本次課題研究110kV和35kV線路絕緣子推薦采用70kN高質量瓷質絕緣子。懸垂鐵塔的絕緣子以及金具串采用單串型式，耐張塔的絕緣子以及金具串采用單聯串型式。220kV線路推薦懸垂串采用雙聯120kN型號，V型絕緣子串采用雙聯120kN型號，跳線串采用單聯70kN型號。

在輸電電壓不斷提高、過電壓水平不斷下降及過電壓保護設備日趨完善的今天，工頻電壓下的絕緣性能是確定絕緣子串長度的控制因素。污耐壓法是采用試驗而得到的絕緣子在實際不同污穢條件下的最大承受電壓污閃，使最終選擇的絕緣子串的最大承受電壓污閃大于此輸電線路的運行最大電壓，且要保證所選數值留有一定的安全性裕度。確定高海拔地區輸電線路污穢外絕緣配置的方法就是以平原地區輸變電設備外絕緣配置的選擇為基礎，找出污閃電壓隨海拔升高而降低的規律，計算出海拔地區所需輸電線路外絕緣配置。

1.4 絕緣子片數

目前我國仍廣泛采用爬電比距法選擇絕緣子片數，西藏地區輸電線路絕緣子研究選型和經驗運行有關研究經驗，對于不同污區和海拔，本次課題研究絕緣子片數計算結果詳見表2。

表2 220kV 線路特定污區和對應海拔下的絕緣子片數計算表

國網西藏電力有限公司邀請國家電網公司生產運維組織相關專家對輸電線路設計、施工、運行等部門進行全面、細致的審查和實地考察調研，通過計算并參考西藏地區220kV線路、110kV線路以及35kV線路的設計運行經驗，考慮本線路在系統中的重要作用，加之外部條件惡劣、高海拔試驗數據較少、運行經驗不足，為保證線路安全運行，在絕緣強度上適當留有裕度。對線路實施調爬改造后，增加了絕緣子片數以及塔頭空氣間隙。對220kV線路研究得出，整條線路的懸垂絕緣子串片數選擇如表3所示。

表3 220kV 線路工頻電壓絕緣子片數選擇結果

表4 110kV 線路工頻電壓絕緣子片數選擇結果

表5 35kV 工頻電壓絕緣子片數選擇結果

2 220kV高海拔輸電線路放電空氣間隙特性研究

在國家電網有限公司西藏地區高海拔工程（海拔4300m），采用與內地海拔較低地區的實驗塔頭基本相同的研究，計算研究出導線的邊相-鐵塔塔身距離間隙的工頻電壓放電、操作沖擊和雷電沖擊放電特性的計算試驗結果如下。

2.1 邊相操作沖擊放電特性

對鐵塔導線的邊相采用正的操作沖擊標準性電壓，得到如圖1所示的輸電鐵塔塔頭的空氣距離50%放電操作沖擊電壓以及安全距離的擬合曲線結果，圖1同時給出了在低海拔地區放電電壓和間隙距離的曲線關系?？梢员容^得出，在高海拔地區，處于2.0m～6.0m的試驗間隙距離范圍之內，隨著間隙距離的不斷增大，校正系數卻在逐漸變小。圖2給出了試驗時期邊相導線的操作沖擊放電照片。

圖1 高原區域輸電導線邊相-鐵塔塔身操作放電沖擊擬合實驗結果

圖2 高原區域邊相導線-塔身操作沖擊放電照片

2.2 雷電沖擊放電特性

2.2.1 絕緣子串雷電沖擊放電特性

針對高原區域的I型絕緣子串做雷電流特定試驗。試驗采用的絕緣子串長為1.6m～4.1m，試驗用的雷電沖擊電壓范圍是500kV～1400kV。得到的結果如圖3所示。圖3也同時給出了低海拔地區的放電電壓數值和采用絕緣子串長度的關系曲線?？梢匝芯康贸?，位于高原區域的輸電線路，同低海拔地區情況一樣，電壓釋放和長度串表現為單調的同步關系。圖4給出了試驗時期邊相絕緣子串的雷電沖擊的結果照片。

圖3 高原區域絕緣子串雷電沖擊放電特性曲線

圖4 高原區域絕緣子串邊相雷電泄流結果圖

2.2.2 空氣間隙雷電沖擊放電特性

對高原地區的輸電鐵塔導線-鐵塔空氣距離做了雷電泄流試驗。試驗中導線-塔身空氣間隙數值為2.0m～5.0m，試驗的雷電沖擊電壓為600kV～1800kV。結果如圖5所示。

圖5 高原區域導線-塔身雷電沖擊放電特性曲線

圖5同時顯示了低海拔區域的雷電泄流試驗結果。同時可以得出，處于高海拔地區和低海拔地區類似，放電電壓和間隙距離呈現線性數值關系。處于試驗間隙距離范圍之內，隨著間隙距離的不斷增大，其校正系數保持不變。圖6得到輸電鐵塔雷電泄流試驗結果。

圖6 高原區域邊相空氣間隙雷電沖擊放電照片

2.2.3 工頻放電特性

處在高原區域的輸電導線-鐵塔塔身的工頻泄流試驗的特定照片布置如圖7所示，試驗時期間隙距離數值為0.50m～2.00m，間隙的工頻閃絡電壓數值為150kV～500kV，結果如圖8所示。

圖7 工頻放電特性試驗試品布置圖

圖8 導線-塔身工頻間隙放電特性試驗

對于導線-塔身間隙，處于0.50m～2.00m的間隙距離數值內，海拔4300m地區的導線-塔身的工頻放電電壓數值相比較海拔0m的平原地區，其試驗結果小約24.0%～33.0%。而隨著間隙距離的不斷增大，導線-塔身的間隙工頻放電電壓海拔校正系數也在不斷增大。

2.2.4 空氣間隙取值

結合西藏地區高海拔的現實情況，針對220kV輸電線路研究得出空氣間隙的相關取值：處于4000m地區空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區理論值增加約0.75m，增加了52.4%；海拔處于4500m地區空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區理論值增加約0.88m，增加了61.7%；海拔處于5000m地區空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區理論值增加約1.03m，增加了71.7%。本文日常各種工況下空氣間隙的規范取值如表6所示。

表6 220kV 空氣間隙取值

考慮到西藏地區高海拔實際情況，針對110kV輸電線路和35kV輸電線路得出結論，海拔處于3500m～4000m地區空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區理論值增加約0.16m，增加了36%絕緣的裕度，海拔處于4000m～5000m地區空氣間隙的研究值相比較海拔0m的平原地區理論值增加約0.42m，增加了90%絕緣的裕度，如表7、8所示。

表7 110kV 空氣間隙取值

表8 35kV 空氣間隙取值

根據絕緣子的型號以及計算片數選取研究、高海拔地區220kV輸電線路空氣間隙放電研究特性分析可以得出，220kV線路推薦懸垂串采用雙聯120kN型號，V型絕緣子串采用雙聯120kN型號，跳線串采用單聯70kN型號。對220kV線路研究得出，4000m海拔時，研究值比理論計算值最大增加6片絕緣子，增加33.6%的絕緣裕度；4500m海拔時，研究值相比較理論值最大增加約6片絕緣子，增加了33.4%的絕緣裕度；5000m海拔時，研究值相比較理論值最大增加6片絕緣子，增加了26.4%的絕緣裕度。

110kV和35kV輸電線路絕緣子串推薦采用高質量70kN的瓷質絕緣子。懸垂絕緣子型號和金具型號采用單聯串的型式，耐張絕緣子型號和金具形式采用單聯串的型式。對110kV線路和35kV線路論證顯示，海拔處于3500m～4000m，可考慮架設9片絕緣子，海拔處于4000m～5000m，可考慮架設10片絕緣子；考慮調整改造可以全線增加3片絕緣子，研究值比理論值增加約30.1%的絕緣裕度。

3 結論

混壓同塔多回輸電線路能夠合理節約輸電線路空間走廊，降低開發成本，解決西藏地區線路走廊緊缺問題，同時減少了生態環境破壞。本文根據工程實際需求，進行高海拔220kV與110kV、220kV與35kV、110kV與35kV混壓同塔應用的絕緣型研究及配置，研究成果將應用于西藏35kV以上混壓同塔工程。在絕緣配合上，研究總結各電壓等級的輸電線路選擇絕緣子形式以及要求片數的數值，同時確定了各電壓等級下的空氣間隙取值，所有線路皆滿足規程要求。