确定特高压线路空气间隙的方法与意义

输电线路考虑的空气间隙主要有：导线对大地、导线对导线、导线对架空地线和导线对杆塔及横担。导线对地面的高度主要是考虑穿越导线下的最高物体与导线间的安全距离；导线间的距离主要由导线弧垂最低点在风力作用下，发生异步摇摆时能耐受工作电压的最小间隙确定；导线对地线的间隙，由雷击避雷线档距中间不引起导线空气间隙击穿的条件来确定。对于特高压线路空气间隙的确定，最重要的是确定导线对杆塔及横担的间隙。

对于特高压输电线路，在确定空气间隙时，需要考虑以下几点：

1）过电压波形

电压波形主要指波头和波尾长度，其中波头时间会对操作冲击下间隙击穿电压产生较大影响。在超高压系统中，试验操作过电压波头长度采用250μs，而在特高压系统中，95%的操作过电压波头长度在1000μs以上。因此，在进行特高压操作冲击试验时需要对操作过电压波头长度进行规定，保证试验结果符合特高压电网的要求。

2）杆塔侧面宽度

空气间隙处的杆塔侧面宽度和对特高压线路杆塔空气间隙的放电电压有明显影响。杆塔侧面宽度增加，杆塔空气间隙的操作冲击放电电压会随之降低。苏联学者根据实验室试验结果，认为塔身宽度对空气间隙放电电压的影响可用如下关系表示[13，14]：

式中，U50（ω）——塔身宽度为（ω）时的放电电压；

U50（1）——塔身宽度为1m时的放电电压；

ω——塔身宽度，m。

3）风偏角的影响

就线路空气间隙击穿电压而言，雷电过电压幅值最高，操作过电压次之，工作电压最低。但就电压作用时间来说，则顺序相反。在确定导线对杆塔间隙距离时，必须考虑风力作用下绝缘子串摇摆的风偏角。由于工作电压长时间作用于导线上，计算取百年一遇最大风速相应的风偏角θp；操作过电压持续时间较短，计算采用最大风速的50%下的风偏角θs；雷电过电压持续时间极短，计算采用10m/s风速下的风偏角θl。试验中模拟绝缘子在工作电压、操作过电压和雷电过电压下对杆塔放电时的风偏角分别设定为50°、20°和12°。

4）杆塔结构

在确定线路空气间隙时，不仅要考虑风偏的影响，还应该考虑杆塔结构的因素。特高压线路中的杆塔主要有猫头塔、酒杯塔和双回塔，其结构如图10-4所示。

图10-4　特高压杆结构图

可以看出，猫头塔和酒杯塔的边相导线对杆塔的空气间隙受风偏影响，需要分别校核三种过电压下间隙距离能否满足要求；而中相导线由于受V型绝缘子串的拉力作用，不受风偏影响，只需校核其线路空气间隙能否满足操作过电压和雷电过电压的放电距离要求。

对于双回杆塔，由于绝缘子串长度较长，实际上导线很难对上横担发生放电，主要考虑导线对相邻下横担和导线对塔身的间隙。当采用I串绝缘子时，三相间隙都需考虑风偏的影响。对上相和中相导线空气间隙距离进行校核时，无论采用I型或是V型绝缘子串，都要考虑相邻下横担的影响。对于导线对相邻下横担的空气间隙，由于上相和中相与相邻下横担的空气间隙基本相同，上相与相邻下横担的间隙距离一般可参照中相与相邻下横担的试验结果。另外，对于导线对塔身的空气间隙，由于与中相导线相邻的塔身宽度大于上相导线相邻的塔身宽度，同等间隙下中相导线的击穿电压会略低于上相导线，故上相导线空气间隙的确定可以参照中相导线的试验结果，这样还能保证一定裕度。

考虑到相邻导线间有横担或塔窗的间隔，因此对导线相间的距离通常不作规定。

5）多间隙并联对放电电压和放电电压变异系数的影响

所谓多间隙并联放电电压，指的是一段线路有多基杆塔，每基杆塔都有相应的导线对杆塔的空气间隙，而这段线路的空气间隙放电电压，即为多个间隙并联后的放电电压。

多个间隙并联时的击穿电压要低于单间隙时的放电电压，两者关系如下式[4]。

式中，U50.m和U50.1分别代表并联m个间隙和单个间隙的50%放电电压，Z取决于并联间隙数m，为单间隙的放电电压变异系数。

多间隙放电电压变异系数与单间隙放电电压变异系数关系如下式[4]。

不同电压下，间隙数m的确定原则不同。在工频电压下，并联间隙数m的确定主要是考虑导线同时有最大风偏角的杆塔数；操作过电压下（通常取沿线最大的统计2%操作过电压为典型操作过电压），主要考虑线路上出现典型操作过电压的线路长度。参考苏联特高压线路的设计和运行经验，可取m=100，这已经是从严考虑了。因此，参考国内外经验，通常取m=100。不同并联间隙数m对Z和β的影响如表10-14所示[4]。

表10-14　并联间隙数m对Z和β的影响

由于线路间隙放电电压存在分散性，取线路绝缘的闪络概率不大于0.13%，则考虑工频电压多间隙并联的放电电压U50.m应满足下式，为

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式中，Un.m为系统最高运行电压。

将式（10-25）代入式（10-27）可以得到：

由此可以得到，考虑多个间隙并联影响时单间隙50%放电电压U50.1应满足下式，为

考虑工频电压情况下所要求的单间隙50%放电电压U50.1.r.pf为

类似地，考虑操作过电压情况下所要求的单间隙50%放电电压U50.1.r.s为

式（10-32）中，US为特高压交流输电线路沿线最大的统计（2%）操作过电压水平，取1.7p.u.，即

在工频电压情况下，通常取单间隙放电电压变异系数；而在操作过电压情况下，单间隙放电电压变异系数会比工频电压情况下更大，此时通常取[4]。

6）海拔高度对空气间隙放电电压影响

空气间隙放电电压），转换为海拔高度为H（m）地区的放电电压（），可按如下公式校正。

式中，Up0为标准气象条件下的空气间隙放电电压或耐受电压要求值，kV；ka为海拔校正系数。

校正系数ka的计算，可参考文献[15]，为

式中，m取值如下：空气间隙和清洁绝缘子的短时耐受电压，m=1.0；雷电冲击电压，m=1.0；操作冲击电压，m按图10-5选取。

图10-5　各种操作冲击耐受电压下的m值

注：a为相对地绝缘；b为纵绝缘；c为相间绝缘；d为棒板间隙（标准间隙）

以海拔1000m时特高压线路操作冲击下的空气间隙校核为例，来说明海拔校正的步骤。

计算标准大气条件下的空气间隙50%操作冲击放电电压要求值为

U50.1r=kskcUs=1×1.26×1.7×898=1924（kV）

确定m值。线路空气间隙为导线对杆塔的间隙，属于相对地绝缘，选择曲线a，放电电压在1900kV以上，可知m值在0.35～0.4之间，为保留一定裕度，取m=0.39。

计算海拔校正因数为

ka=em（H/8150）=e0.39×1000/8150=1.049

校正放电电压为