操作冲击电压下的空气间隙确定方法优化

10.3.2.1　波头时间

在确定操作冲击下的空气间隙距离时，首先需要确定操作冲击波的波形。操作过电压下空气间隙的放电电压与操作过电压波头长度相关，对于1000kV特高压电网，文献[16]推荐标准操作冲击波波头时间取1000μs，俄罗斯特高压标准也推荐操作波波头时间取1000μs。浙江大学通过对特高压线路仿真计算得出，各种操作过电压的波头长度在800～4500μs之间，其中95%以上操作过电压波头长度大于1000μs。文献[17]给出波头时间与放电电压关系曲线如图10-11所示，在1000～5000μs之间，随波头时间增加，间隙放电电压略有上升，故试验中采用波头为1000μs操作电压波，可以使试验结果适当保证一定裕度。因此，通常采用波头为1000μs操作过电压波作为冲击试验过电压波。

图10-11　波头时间对间隙放电电压的影响

10.3.2.2　操作过电压要求值

操作冲击电压下间隙放电电压应满足下式要求：

式中，Us为沿线最大的统计2%操作过电压，取1.7p.u.；ks为安全裕度，取1；ka为海拔修正系数，操作冲击下海拔修正因子m=0.39，H=500m时，ka=1.024；H=1000m时，ka=1.048；H=1500m时ka=1.072。

配合系数kc计算如式（10-39）所示，其中取并联间隙数m=100，Z=2.45，取0.06[4]。

国标GB/Z24842-2009《1000kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合》中建议，配合系数kc对I串绝缘子，建议取1.26；对V串绝缘子，建议取1.27。实际上，式（10-39）计算结果与国标建议值十分接近，本节计算中配合系数kc采用国标建议值。

Ⅰ串单间隙操作冲击放电电压要求值如下：

H=500m时U50.1.r.s=kskckaUs=1×1.26×1.024Us=1970（kV）

H=1000m时U50.1.r.s=1×1.26×1.048Us=2016（kV）

H=1500m时U50.1.r.s=1×1.26×1.072Us=2062（kV）

Ⅴ串单间隙操作冲击放电电压要求值如下：

H=500m时U50.1.r=kskckaUs=1×1.27×1.024Us=1986（kV）

H=1000m时U50.1.r=1×1.27×1.048Us=2032（kV）

H=1500m时U50.1.r=1×1.27×1.072Us=2079（kV）

10.3.2.3　特高压单回真型塔试验布置与放电曲线

对于单回杆塔，边相导线绝缘子串为I串，需要考虑风偏的影响，主要校核导线与塔身的间隙距离；中相导线为V串，无需考虑风偏影响，主要校核导线对塔窗的间隙距离。因此，边相与中相应分别予以讨论。

（1）边相导线

对于边相导线，在操作过电压下考虑风偏角为20°，两种典型单回杆塔的边相导线操作冲击放电电压试验布置如图10-12所示，其波头时间为250μs的放电电压曲线如图10-13所示。

图10-12　单回塔操作过电压放电试验布置

对于特高压单回真型塔，应该使用波头时间Tf=1000μs的操作冲击放电电压曲线，因此需要对波头时间Tf=250μs的操作冲击放电电压曲线进行等效转换。

文献[18]指出，波头时间Tf=1000μs的边相操作冲击放电电压比Tf=250μs的边相操作冲击放电电压约高7%左右。由上一小节中计算得出的I串单间隙操作冲击放电电压要求值（波头时间1000μs），乘以0.93即得到波头时间为250μs波头的放电电压要求值，再由图10-13，可以得出操作冲击电压下单回塔边相所要求的间隙距离，如表10-17所示。

图10-13　酒杯塔与猫头塔边相放电电压曲线

表10-17　操作冲击电压下单回塔边相间隙距离

注：操作放电电压要求值均为I串绝缘子间隙耐受电压

在确定操作冲击电压下的空气间隙时，应保证在风偏角20°下，间隙距离应不小于表10-17所给数值。国标GB/Z24842-2009《1000kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合》中建议工频电压下间隙距离要求值如表10-18所示，与表10-17所得的结果相吻合。

表10-18　操作过电压下单回塔边相最小空气间隙要求值

（2）中相导线

对于中相导线，绝缘子串为V型串，当串长确定后，导线对塔窗的距离也随之确定，且不受风偏影响。试验布置如图10-14所示。

图10-14　酒杯塔与猫头塔中相操作冲击试验布置

两种布置下1000μs操作冲击放电电压如表10-19所示[9]：

表10-19　酒杯塔与猫头塔中相导线对杆塔操作冲击放电电压

根据上一节计算结果，海拔500m时，V串绝缘子操作冲击放电电压要求值为1986kV，此时酒杯塔和猫头塔这两种布置方式均满足操作冲击放电间隙，两种杆塔均可应用在海拔500m的特高压电网中。在海拔1000m时，猫头塔放电电压低于要求值2032kV，可能发生击穿，而酒杯塔放电电压满足要求值，因此建议在海拔1000m时，线路采用酒杯塔。海拔1500m时，猫头塔放电电压低于要求值2079kV，可能发生击穿，而酒杯塔放电电压满足要求值，因此建议在海拔1500m时，线路采用酒杯塔。

操作过电压下中相间隙距离要求值如表10-20所示[16]。

表10-20　操作过电压下中相间隙距离推荐值

注：斜线上下分别代表中相带电体对斜铁和上横梁的距离。

综合来说，猫头塔塔窗较小，中相空气间隙较小，主要应用于低海拔地区；酒杯塔塔窗较大，中相空气间隙较大，线间距离也较大，主要适用于高海拔地区。

10.3.2.4　特高压双回真型塔试验布置与放电曲线

操作过电压下，双回杆塔的V串和I串绝缘子与杆塔的间隙距离都需进行校核，下面分别讨论I串与V串绝缘子操作过电压试验布置与放电曲线。由于上相与中相均是导线对塔身的放电，两者放电形式基本相同，考虑同等间隙下中相导线的击穿电压要略低于上相导线，从严考虑上相导线空气间隙的确定可以参照中相导线的试验结果。因此，试验主要针对中相和下相进行。对上相的空气间隙距离要求与中相导线相同。

实际上，在操作过电压情况下，对于双回杆塔的V串和I串绝缘子悬挂导线与杆塔的间隙距离，重点是校核导线与相邻下横担之间的空气间隙距离。对于上相导线和中相导线，其与相邻上横担和塔身之间的距离一般都能满足要求；对于下相导线，其与相邻上横担和塔腿之间的距离也都能满足要求。故实际中，导线对相邻上横担、塔身和塔腿之间的间隙距离都可以不再进行校核。

1）I串绝缘子

I串绝缘子试验布置如图10-15所示。对于实际杆塔，当模拟风偏角为20°左右时，中相导线与杆塔中相横担和塔身距离通常在9m以上，间隙距离通常满足操作放电电压要求，故放电一般发生在导线与下横担之间的间隙d1。而对于下相导线，其与杆塔下相横担距离通常在8m以上，故放电通常发生在导线与塔身之间的间隙d2。

图10-15　双回塔I串中相与下相导线对杆塔间隙操作冲击试验布置

导线对杆塔放电电压曲线如图10-16所示[16]。(www.xing528.com)

图10-16　操作冲击下双回塔I串绝缘子间隙放电电压曲线

根据操作冲击放电电压要求，查上述相关放电电压曲线，可得出双回塔I串绝缘子操作冲击放电电压要求值所对应的间隙距离，如表10-21所示。

表10-21　操作冲击放电电压要求值对应的双回塔边相间隙距离

注：a为中相导线对下横担放电电压曲线，b为下相导线对塔身放电电压曲线。

国标GB/Z24842-2009《1000kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合》中建议双回塔边相操作冲击电压下间隙距离要求值如表10-22所示，与表10-21所得的结果相吻合。

表10-22　操作电压下双回塔边相最小空气间隙要求值

2）V串绝缘子

在操作过电压下，V型绝缘子串导线不受风偏的影响，但是需要校核导线对横担和塔身的空气间隙是否满足操作冲击波放电电压要求。分中相导线和下相导线两种情况。

（1）中相导线

V串绝缘子中相导线运行时布置如图10-17所示。

图10-17　V串绝缘子中相导线运行时布置

对于导线对塔身的距离d2和导线对中相横担的距离d3的确定，考虑绝缘子串长最短（片数最少）的最严重情况。对于海拔高度H=500m的情况，绝缘子串长至少11.5m，考虑V串绝缘子夹角为90°，计算得到导线对中相横担距离至少为8.13m，导线对塔身距离也至少为7.13m（考虑塔身倾斜度的估算值），此时导线对杆塔中相横担和塔身的最短间隙距离如表10-23所示。

表10-23　双回塔V串绝缘子中相导线对杆塔空气间隙距离

注：V串绝缘子夹角为90°，导线对杆塔距离均为根据绝缘子长度计算并考虑一定裕度得出。

双回塔V串中相导线对杆塔塔身和横担间隙操作冲击试验布置如图10-18所示，放电电压曲线如图10-19所示。

图10-18　双回塔V串中相导线对塔身和横担间隙操作冲击试验布置

由不同海拔高度下的操作过电压放电要求值，结合图10-19放电电压曲线，可以得到双回塔V串中相导线对中相横担要求距离、对塔身要求距离，如表10-24所示。

图10-19　双回塔V串中相导线对中横担和塔身间隙操作冲击（1000μs）50%放电电压曲线

对比表10-23和表10-24可以看出，在不同海拔高度情况下，即使考虑清洁区绝缘子片数最少（导线对杆塔的下横担与塔身间隙距离最短）这种最严重情况，导线对中横担和塔身间隙的放电电压都能满足操作冲击放电电压要求值，并且留有适当的裕度。因此，在校核双回塔V串空气间隙时，可以不考虑导线对塔身和中横担间隙，只需对导线对下相横担间隙d1进行校核。

表10-24　双回塔V串绝缘子中相导线对杆塔空气间隙要求距离

中相导线空气间隙试验布置如图10-20所示，导线对下横担放电电压曲线如图10-21所示[16]。

图10-20　中相V串导线空气间隙操作过电压试验布置

根据操作冲击放电电压要求值，查图10-21中放电电压曲线，可得出操作放电电压要求值对应的间隙距离，如表10-25所示。

图10-21　V串中相导线对下横担间隙操作冲击（1000μs）50%放电电压曲线

中相导线对下横担间隙距离应大于表10-25所列数值。

表10-25　操作冲击电压下的V串中相导线对下横担间隙要求距离

国标GB/Z24842-2009《1000kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合》中建议双回塔边相操作冲击电压下间隙距离要求值如表10-26所示，与表10-25中推得的结果相吻合。

表10-26　操作电压下双回塔边相最小空气间隙要求值

（2）下相导线

对于下相导线，需要校验的间隙为导线到塔身、导线到下横担的间隙距离，如图10-22所示。对于海拔高度H=500m的情况（考虑清洁区绝缘子片数最少，此时导线对杆塔的下横担与塔身间隙距离最短），绝缘子串长至少11.5m，考虑V串绝缘子夹角为90°，计算得到导线对下相横担距离至少为8.13m，导线对塔身距离也至少为7.13m（考虑塔身倾斜度的估算值），此时导线对杆塔下相横担和塔腿的最短间隙距离如表10-27所示。

表10-27　双回塔V串绝缘子下相导线对下相横担和塔腿的最短间隙距离

图10-22　下相导线运行布置

试验布置如图10-23所示，首先保持d2为8.0m，改变下相导线对下横担间隙距离d1，可以得到下相导线与下横担的放电电压U50与间隙距离d1之间的关系曲线，如图10-24（a）所示；然后保持d1为9.0m，改变下相导线与塔腿之间的间隙距离d2，得到导线与塔腿的放电电压U50与间隙距离d2之间的关系曲线，如图10-24（b）所示[16]。

图10-23　双回塔V串下相导线对杆塔间隙操作冲击试验布置

图10-24　双回塔V串下相导线对下横担和塔腿间隙操作冲击（1000μs）50%放电电压曲线

由不同海拔高度下的操作过电压放电要求值，结合图10-19放电电压曲线，可以得到双回塔V串下相导线对下横担要求距离、对塔腿要求距离，如表10-28所示。

表10-28　双回塔V串绝缘子下相导线对下横担、塔腿空气间隙要求距离

对比表10-27和表10-28可以看出，在不同海拔高度情况下，即使考虑清洁区绝缘子片数最少（导线对杆塔的下横担与塔身间隙距离最短）这种最严重情况，导线对下横担和塔腿间隙的放电电压都满足操作冲击放电电压要求值，并且留有适当裕度。因此，实际中不需校核下相导线对杆塔间隙，认为其满足操作冲击放电电压要求。

对于双回杆塔，在操作过电压情况下，导线对相邻上横担的距离主要由绝缘子串长决定，一般都能满足间隙距离要求；导线对塔身和塔腿之间的距离主要由导线的电磁环境（为满足可闻噪声和无线电干扰要求，导线与导线之间必须保证足够的间隙距离）决定，一般也都能满足考虑操作冲击的放电电压间隙距离要求；导线对相邻下横担的间隙距离是重点校核对象。