输电线路操作冲击空气间隙计算及适用范围

周 刚，聂国一，梁 明，李育兵，刘 炯

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

自从 1965 年美国在海拔 3 200 m 的Leadvile山区开展了第一次全比例模拟高海拔地区空气间隙操作冲击试验后，国际电工委员会（IEC） 相继发布了 IEC60-1-1973、IEC60-1-1989、IEC71-2-1996三个标准，其中IEC60-1-1973被A.pigin等人在墨西哥所做试验所否定。由于IEC60-1-1989标准所依据的多在海拔2 000 m左右的棒—板和棒—棒型间隙的试验资料， 经M.Ramirez等人试验，认为该修正方法不太适合用于海拔3 000 m以上，因此在IEC71-2-1996[1]标准中限定为适用于海拔2 000 m以下，更高海拔慎用。国际大电网（CIGRE）文献和EPRI美国电科院参考书[2]推荐的A.M.Rizk物理模拟公式和M.Ramirez数学模拟公式可用于3 000 m的海拔修正。

随着我国高海拔地区输电线路的建设，中国电科院、重庆大学等科研单位，对高海拔地区操作冲击绝缘强度修正方法及间隙取值进行了大量的实验研究，如何利用国内外已有的实验数据，分析、比较并推导出直观的操作过电压间隙的拟合计算公式，同时研究IEC71-2-1996海拔修正方法所适用的海拔范围及海拔修正因子m取值计算是本文研究的主要目的。

1 不同海拔条件下空气间隙放电电压试验结果和拟合计算

1.1 海拔对空气放电电压的影响

空气间隙的放电特性与大气条件有着密切的关系，标准大气条件如下：

温度t0=20℃；

气压b0=101.3kPa；

绝对湿度h0=11g/cm3；

不同海拔高程下的相对空气密度计算公式如下：

放电电压变化可按下式进行修正：

式中：m为海拔修正因子，与间隙尺寸、冲击电压特性有关，对于雷电冲击和工频电压，m=1，对于操作冲击，m为变量；为为海拔高度，m；V0为海拔高度0时空气间隙的放电电压，kV；VH为海拔高度H时空气间隙的放电电压，kV。

1.2 不同海拔条件下空气间隙放电电压试验结果

1965 年美国在海拔 3 200 m 的 Leadvile 山区开展了第一次全比例模拟高海拔地区空气间隙操作冲击试验结果如表1所示。

表1 海拔修正因子

早期我国对海拔升高对外绝缘强度影响进行了大量试验研究，但电压等级一般在500 kV以下，海拔一般在3 500 m及以下，随着近年来在海拔4 000 m以上地区建设大量500 kV线路，特别是四川甘孜地区及川藏、藏中联网500 kV线路海拔超过5 000 m的出现，加之规划中的川渝、藏电外送特高压工程的推进，对高海拔外绝缘强度的研究、总结显得特别重要和紧迫。

为确保工程技术可靠、运行安全，在四川甘孜乡城—水洛500 kV输电项目设计中，中国电科院进行了试验研究[3]，进一步探讨了海拔对外绝缘强度的影响，如表2所示。

表2 乡城—水洛500 kV线路海拔分布一览表

中国电科院乡城—水洛500 kV输电线路高海拔空气间隙的操作冲击试验结果详见图1。

图1 海拔4 300 m空气间隙操作冲击实验曲线

中国电科院在西藏羊八井实验站进行了高海拔绝缘系列研究，相关实验数据分析如表3所示。

表3 羊八井实验站高海拔空气间隙的操作冲击试验数据

本文对收集的国内外其它5处高海拔21组全比例模拟空气间隙绝缘强度试验数据及分析如表4所示。

表4 高海拔空气间隙的操作冲击试验数据及分析

1.3 不同海拔条件下操作冲击空气间隙绝缘强度下降系数KH的拟合计算

通过对各试验数据进行数学拟合，本文提出了G0-g拟合计算公式，详见图2。

图2 G0-g关系曲线

根据以上数据得到的数学拟合公式(相关系数R=0.93)如下，：

1.4 拟合计算值与试验数据的误差分析

按照IEC、国际大电网（CIGRE）、美国电科院（EPRI）推荐的高海拔修正及本文提出的G0-g拟合计算共6种方法，结合国内外相关试验数据（主要分析海拔2 000 m以上数据），对高海拔操作冲击空气间隙绝缘强度下降系数KH进行拟合计算，通过与试验值的对比，其误差趋势曲线详见下图3。

图3 不同修正方法下空气间隙绝缘强度下降系数KH与试验值的误差比较曲线

通过分析比较，在海拔2 000 m以上地区，IEC72-1-1996计算得出的高海拔空气间隙绝缘强度下降系数KH与对应海拔高度下试验值相差0.2% ～ 5.59%(仅在海拔 2 930 m 间隙距离 3 m、5 m的试验值相差-7.32%和-7.33%)；本文推导的G0-g拟合法均小于5.5%，其余IEC60-1-1973、IEC60-1-1989计算值与试验值相差较大，海拔 2 000 m 以上达 10% 以上，在海拔 4 300 m时误差接近20%。Ramirez数学拟合公式、Rizk公式在海拔3 000 m以上相差在10%以上，最大达16%以上。

在IEC发布的方法中，以IEC71-2-1996中的曲线法与试验值误差最小，弃用IEC60-1是合适的。CIGRE(国际大电网)推荐的Rizk理论法和Ramirez拟合公式只能适用于海拔3 000 m以下地区。本文推导的G0-g拟合方法，在海拔2 000 m以上地区与IEC71-2-1996方法有很好的吻合。

从以上分析可以证明，IEC71-2-1996海拔修正方法可适用于海拔4 300 m以上地区，其误差满足工程设计要求。

2 海拔修正因子及操作冲击空气间隙的计算

2.1 海拔修正因子m值的拟合计算

IEC71-2-1996发布的海拔修正因子m为曲线形式，使用不方便，经过对曲线采用数学方法进行拟合可得出以下计算公式。

式中：Vcw为空气间隙耐受电压，kV，目前规范中均未直接给出其值，仅给出1 000 m海拔下各级电压相对地的操作过电压空气间隙值ds，m。

间隙耐受电压可由式(6)计算：

式中：kg为间隙因子，一般取1.2～1.3，其取值对m值计算结果影响较小，一般在2%左右，建议取平均值 。

通过联合求解(5)、(6)得到求解m(海拔修正因子)的通用计算公式如式(7)所示：

2.2 操作过电压空气间隙值的拟合计算

推导出计算各级电压在不同海拔高程下的相对地操作过电压空气间隙值模拟计算公式如式(8)所示。

采用(6)、(7)、(8)公式进行计算，可以较方便的初步估算得到各级电压在不同海拔高度下相对地的操作过电压间隙值如表5。

表5 220 kV～1 000 kV带电部分与杆塔构件操作过电压最小间隙计算值

计算值与已建500 kV线路操作过电压空气间隙取值比较如下表6：

表6 已建500 kV～1 000 kV线路不同海拔下操作过电压空气间隙值与计算值比较

3 结论

1)现行“线路设计规范”关于空气间隙操作冲击放电电压的海拔修正均推荐采用IEC71-2-1996中的图8曲线，但对其使用范围未作统一的限制说明，通过本文的比较分析，建议统一规定其使用海拔范围至海拔5 000 m。

2)IEC71-2-1996规定Vcw(间隙耐压)的计算公式为Vcw=Kcs×V2

其中Kcs可从IEC71-2-1996中的图8查得，但不甚方便，V2为操作过电压规定水平(2%概率)。

本文推导的公式(7)可替代IEC71-2-1996的图8曲线，通过公式(8)可方便地估算出各种电压等级在不同海拔高程条件下的操作过电压空气间隙值。

3)拟合计算得出的 500 kV、750 kV、1 000 kV电压等级在不同海拔高程下的操作冲击间隙值，通过与实际工程设计取值及实验数据的对比，误差较小，特别是与中国电科院开展的乡城～水洛500 kV外绝缘研究课题结论非常吻合，最大误差不超过5%。

4)对于500 kV及以下电压等级的线路，由于操作过电压间隙一般不控制塔头尺寸，因此计算值与线路设计取值的误差在5%以内，对塔头尺寸一般不产生影响。对于1 000 kV特高压线路而言，操作过电压间隙将控制塔头尺寸，通过与目前海拔 1 500 m 及以下 1 000 kV 线路的操作过电压间隙取值进行对比，拟合计算值与实验值、规程取值误差在3%以内，满足工程设计精度要求。

随着西南水电外送工程的规划建设，特别是规划的川渝地区特高压交流1 000 kV电网，其线路将通过四川甘孜海拔 3 000 m ～ 5 000 m地区，采用本文推导的操作过电压间隙拟合计算公式，可方便地计算出不同海拔高程下1 000 kV特高压线路的操作过电压间隙值，为工程设计中的杆塔规划、工程量估算及投资提供重要参考。