同塔多回交流输电线路绝缘平衡配置分析

2022-04-26阴春辉

山西建筑 2022年9期

阴春辉

(山西元工电力工程设计有限公司，山西太原 030000)

1 概述

随着经济的快速发展，用于经济建设的土地资源相对减少，并且输电线路在占地方面是一个廊道或将整个地块切开，造成了土地资源的浪费，所以在电力的高速发展中，城区、城郊和工业规划区等一并考虑远期规划和负荷的重要程度需要双回或者多回路供电，而目前，架空输电线路大都采用铁塔架设。当线路遭受内过和外过电压等故障，将导致双回输电线路同跳，危及生产设备安全甚至人身安全，但根据近年来各省市或地区运行情况，可知外过电压尤其是雷电直击、反击和绕击原因，占据了同塔多回线路同跳的90%，因此，防止架空输电线路双回、多回同跳需要引起人们的重视，本文就此通过对多回交流输电线路的绝缘配置调整，如何有效避免雷击同跳，减少故障率做分析。

2 多回线路防雷要求

1)针对多回输电线路，首先绝缘配置应满足不低于单回线路的防雷水平的基础上，再减少多回线路在雷击下同跳事件，避免雷击下整条线路全停。

2)针对多回输电线路，首先绝缘配置应满足不低于单回线路的防雷水平的基础上，再减少多回线路在雷击下同跳事件，避免雷击下整条线路全停。

3)针对多回输电线路，并且应降低杆塔接地电阻，加强线路的绝缘配置，并针对110 kV和220 kV线路首先采用不平衡绝缘配置，将雷击跳闸总数比例控制在10%内。

4)针对多回输电线路，在不同回路，采取增加或增大绝缘子爬电比距(或采用不同材质和盘型悬式瓷绝缘子、盘型悬式玻璃绝缘子和复合绝缘子)。

5)针对多回输电线路，在不同回路，采取增加或增大绝缘子爬电比距(或采用不同材质和盘型悬式瓷绝缘子、盘型悬式玻璃绝缘子和复合绝缘子)。

3 多回线路需加强绝缘配置

1)针对多回输电线路，首先应满足杆塔和当地污秽等级要求的绝缘配置，在海拔高度不超过1 000 m的地区，操作过电压和雷电过电压，需满足表1中的配置。

表1 操作过电压及雷电过电压要求悬垂绝缘子串最少片数

表1仅为悬垂直线要求的片数，对于耐张串110 kV,220 kV和500 kV应比表中的片数增加1片和2片。

针对40 m以上的杆塔，要求每增加10 m需相对应增加1片146 mm高度的绝缘子，对于全高超100 m的杆塔，绝缘子数量应通过反击计算并结合当地运行经验确定，前提需满足该项要求。

2)针对目前国内双回和多回线路，线路绝缘配置一般采用平衡高绝缘和不平衡差绝缘两种方式。

平衡高绝缘：即同塔双回或多回线中，每回每相均比常规配置增加2片～3片146 mm结构高度绝缘子，或者根据地区运行经验增加更多，根据国内外的经验，平衡高绝缘设计，能有效提高线路的内、外过电压，提高抗雷击能力，很大程度的降低了双回、多回同跳事故，效果非常明显，据查资料可知，国外发达国家双回线路均采用平衡高绝缘配置方式。

不平衡差绝缘：即其中一回路采用常规绝缘配置方式，另一回采用均比常规配置增加2片～3片146 mm结构高度绝缘子，或者根据地区运行经验增加更多，即两回输电线路绝缘配置有差值，采用该绝缘配置方式时，当线路发生过电压时，常规绝缘配置的一回线路发生闪络，而此时该回线路相当于一根地线，过电压产生的电流会迅速流入大地，保护了另一回输电线路的安全，此种运行方式是以一回输电线路的安全运行为代价，来降低跳闸率。

4 防止多回同跳的措施

根据雷电反击耐雷水平ATO-EMTP建模和连续仿真计算以及采用GB/T 50064规定的计算方法，可得知采用不平衡高绝缘配置下，计算结果110 kV和220 kV双回同跳率分别为常规配置的0.29和0.35。

不平衡度选用计算如下：

根据相关计算，绝缘子上相最容易放电。当线路的上相放电时，此导线相位相当于1条地线，因为多条地线的耦合系数的计算可用式(1)简单计算[1]。

K0(12.3)={ln(D13/d13)+
ln(D23/d23)}/{ln(2h1/r1)+ln(D12/d12)}

(1)

其中，r1为线1的半径；h1为线1的平均高度;d12,d13,d23分别为线1与线2间、线1与线3间、线2与线3间的距离；D12,D13,D23分别为线1与线2镜像间、线1与线3镜像间、线2与线3镜像间的距离。

根据式(1)计算可知，导线平均高度越高，与避雷线间的距离越近，耦合系数越大。因此在计算最大耦合系数差时可取上、下相的耦合系数之差。假设110 kV和220 kV的避雷线分别为OPGW-80，OPGW-120，110 kV和220 kV的绝缘子串长度分别取2.61 m，4.19 m，不同电压等级因其拉断力不同避雷线的弧垂分别取4.5 m，4.0 m，相同导线的弧垂相同。计算可得知在相同导线高度下，电压等级越高耦合系数差越大。

作为工程计算，需要进行简化处理，将放电线和相邻地线用作分离地线，并且根据部分计算公式计算分割线半径和有效半径。

不同相导线的瞬间工频电压最大差计算如下：

Ui=1.1√2U。

根据上式计算得知110 kV和220 kV的瞬间工频电压最大差为171.1 kV和342.2 kV。

不同相绝缘子绝缘差计算如下：

ΔU=(ΔkβRi-ΔhaβL0/2.6-Δhc/2.6)I1。

其中，ΔU为下相对上相绝缘子的电压差；Δk为考虑电晕影响上相对下相的耦合系数差；Δha为上相对下相的挂点差；Δhc为上相对下相的导线平均高度差；I1为反击耐雷水平。

针对110 kV和220 kV双回路铁塔上下相绝缘子雷电压差的计算得知，110 kV平均呼高36 m时，绝缘子片数差为5片，220 kV平均呼高36 m时，绝缘子片数差为11片。

针对上述计算，如果单纯考虑同时跳闸率，增加绝缘子串长，导线对地弧垂会减小，投资势必会增大，不切合实际，根据实际运行经验，线路在实际中不需要按上述配置，依据DL/T 620—2016交流电气装置过电压保护和绝缘配合[2]和DL/T 1784—2017多雷区110 kV～500 kV交流同塔多回输电线路防雷技术导则[3]的规定，针对双回线路，110 kV和220 kV采用不平衡绝缘配置，即一回线路为常规配置，另一回增加配置，按增加2片146 mm瓷绝缘子设计。

对四回输电线路，对于110 kV输电线路，需保持上层一回按常规绝缘配置，其他三回均按增加配置，按增加2片146 mm瓷绝缘子设计；对于220 kV输电线路，需保持上层一回按常规绝缘配置，其他三回均按增加配置，按增加3片146 mm瓷绝缘子设计；对于110 kV和220 kV同塔4回输电线路可按下层110 kV其中一回常规绝缘配置，另一回增加配置，按增加2片146 mm瓷绝缘子设计，而220 kV则两回保持常规配置即可。具体可按表2中表述配置。

表2 绝缘配置(片数)

5 实例选型分析

山西阳光集团股份有限公司阳光220 kV输变电工程220 kV线路工程，新建候家庄220 kV变电站-阳光220 kV变电站220 kV线路，路径长9.773 km，全线220 kV/110 kV混压四回路架设,两回220 kV挂于铁塔上层，两回110 kV挂于铁塔下层。

设计条件：基本风速27 m/s，覆冰厚度10 mm。采用2×JL/G1A-300/25钢芯铝绞线。两根地线均采用48芯OPGW光缆，沿线海拔高度395 m～495 m。污区分布，全线处于e级污秽区。

5.1 绝缘子选型

目前我国高压架空送电线路上经常使用的绝缘子，主要型式有以下三种：瓷绝缘子、钢化玻璃绝缘子和复合绝缘子。

经过以上对几种常用绝缘子优、缺点的比较，为减少线路污闪事故的发生，缩短停电时间，减少维护和检修工作量，导线悬垂串采用复合绝缘子。考虑导线跳线串受力小，清扫困难，为加强防污闪能力，导线跳线串选用复合绝缘子。

导线耐张串较悬垂串受力大得多，考虑到复合绝缘子机械强度有蠕变特性，以及国产复合绝缘子目前尚存在运行中机械强度下降的问题，因而导线耐张串不推荐用复合绝缘子。传统的钢化玻璃或瓷绝缘子具有长期的运行经验，并且导线耐张串极少发生污闪事故；另外考虑本工程所经地区降雨量大，自洁能力强，同时参照本工程附近线路均采用钢化玻璃绝缘子，因此本工程导线耐张串拟推荐使用钢化玻璃绝缘子。

5.2 绝缘子片数选择

依据DL/T 620—2016交流电气装置过电压保护和绝缘配合的规定，由工频电压爬电距离要求的线路每串绝缘子片数应符合下式要求：

其中，N为每串绝缘子片数；λ为要求的爬电比距,cm/kV;Lo为每片绝缘子几何爬电距离，cm；Um为系统标称电压，kV；Ke为有效系数，对双伞结构的瓷绝缘子，500 kV及以下线路，按Ke=1.0。

5.3 按操作过电压和雷电过电压选择绝缘子片数

根据GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范的要求：

在海拔1 000 m以下地区，操作过电压及雷电过电压要求的悬垂绝缘子串绝缘子片数，不应小于 13片(单片绝缘子的结构高度146 mm)，耐张塔绝缘子串绝缘子片数不应小于14片(单片绝缘子的结构高度146 mm)。

为保持高塔的耐雷性能，全高超过40 m有地线的杆塔，高度每增加10 m，应增加1片高度为146 mm的绝缘子。

按照上述要求，最高塔高为50 m时，悬垂串的绝缘子片数不应小于14片，耐张串绝缘子片数不应小于15片；最高塔高超过60 m时，悬垂串的绝缘子片数不应小于15片，耐张串绝缘子片数不应小于16片；最高塔高超过70 m时，悬垂串的绝缘子片数不应小于16片，耐张串绝缘子片数不应小于17片，本工程全高杆塔最高为68 m，选择满足要求。

本工程按爬电比距配置的悬垂串为1片大帽瓷绝缘子加1支复合绝缘子，爬电距离分别为300 mm和6 340 mm，相当于钢化玻璃绝缘子或瓷绝缘子19片，满足要求。

5.4 高海拔修正

根据GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范要求，高海拔地区绝缘子片数，按下式计算：

nH=ne0.121 5m1(H-1 000)/1 000。

其中，nH为高海拔地区每联绝缘子所需片数；H为海拔高度，m；m1为特征系数。

结合本工程线路所经过地区的海拔高度为495 m，小于1 000 m,不需修正。

5.5 多回线路不平衡差绝缘配置修正

因为本工程选用的是4回路铁塔，考虑下层挂110 kV线路，依据交流多回线路防雷技术导则，本期双回220 kV统一平衡配置考虑，110 kV按不平衡绝缘配置，即其中一回增加2片绝缘子，其余三回常规配置即可，配置见表3。

表3 不平衡绝缘配置要求修正片数

选择绝缘子如下：

1)导线耐张串。线路侧耐张串采用2×19片U120BP/146D型防污型瓷绝缘子，破坏荷载为120 kN，单片爬电距离450 mm，结构高度146 mm，统一爬电距离为61.19 mm/kV。

2)进出线档耐张串。进出线档耐张串选择2×19片U70BP/146D防污型瓷绝缘子组成，破坏荷载为70 kN，单片爬电距离450 mm，结构高度146 mm，统一爬电比距达到61.19 mm/kV。

3)导线悬垂串及跳线串。导线悬垂串及跳线串采用1片大帽瓷绝缘子U120BP/146M(爬电距离365 mm，结构高度146 mm)加FXBW-220/120-3复合绝缘子(爬电距离7 040 mm，结构高度2 470 mm)，折算统一爬电距离为69.79 mm/kV。

由于本工程直线采用复合绝缘子，耐张采用玻璃绝缘子，故一回直线采用FXBW-220/120-2,另一回采用FXBW-220/120-3，满足要求(见表4)。

表4 复合绝缘子参数表

合理选择两种绝缘方式，需要根据双回线路电源的可靠性，如本工程为侯家庄220 kV变电站双回出线至阳光220 kV变电站，电源站只有侯家庄站，可靠性较低，故建议采用不平衡差绝缘方式，使一回输电线路不停电，以保护和提高阳光变电站的可靠性。假设侯家庄供电负荷侧为阳光站和另一个站，且负荷侧变电站都为双电源，则可采用平衡高绝缘配置，可以提高双回路部分的整体防雷水平，又不影响负荷侧另一条线路，故采用平衡高绝缘配置。

四回路铁塔差绝缘配置见图1,110 kV差绝缘耐张串图见图2。