西藏高海拔地区混压同塔多回输电线路绝缘配合研究

郭琳玲

国网西藏电力有限公司，西藏拉萨，852000

0 引言

中国新型电力系统的发展和建设以风能、光能为主，常规水电、抽水蓄能和储能作为风、光电消纳的补偿电源，并逐步降低火电和核电在电力系统中的占比，构建水-风-光-储互补协同运行的绿色、清洁电力系统，响应“碳达峰、碳中和”，最终实现节能减排目标和电力系统的可持续发展[1]。随着“十四五”规划在维护生态的前提下启动大型水电建设，西藏地区将成为水、光清洁能源开发的第一梯队，新增新能源外送通道迫在眉睫。

西藏高海拔地区属于典型的高原自然环境，植被生长极为缓慢，生态系统极其脆弱，地形条件恶劣，现场施工条件极差，运行环境恶劣，开辟电力走廊非常困难，导致输电线路电力走廊资源难以满足电力建设需求，随着西藏电力建设的高峰期到来，这些客观条件必将要求电能需求和输电线路走廊做到协调配合。为解决这一矛盾，同时有效降低电力建设对西藏地区清洁能源开发和生态环境的影响，需要开展西藏高海拔地区220kV与110kV、220kV与35kV、110kV与35kV交流混压同塔多回输电线路绝缘配合研究。绝缘配合研究是整个输电线路研究的重要部分，其中绝缘配合主要是对绝缘子串的选择以及空气间隙距离的计算取值。我国许多地区夏季雷雨天气频发，据统计，高压架空线路跳闸事故中，由雷击导致的占40%～70%[2]。目前，国内关于混压同塔多回线路的防雷研究和绝缘配合以及影响因素等都有一定的研究，然而却没有详细的计算分析[3-6]。

同塔多回输电线路的避雷器的安装位置与导线的防雷击效应息息相关[7]。最终研究得出：同塔双回220kV输电线路装一只避雷器时建议安装在横担最下方；装两支避雷器时建议安装在横担中间和最下方。同塔四回线路装避雷器建议安装在横担下方两回线路的最上方和横担最上方右侧。Malicki等阐述了如何有效地结合不同的方法来支持绝缘协调研究，利用EMTP-ATP的电几何模型和仿真，预测了两种混合塔架结构的雷击发生率和停电范围[8]。

1 高海拔绝缘子型号和片数

1.1 污区划分和爬电距离

由于西藏地区无污区划分图，因此线路污区划分只能根据线路所经区域环境条件、污秽情况调查、污湿特性分析和以往西藏地区架空线路运行经验等展开。随着国内污染工业企业数量增多，大气环境污秽逐渐蔓延至无工业污染地区，因此，即使线路沿线基本无工业污染，西藏地区也无清洁区（0级区）可言。根据现场调查情况，本次课题研究线路沿线多处于道路、县城设施、乡村周边，同时沿线多处存在新建铁路和公路修建等地段，全线均为C级污区。同时根据国家电网公司要求，C级以下污区均提高一级配置，因此，本文选取C级污秽区进行全线的绝缘配置，所选绝缘子其爬电比距都取为39.4mm/kV。绝缘子片数选择在考虑了线路污湿特性后，还应进行污秽条件下的高海拔修正。

1.2 绝缘子型式

合成绝缘子相较于其他型式的绝缘子，具有耐污性能好、抗外力打击能力强等优势，但对于途经高海拔、强紫外线地区的线路，其合成绝缘子的性能可能会降低。同时，考虑到西藏地区现状220kV线路的运行规律及经验，220kV线路中盘型绝缘子具有非常成熟的施工、运检经验。因此，本文选择采用盘型绝缘子来实现线路的绝缘配置。

1.3 绝缘子强度及特性

结合西藏地区高海拔实际现状，绝缘子串的机械受力安全系数数值大于或等于表1所规定数值。

表1 绝缘子机械强度安全系数

比较西藏地区输电线路绝缘子研究选型和经验运行，通过对绝缘子的荷载做安全校验，为便于长期运行维护并严格考虑绝缘子不耐受外界打击的缺陷，本次课题研究110kV和35kV线路绝缘子推荐采用70kN高质量瓷质绝缘子。悬垂铁塔的绝缘子以及金具串采用单串型式，耐张塔的绝缘子以及金具串采用单联串型式。220kV线路推荐悬垂串采用双联120kN型号，V型绝缘子串采用双联120kN型号，跳线串采用单联70kN型号。

在输电电压不断提高、过电压水平不断下降及过电压保护设备日趋完善的今天，工频电压下的绝缘性能是确定绝缘子串长度的控制因素。污耐压法是采用试验而得到的绝缘子在实际不同污秽条件下的最大承受电压污闪，使最终选择的绝缘子串的最大承受电压污闪大于此输电线路的运行最大电压，且要保证所选数值留有一定的安全性裕度。确定高海拔地区输电线路污秽外绝缘配置的方法就是以平原地区输变电设备外绝缘配置的选择为基础，找出污闪电压随海拔升高而降低的规律，计算出海拔地区所需输电线路外绝缘配置。

1.4 绝缘子片数

目前我国仍广泛采用爬电比距法选择绝缘子片数，西藏地区输电线路绝缘子研究选型和经验运行有关研究经验，对于不同污区和海拔，本次课题研究绝缘子片数计算结果详见表2。

表2 220kV 线路特定污区和对应海拔下的绝缘子片数计算表

国网西藏电力有限公司邀请国家电网公司生产运维组织相关专家对输电线路设计、施工、运行等部门进行全面、细致的审查和实地考察调研，通过计算并参考西藏地区220kV线路、110kV线路以及35kV线路的设计运行经验，考虑本线路在系统中的重要作用，加之外部条件恶劣、高海拔试验数据较少、运行经验不足，为保证线路安全运行，在绝缘强度上适当留有裕度。对线路实施调爬改造后，增加了绝缘子片数以及塔头空气间隙。对220kV线路研究得出，整条线路的悬垂绝缘子串片数选择如表3所示。

表3 220kV 线路工频电压绝缘子片数选择结果

表4 110kV 线路工频电压绝缘子片数选择结果

表5 35kV 工频电压绝缘子片数选择结果

2 220kV高海拔输电线路放电空气间隙特性研究

在国家电网有限公司西藏地区高海拔工程（海拔4300m），采用与内地海拔较低地区的实验塔头基本相同的研究，计算研究出导线的边相-铁塔塔身距离间隙的工频电压放电、操作冲击和雷电冲击放电特性的计算试验结果如下。

2.1 边相操作冲击放电特性

对铁塔导线的边相采用正的操作冲击标准性电压，得到如图1所示的输电铁塔塔头的空气距离50%放电操作冲击电压以及安全距离的拟合曲线结果，图1同时给出了在低海拔地区放电电压和间隙距离的曲线关系。可以比较得出，在高海拔地区，处于2.0m～6.0m的试验间隙距离范围之内，随着间隙距离的不断增大，校正系数却在逐渐变小。图2给出了试验时期边相导线的操作冲击放电照片。

图1 高原区域输电导线边相-铁塔塔身操作放电冲击拟合实验结果

图2 高原区域边相导线-塔身操作冲击放电照片

2.2 雷电冲击放电特性

2.2.1 绝缘子串雷电冲击放电特性

针对高原区域的I型绝缘子串做雷电流特定试验。试验采用的绝缘子串长为1.6m～4.1m，试验用的雷电冲击电压范围是500kV～1400kV。得到的结果如图3所示。图3也同时给出了低海拔地区的放电电压数值和采用绝缘子串长度的关系曲线。可以研究得出，位于高原区域的输电线路，同低海拔地区情况一样，电压释放和长度串表现为单调的同步关系。图4给出了试验时期边相绝缘子串的雷电冲击的结果照片。

图3 高原区域绝缘子串雷电冲击放电特性曲线

图4 高原区域绝缘子串边相雷电泄流结果图

2.2.2 空气间隙雷电冲击放电特性

对高原地区的输电铁塔导线-铁塔空气距离做了雷电泄流试验。试验中导线-塔身空气间隙数值为2.0m～5.0m，试验的雷电冲击电压为600kV～1800kV。结果如图5所示。

图5 高原区域导线-塔身雷电冲击放电特性曲线

图5同时显示了低海拔区域的雷电泄流试验结果。同时可以得出，处于高海拔地区和低海拔地区类似，放电电压和间隙距离呈现线性数值关系。处于试验间隙距离范围之内，随着间隙距离的不断增大，其校正系数保持不变。图6得到输电铁塔雷电泄流试验结果。

图6 高原区域边相空气间隙雷电冲击放电照片

2.2.3 工频放电特性

处在高原区域的输电导线-铁塔塔身的工频泄流试验的特定照片布置如图7所示，试验时期间隙距离数值为0.50m～2.00m，间隙的工频闪络电压数值为150kV～500kV，结果如图8所示。

图7 工频放电特性试验试品布置图

图8 导线-塔身工频间隙放电特性试验

对于导线-塔身间隙，处于0.50m～2.00m的间隙距离数值内，海拔4300m地区的导线-塔身的工频放电电压数值相比较海拔0m的平原地区，其试验结果小约24.0%～33.0%。而随着间隙距离的不断增大，导线-塔身的间隙工频放电电压海拔校正系数也在不断增大。

2.2.4 空气间隙取值

结合西藏地区高海拔的现实情况，针对220kV输电线路研究得出空气间隙的相关取值：处于4000m地区空气间隙的研究值相比较海拔0m的平原地区理论值增加约0.75m，增加了52.4%；海拔处于4500m地区空气间隙的研究值相比较海拔0m的平原地区理论值增加约0.88m，增加了61.7%；海拔处于5000m地区空气间隙的研究值相比较海拔0m的平原地区理论值增加约1.03m，增加了71.7%。本文日常各种工况下空气间隙的规范取值如表6所示。

表6 220kV 空气间隙取值

考虑到西藏地区高海拔实际情况，针对110kV输电线路和35kV输电线路得出结论，海拔处于3500m～4000m地区空气间隙的研究值相比较海拔0m的平原地区理论值增加约0.16m，增加了36%绝缘的裕度，海拔处于4000m～5000m地区空气间隙的研究值相比较海拔0m的平原地区理论值增加约0.42m，增加了90%绝缘的裕度，如表7、8所示。

表7 110kV 空气间隙取值

表8 35kV 空气间隙取值

根据绝缘子的型号以及计算片数选取研究、高海拔地区220kV输电线路空气间隙放电研究特性分析可以得出，220kV线路推荐悬垂串采用双联120kN型号，V型绝缘子串采用双联120kN型号，跳线串采用单联70kN型号。对220kV线路研究得出，4000m海拔时，研究值比理论计算值最大增加6片绝缘子，增加33.6%的绝缘裕度；4500m海拔时，研究值相比较理论值最大增加约6片绝缘子，增加了33.4%的绝缘裕度；5000m海拔时，研究值相比较理论值最大增加6片绝缘子，增加了26.4%的绝缘裕度。

110kV和35kV输电线路绝缘子串推荐采用高质量70kN的瓷质绝缘子。悬垂绝缘子型号和金具型号采用单联串的型式，耐张绝缘子型号和金具形式采用单联串的型式。对110kV线路和35kV线路论证显示，海拔处于3500m～4000m，可考虑架设9片绝缘子，海拔处于4000m～5000m，可考虑架设10片绝缘子；考虑调整改造可以全线增加3片绝缘子，研究值比理论值增加约30.1%的绝缘裕度。

3 结论

混压同塔多回输电线路能够合理节约输电线路空间走廊，降低开发成本，解决西藏地区线路走廊紧缺问题，同时减少了生态环境破坏。本文根据工程实际需求，进行高海拔220kV与110kV、220kV与35kV、110kV与35kV混压同塔应用的绝缘型研究及配置，研究成果将应用于西藏35kV以上混压同塔工程。在绝缘配合上，研究总结各电压等级的输电线路选择绝缘子形式以及要求片数的数值，同时确定了各电压等级下的空气间隙取值，所有线路皆满足规程要求。