1000kv线路空气间隙距离选择

1000kV线路杆塔空气间隙距离选择

谷定燮 周沛洪 陈勇 霍锋

国网武汉高压研究院

摘要 本文介绍中国晋南荆1000kV输电线路杆塔空气间隙距离选择的原则、方法和结果。塔宽和试验电压波

前时间对特高压线路杆塔空气间隙的放电电压有明显的影响。本研究采用特高压真型杆塔进行空气间隙的放电电压试验。操作冲击试验电压的波前时间为1000μs，和特高压线路操作过电压的实际波前时间比较接近。 工作电压下的空气间隙距离选择时考虑（1）最大工作电压；（2）100年一遇的最大风速;（3）多间隙并联对放电电压的影响；（4）闪络概率为0.13%。相对于海拔500m、1000m和1500m,工作电压下的最小空气间隙距离要求值分别为2.7m、2.9m和3.1m。操作冲击下的空气间隙距离选择时考虑（1）沿线最大的统计（2%）操作过电压水平Us为1.7 p.u.。操作过电压波前时间tf以1000us计；(2)考虑多间隙并联对放电电压的影响；(3)计算风速为0.5Vm(最大风速)；（4）闪络概率为0.13%。相对于海拔500m、1000m和1500m,要求的最小空气间隙距离分别为6.7m、7.2m和7.7m(中相)；5.9m、6.2m和6.4m（边相）。边相导线对杆塔的空气间隙距离受工作电压控制，边相导线对杆塔的空气间隙距离受操作冲击电压控制。雷电冲击下的空气间隙距离对杆塔塔头尺寸不起控制作用。可以不规定雷电冲击下的空气间隙距离要求值。

关键词 特高压 输电 线路 绝缘 间隙 距离

1 前言

特高压（UHV）线路杆塔空气间隙距离选择是线路绝缘配合的重要内容。

UHV线路空气间隙距离的合理选择，既影响UHV线路的安全可靠性，又影响杆塔的大小和建设费用。它的研究为UHV输电线路工程设计提供基本技术参数和技术依据。

UHV （1000kV）线路在我国是第一次建设，在世界上也仅有前苏联和日本两个国家有。前苏联UHV线路最高运行电压为1200kV，和我国的1100kV不同。前苏联UHV线路操作过电压较高，所选的空气间隙距离也较大。日本UHV线路为同塔双回线路，和我国晋东南－南阳－荆门的UHV单回线线路不同。

本文介绍由国网武高院进行的对我国晋东南－南阳－荆门1000kV输电线路杆塔空气间隙距离选择的原则、方法和结果的研究概况。

2 工频电压下的空气间隙

2.1 线路杆塔空气间隙的工频电压放电电压要求值

考虑因素：

（1）最大工作电压； （2）计算风速，100年一遇的最大风速； （3）闪络概率为0.13%，考虑1-3σ； （4）考虑多间隙并联对放电电压u50m和变异系数σm的影响[1]。

u50.m.=u50.1.(1−Zσ1*)。式中 u50.m 和 u50.1分

别为并联多间隙和单间隙的50%放电电压。

***

β=σm/σ1*。式中 σm和σ1 分别为并联多

间隙和单间隙的放电电压变异系数。

在相同的作用电压下，并联多间隙的闪络概率Pm大于单间隙的的闪络概率P1。

Pm=1−(1−p1)m

并联多间隙50%放电电压u50.m低于单间隙的50%放电电压u50.1，并联多间隙放电电压变异系数σm小于单间隙的放电电压变异

*

系数σ*

1。

要求的单间隙的50%放电电压u50.1.r

uu/50.1.n⋅2r=

(1−Zσ**

1)(1−3σm)

式中Z和β取决于并联间隙数，偏严考虑m=100，Z=2。45，β=σ*

*m

1=0.40,。

单间隙的变异系数，α*

1=0.03, 多间隙的变异系数σ*

m

=0.012

un50.1.r=

u(1−2.45×0.03)(1−3×0.012)

=un.m0.927×0.964=un.m0.894

=1.119un.m表1 并联间隙数对配合系数的影响

当m取值不同时，配合系数kc（不包含

海拔修正系数）如表1所列。m愈大，kc值愈大。

全线杆塔间隙承受的工作电压基本相同，但是全线同时承受最大风速，导线同时有最大风偏角的概率和杆塔数不多。对于工作电压下空气间隙距离选择，需考虑的并联间隙数主要决定于导线同时有最大风偏角的杆塔数。参考国外经验，取m=100。

海拔修正系数接IEC71-2[2]推荐公式计算。

km(H

a=e

8150)

H=500m，ka=1.063

H=1000m，ka=1.131 H=1500m，ka=1.202

由于已经考虑1-3σ，闪络概率仅为

0.13%，是很低的,本不需要再考虑安全裕度。

但为了偏安全，仍再考虑5%的安全裕度ks。

空气间隙工频放电电压要求值u50.1.r：

H=500m，u50.1.r=kc⋅ka⋅ks⋅un.m =1.119×1.063×1.05un.m

=1.249un.m=1122kv H=1000m， u50.1.r=1.119×1.131×1.05un.m

=1.329un.m=1194kv H=1500m， u50.1.r=1.119×1.202×1.05un.m

=1.412un.m=1268kv 2.2 间隙距离选择

特高压真型塔边相空气间隙工频放电电

压与间隙距离的关系见图==

1。放电电压试验

值和要求值的比较见表=2。

D2.7m ,工频放电电压试验值u50=1186kV ,大于H=500m

的工频放电电压要求值u50.1.r;D2.9m, u501240kV , 大于H=1000m的u50.1.r；D=3.1m, u50=1342kV , 大于H=1500m的u50.1.r。

图1 边相间隙工频放电电压与间隙距离的关系 表 2 真型塔边相间隙工频放电电压试验值和要求

值的比较

空气间隙工频放电电压工频放电电压 距离（m）

试验值（kV）

要求值（kV） 2.7 1186 1137 (H=500m) 2.9

1240

1212 (H=1000 m)

1286 （H=1500 m）

因此，工作电压下的边相空气间隙选择：H=500m，D=2.7m；H=1000m，D=2.9m；H=1500m，D=3.1m是可以满足安全运行要求的。中相（V型串）空气间隙不受工作电压控制，不必规定工作电压下的空气间隙距

离要求值。

2.3 与国外数据的比较

详见表3。我国特高压线路空气间隙距离大于前苏联的和日本的[3][4]。

表3 各国特高压线路工频电压空气间隙距离要求

值的比较

最高运行工频电压空气间隙距离

国

电压

（m）

别

（kv）

H前苏联 日

本 中

国

=

=

2.4 讨论

如果沿用中国500kv线路设计的方法，配合系数k=1.4[5]，则 H=500m，要求空气间隙放电电压u50.1.r 1.4×1.063un.m =

1.488un.m = 1337kv，

要求d =3.1m；H=1000m，u50.1.r=1.4×1.131un.m=1.583un.m=1422kv，要求d=3.3m，均较大。

选择配合系数k=1.4，其理由之一是可能会遇到较高值的工频过电压。但是此处的计算风速是百年一遇的最大风速，工频暂态过电压持续时间小于1s，两者同时出现的概率极小。即使是时间稍长一点的工频稳态过电压，其幅值也不会超过1.1p.u.，而且其持续时间也不过几十分钟，和百年一遇的最大风速同时出现的概率也非常小。所以，前苏联、日本、欧美诸国都是只考虑工作电压，而不考虑工频过电压。其理由之二可能是考虑风偏角计算不准确，在电气绝缘上给留一定的裕度予以弥补。我们认为，两者应分开计算。绝缘给风偏角留裕度，留多少合适？无依据，无换算关系，也不科学。特高压线路工频间隙设计风速由30年一遇改为百年一遇；对风偏角风计算实际上已按0.75压不

均匀系数进行校验，而不是0.61，这两个改变就是完善风偏角计算的一个方面。这些改进都使风偏角增大。如果还有问题，应在风偏角计算上采取措施，不宜用绝缘强度或距离上的裕度来修正风偏角。所以，此两理由均不能成立，选择配合系数k=1.4是不合适的。

3 操作冲击下的空气间隙

3.1杆塔空气间隙的操作冲击放电电压要求值

塔宽对空气间隙的放电电压有明显的影响。随着塔宽增加，放电电压要下降[6][7]。为此，本研究采用真型的特高压杆塔进行空气间隙的放电电压试验。

在选择空气间隙距离时，本研究考虑下列因素:

(1)沿线最大的统计（2%）操作过电压水平Us为1.7 p.u.[8]。这是在南荆线已充电，由南阳合空載晋南线时产生的操作过电压。由于特高压变压器采用无載调压，为了防止线路末端电压过高，不允许出现这种操作方式。只允许由晋东南合空載晋南线和由荆门合空載南荆线。操作过电压水平要降低。考虑合空載线路、单相重合闸、接地故障、故障消除分闸等操作过电压，沿线最大的统计（2%）操作过电压水平Us实际为1.6 p.u.。所以，沿线最大的统计（2%）操作过电压水平Us取1.7 p.u.是偏严的。

(2)计算中tf以1000us计。

图2是南荆线已充电的条件下，由南阳合南晋空載线路时的操作过电压波头时间Tf(ms)统计分布图。操作过电压实际波前时间tf﹥3000us[8]。

tf＝3000us和tf＝1000us的放电电压U50比较接近。后者小于前者。计算中tf以1000us计，偏严。

(3)考虑多间隙并联对放电电压U50.1.r和变异系数σ*

m的影响[1][6][7]。

对于操作过电压下的线路空气间隙距离选择，并联间隙数取决于线路上出现最大的操作统计过电压的部分线路长度，或者说取决于沿线操作过电压分布的均匀程度。根据

晋东南－南阳－荆门特高压线路操作过电压

的实际分布情况，取m=100。

图2 南荆线已充电，由南阳合空載晋南线操作过电压波头时间的统计分布

(4)考虑线路间隙放电电压为U50.1c（1-3σ）。

(5)计算风速为0.5Vm(最大风速)。 单空气间隙的操作冲击放电电压配合值：

U50.1.r=kc×ka×Us

⎧1974kV⎪

=⎨2023kV⎪2072kV⎩

(H=500m)(H=1000m)(H=1500m)

Us

U50.1.c=。 **

(1−Zσ1)(1−3σm)

m=100，Z=2.45，β=0.4，

*σm=0.4×0.06=0.024。

σ1*=0.06，

3.2 间隙距离选择

1）中相间隙

真型塔（不同波前时间）操作冲击试验结果见表4。导线对斜铁的距离为6.7m，对横樑的距离为7.9m。

表4 真型塔中相导线对塔的空气间隙的操作放电

电压

Tf(us)U50(kv)σ（%）

2501801

U50.1.c=

Us

(1−2.45×0.06)(1−3×0.024)

，

Ua

==1.263Us0.853×0.928

配合系数kc=1.263，配合放电电压U50.1c=kc·Us=1929kv.

海拔修正因子m=0.39。 H=500m， ka=1.024；H=1000m，ka=1.049；H=1500m，ka=1.074。

5.1

⎧1.293

⎪

kc×ka=⎨1.325

⎪1.357⎩

(H=500m)(H=1000m) (H=1500m)

单间隙的操作冲击放电电压要求值

H=500m，要求值u50.1.r=1974kV。d=6.7m真型塔放电电压u50=2015KV，可以满足操作冲击要求。

波前时间为1000us的放电电压比250us的放电电压高11.9%。

这次试验中，tf=1000us时的σ=0.064 。 由于是采用升降法进行试验，所得σ不很准确。计算中取σ=0.06。日本取σ=0.05[3]，前苏联认为tf=1000～2000us，σ=0.04～0.05[4]。我们取σ=0.06是安全的。

建议用多级法进行试验，确定比较准确的σ值，使我国特高压线路空气间隙放电电压的试验数据更完善。

H=1500m，要求值u50.1.r=2072kV。受试验设备能力的限制，仅进行1000μs长波前

操作波耐受试验和标准操作冲击的u50试验。

d=7.7m（见图3），在1000μs长波前操作波耐受试验时， 施加1860kV电压进行50次耐受试验，试验结果为耐受48次，闪络2次。耐受概率为96％。相应的操作冲击50%放电电压为2078kV 。

图3 仿真示范工程酒杯塔中相间隙试验布置示意

图

在标准操作冲击验证试验时，标准操作冲击50%放电电压为1894kV。波前时间为1000us的放电电压比250us的放电电压高11.9%。可推算波前时间为1000us的操作冲击50%放电电压为2083 kV。

两种方法推算的1000μs波前的操作冲击50%放电电压分别为2078 kV和 2083 kV，很接近。偏严考虑，取低值，认为1000μs波前的操作冲击50%放电电压为2078 kV。试验值高于要求值u50.1.r=2072kV。

表5 中相操作冲击放电电压和导线对杆塔间隙距

离的关系(波前时间为1000us)

导线对斜铁的距导线对斜铁的距离为6.7m，

离为7.7m，

间隙d（m）

对横樑的距离为

对横樑的距离为

7.9m

8.1m 放电电压

U50%(kV) 验证试验表明，d=7.7m可以满足

H=1500m处的线路操作冲击要求。

导线对杆塔间隙距离和操作冲击放电电

压的关系见图4。

H=1000m，要求值u50.1.r=2023kV。可取D＝7.2m。

2）边相间隙

真型塔边相操作冲击试验结果见表6。 导线对塔柱的距离为5.6m。真型塔放电电压u50=1915KV。H=500m，要求值u50.1.r=1974kV。d=5.6m不能满足操作冲击的要求。

图4为猫头塔边相不同的导线对塔柱的距离和相应的操作冲击放电电压的关系。波前时间Tf＝250us。由表6可以看出，Tf＝1000us的操作冲击放电电压比Tf＝250us的操作冲击放电电压大约高7％。由此可推算Tf＝1000us的不同的导线对塔柱的间隙距离的操作冲击放电电压，见表7。

表6 真型塔边相导线对塔的空气间隙(d=5.6m)的操

作放电电压

Tf (us)250U50(kV)

1789

图4 边相操作冲击放电电压（Tf＝250us）U50%与

空气间隙距离的关系曲线

表7 猫头塔边相导线对塔的空气间隙距离和操作冲击放电电压（推算值）的关系（Tf＝1000us）

间隙距离（m）

U50(kV)

H=500m，需满足操作冲击要求值u50.1.r=1974kV，空气间隙距离d=5.90m。建议取d=5.9m。

H=1000m，需满足操作冲击要求值u50.1.r=2023kV，空气间隙距离d=6.14m。建议取d=6.2m。 H=1500m，需满足操作冲击要求值

u50.1.r=2072kV，空气间隙距离d=6.39m。建议取d=6.4m。

3.3 与国外数据的比较

各国特高压线路操作冲击下的空气间隙距离要求值见表8。

中国特高压线路操作冲击下的空气间隙距离要求值比前苏联的小，和日本的相近[3][4]

。

前苏联特高压线路的最高运行电压为1200kV，高于中国的。其操作过电压水平为2.0p.u.，也高于中国的。因此空气间隙距离要求值也较大。

日本特高压线路最高运行电压和操作过电压水平均和中国的相同，只是塔形不同（日本的为同塔双回线路的杆塔），所考虑的海拔高度不同。

表8 各国特高压线路操作冲击下的空气间隙距离要求值的比较

国别

最高运行电压（kV）

操作过电压水平Us（p.u.）

海拔高度（m）

操作冲击下的空气间隙距离

（m）

前苏联

边相8m ，中相8.7m

（边相7－8m， 中相8－9m）

导线－塔腿6. 54m

跳线－塔腿6. 75m 导线－塔腿6. 73m

跳线－塔腿6. 93m

500

中相6.7m ，边相 5.9m 中相7.2m， 边相 6.2m 中相7.7m， 边相 6.4m

日本 1100

中国 1000

1500

3.4 讨论

如果沿用中国500kV线路设计的方法，受风偏影响的边相间隙放电电压计算中的操作冲击配合系数k=1.1[6]。此值偏小。不仅不能考虑多间隙并联对线路绝放电电压

*σmU50.1.r和变异系数的影响，而且也不能

计算间隙距离对塔头大小要起控制作用。所

以不能沿用500kV线路的运行经验。

此问题在1000kV同塔双回线路上可能会更加突出。如果继续取操作冲击配合系数k=1.1，将更加难以自圆其说。

所以，我们不主张取操作冲击配合系数k=1.1。

包含间隙放电电压的（1-3σ）分散性。 所以此种配合系数取值方法是不合适的。

认为操作过电压等值计算风速取值偏大，风偏角计算不准确，因而在电气绝缘可以取较低水平也许是其理由之一。正如本文1.4中所述，我们认为，计算风速和绝缘水平，两者应分开计算。把绝缘水平和计算风速（或等值风偏角）相互弥补，绝缘水平低多少合适？无依据，无换算关系，不科学。

另一理由可能是采用此配合系数在500kV线路上没有发生操作过电压下线路绝缘闪络事故。需指出， 500kV线路杆塔的操作冲击计算间隙距离对塔头大小一般不起控制作用。在操作冲击下，杆塔实际绝缘水平要大操作冲击计算间隙的绝缘水平。但是，1000kV线路杆塔就不是这种情况，操作冲击

5 雷电冲击下的空气间隙

对于特高压单回路线路，雷电冲击下的

空气间隙距离对杆塔塔头尺寸不起控制作用。可以不规定雷电冲击下的空气间隙距离要求值。

6 带电作业安全距离

带电作业时，重合闸退出，单相接地

就会引起三相分闸。确定带电作业安全距离的主要过电压类型是单相接地三相分闸过电压。同时需考虑单相接地过电压和切除短路故障电流分闸过电压。1000kV线路单相接地三相分闸过电压最大为1.71 p.u.[8]。

为了避免特高压线路塔头过大，带电作业安全距离不宜成为线路绝缘间隙尺寸的控制因素。带电作业安全距离加上人体活动范围0.5m不宜大于操作过电压要求的间隙距离。

我国1000kV线路最小空气间隙建议值见表9。该表仅适用于单回线路。对于1000kV同塔双回线路，尚需进一步研究确定。

表9 我国1000kV线路最小空气间隙建议值 作用电压类型

最小空气间隙距离（m）

2.7 (海拔500m)

工频电压

2.9 (海拔1000m) 3.1 (海拔1500m) 边相 5.9；中相 6.7/7.9 (海拔

500m)

操作冲击

边相 6.2；中相 7.2/8.0 (海拔

1000m)

边相 6.4；中相 7.9/8.1 (海拔

1500m)

雷电冲击

不予规定

注：斜线上下分别代表中相导线对斜铁的距离和中相导线对横樑的距离

7 结论

1）工频电压下的边相空气间隙选择：

D=2.7m（H=500m）、D=2.9m（H=1000m）和D=3.1m（H=1500m）是可以满足安全运行要求的。中相（V型串）空气间隙不受工作电压控制，不必规定工频电压下的空气间隙距离要求值。

2）海拔高度H=500m，导线对斜铁的距离为6.7m，对横樑的距离为7.9m的真型塔中相空气间隙操作冲击放电电压值为2015kV(波前时间1000μs), 可以满足操作过电压（1.7p.u.）的要求。

海拔高度H=1500m，导线对斜铁的距离为7.7m，对横樑的距离为8.1m的真型塔中

相空气间隙操作冲击放电电压值为2072kV(波前时间1000μs), 可以满足操作过电压（1.7p.u.）的要求。

海拔高度H=1000m，导线对斜铁的距离可取为7.2m，对横樑的距离可取为8.0m。

3）为了满足操作过电压（1.7p.u.）的要求，边相导线对塔柱的距离应选为5.9m（H=500m）、6.2m（H=1000m）和6.4m（H=1500m）。

4）特高压线路带电作业安全距离不宜成为线路绝缘间隙尺寸的控制因素。带电作业安全距离加上人体活动范围0.5m不宜大于操作过电压要求的间隙距离。

参考文献

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[7] EPRI．Transmission line reference book 345 kV and above (second Edition)[Z]．California：EPRI，1982．

[8] 谷定燮等 交流1000kV 输电系统过电压和绝缘配合研究 高电压技术 Vol.32 No.12 2006.12

作者简介

谷定燮 （1941年- ），男，教高工，原副总工程师，主要从事过电压和绝缘配合研究。E-mail: [email protected]