刘亚芳 袁亦超 王惠仁 巩学海
华北电力科学研究院，100045 北京
1 概述
1995年，经国家计委审批立项，由华北电力集团公司开展500 kV紧凑型输电技术研究。该研究旨在探索一种能够更好地解决三峡水电站出线走廊问题的方法。该项目包括许多有关500 kV紧凑型输电技术的基础理论研究；一条长1 080 m的500 kV紧凑型试验线段以及一条长约83 km由北京昌平到房山的500 kV紧凑型输电线路（称为昌-房线）。昌—房线将是我国第一条500 kV紧凑型输电线路。该线计划于1998年底建成并投入运行。
 
(a) 普通直线塔 (b) 加强型直线塔
图1 500 kV紧凑型直线塔两种结构的外形和塔面图
试验线段建于华北电科院沙河试验站。线段长1 080 m，由两基直线塔和两基终端塔构成。最大档距613 m。直线塔结构和尺寸与昌-房线将来用的铁塔相同，见图1。导线六分裂，外接圆直径为
0.75 m。全部采用合成绝缘子。
本文简要介绍华北电力科学研究院围绕500 kV紧凑型输电技术所研究的成果，并将紧凑型输电线路和常规型输电线路的性能参数进行了对比。
2 绝缘配合问题
图2和表1分别对在试验线段及塔头模型上测得的相-地、相-相操作冲击50%放电电压同文献［1～3］的数据进行了比较。当只有一相施加正极性操作冲击电压时，图1(a)、(b)结构的相-地放电电压与常规型500 kV杆塔的中相导线对地的情况相当，见图2。但是，当对另外两相之一或全部施加反极性(负)冲击电压时，图1(a)、(b)结构的相-地绝缘水平将下降。 例如： x＝0.4时， 图1(b)的B、 C两相若加负极性操作冲击电压，A相悬空或接地，则加正极性操作冲击电压的一相对地50%放电电压将下降10.2%；若B、C两相之一为正、A相为负时，则加正电压的一相的相-地50%放电电压将降低8.7%；而当B、C两相均为正、A相为负时，B、C两相之一对塔窗的相-地放电电压将降低4.7%。
表1列出了本文图1(a)和(b)结构的操作波相间击穿50%放电电压和美国GE公司的有关试验数据［2］。
表1 相间击穿电压U50和间隙距离S
来源
结构
α≈0.4
U50/kV S／m
α≈0.5
U50/kV S/m
本文
>1 870*
5.95
>2 110*
5.95
本文
2 040
5.53
2 150
5.53
本文
1 860
5.20
2 060
5.20
文献［2］
2 000
5.60
2 140
5.60
文献［2］
Δ
1 940
5.40
2 010
5.40
*为线路端部放电，实际放电电压应该高于此值。
如前所述，紧凑型输电线路的三相导线均集中在塔窗内，因而其相-相、相-地绝缘具有特殊规律。考虑紧凑型线路的绝缘配合时，既要考虑相对地绝缘水平，又要考虑相间绝缘水平。对于前者，可采用常规线路绝缘配合的分析方法，而对于后者，则应研究新的分析方法。
在试验过程中发现：相间操作冲击放电可能发生于沿线任何部位。所以，紧凑型输电线路的相间绝缘水平应以单位长度试验线段上测得的CFO来推算。另外，与存在操作过电压概率分布和间隙操作冲击耐受电压概率分布一样，还存在相间操作过电压的α概率分布和相间绝缘操作冲击耐受电压随α的概率分布α＝U－/(U－＋U＋)。上述四种概率分布的共同作用，会影响紧凑型输电线路相间操作冲击绝缘水平。
1—塔窗中相空气间隙［1］； 2—门型塔中相空气间隙［1］； 3—塔窗中相空气间隙(［3］，图11\|5\|1曲线)；
● 塔头模型数据； ○ 试验线段数据； △［2］ 正三角形； ［2］ 倒三角形。
图2 导线\|塔柱操作冲击试验数据对比
在考虑昌-房500 kV紧凑型输电线路的绝缘配合时，由于尚无法考虑上述相间操作过电压随α的概率分布和相间绝缘操作冲击耐受电压随α的概率分布，因而仅考虑了典型α数值下的相间绝缘间隙操作冲击耐受电压及相间操作过电压。
昌-房线相对地最大统计过电压倍数为1.8 pu(1.0 pu相当于5502/3＝449 kV)。采用常规线路绝缘配合分析方法研究其单相对地绝缘水平时，相对地绝缘的薄弱点是在上相与塔窗之间。CFO为1 140 kV。线路所经过地区的最高海拔高度为1 000 m， N取100， 则相对地的统计配合系数约为1.30，相对地的操作冲击闪络率低于10－3。
昌-房线相间最大统计过电压倍数为3.3 pu。根据文献［3］图11\|17\|5，用1.08 km试验线段的CFO推算83 km线路的CFO，其将下降2.38 σ*。标准偏差标幺值σ*的平均值为2.2%。当海拔高度为1 000 m时，相应的CFO为1 860Kh(1－2.38σ*)，其中Kh为海拔高度系数，取0.94。全线可看成是一个间隙，因此CFO约为1 657 kV，统计配合系数K＝1.12。又根据文献［4］的图3.3.2，对应于N＝1，K＝1.12时的冲击闪络率低于10－3。
3 环境问题
为了解未来昌-房线对周围环境产生的电磁干扰情况，在试验线段下对RI、AN和线下地面电场强度进行了测量，试验电压525 kV(三相，工频)。
测得的0.5 MHz纵向分布特性中， 没有见到驻波的影响。 测量了距离边相20 m处的频谱特性。 测得0.5 MHz和1.0 MHz无线电的干扰水平分别为
53.5 dB和47.5 dB。理论计算分析，距离边相20 m处的0.5 MHz无线电干扰水平为40～43 dB［5］，与常规型500 kV输电线路的无线电水平相当。
测量线下无规则可听噪声的最大值为63 dB。
导线对地高度为12.9 m时，线下地面工频电场强度最大值为5.45 kV/ m，线下地面场强高于4 kV/m的范围宽度为12 m。在气温达到＋40℃时，导线对地高度为10 m，计算分析线下最大场强为9.3 kV/m［5］，线下地面场强高于4 kV/m的范围宽度约为16 m。相同电压等级的常规型输电线路下，地面场强高于4 kV/m的范围宽度往往在50 m以上。
在黑夜，额定电压下的试验线段各连接金具处未见电晕。
4 带电作业问题
带电作业所需要的安全距离与线路杆塔结构的紧凑化是一对突出的矛盾。必须针对紧凑型结构的杆塔研究新的带电作业方法，开发新的带电作业工具。
塔头模型上的试验结果表明：
* 在海拔1 000 m及以下地区的晴好天气，当退出重合闸保护，作业线路两端安装适当参数的避雷器及采取其它限制过电压的措施后，图1(a)结构紧凑型直线塔可以进行带电作业。
* 进入上相，应从上横梁中央垂直向下至与上相同一水平位置后，再向待作业相水平移动，该通道的最大危险率不大于3.4E-14。
* 进入下相，有三条安全通道：①由铁塔上梁中央垂直向下；②由塔窗底部中央垂直向上；③由塔窗侧面同下相水平的位置出发，水平移动至下相。其中，通道①的危险率最低，不大于4.7E-14。
* 在上相进行等电位作业的安全姿势是蹲式或坐式，在下相进行等电位作业采用立式、蹲式或坐式都是安全的。
5 关于特殊合成绝缘子的稳定性
为了降低线路造价，提高线路的紧凑程度和耐污绝缘水平，昌-房500 kV紧凑型输电线路拟采用新开发的500 kV/300 kN合成绝缘子。合成绝缘子的质量及其稳定性将直接影响到输电线路的可靠性。为此，对其机械性能指标、工艺控制稳定性及长期荷载下机械性能等进行了研究。
研究中参照了中国机械工业部标准JB5892-91。试验结果表明，机械性能良好，生产工艺比较稳定。
6 性能参数的比较
根据对试验线段测量的结果，这条500 kV紧凑型输电线路的正序波阻抗为191.8 Ω。如果线路运行电压为500 kV，则自然传输功率为1 303 MW。若线路以525 kV电压运行，则其自然传输功率可以达到1 437 MW。同常规型输电线路相比，紧凑型线路的自然传输功率可提高30 %～44 %。目前国内已经在运行和正在研究的几条紧凑型输电线路与相同电压等级的常规型输电线路的自然传输功率及走廊宽度列于表2。常规型输电线路和紧凑型输电线路单位走廊宽度的自然传输功率对比示于图3。
表2 自然传输功率和走廊宽度
电压等级
常规型
紧凑型
/kV
P/MW
D/m
P/MW
D/m
220
180(100%)
26～38
300(167%)
17～29
330
370(100%)
38～45
550(149%)
24～33
500
1 000(100%)
45～60
1 370(137%)
28～43
图3 常规型输电线路和紧凑型输电线路
单位走廊宽度传输的自然功率
表2和图3清楚地表明，紧凑型输电线路在线路走廊宽度和自然传输功率方面所具有的优势。紧凑型输电技术一方面可减小走廊宽度，另一方面提高了自然传输功率。因此紧凑型输电线路单位走廊宽度的自然传输功率可以达到高一级电压等级常规型输电线路的自然传输功率水平。
500 kV常规型输电线路和紧凑型输电线路的其他参数列于表3。
表3 500 kV常规型输电线路和紧凑型输电线路
的参数(1.0 pu为最高运行相电压的幅值)
参 数
大-房2回常规型
输电线路
昌-房紧凑型
输电线路
最大计算统计操作
相-相
——
3.3 pu，2%
过电压U0及Sd
相-地
2.0 pu,2%
1.8 pu,2%
潜供电流 /A
22
40.6
最小空气绝缘间隙
相-相
≈10
5.53(5.2*)
/m
相-地
4.3
3.7
相间绝缘间隔棒长度 / m
无间隔棒
5.2
相-相中心距离 / m
12
6.7
档距中央对地高度 h/m
11
10
最大地面电场强度/kV*m－1
9.52(h＝10 m)
9.3(h＝10 m)
无线电干扰水平 /dB
35～48
40～43
到边相距离 ／ m
20
20
无规则可听噪声 /dB
49
分裂导线结构
4×0.45 m
6×0.375 m
导线尺寸 /mm2
LGJG\|300
LGJ\|240
7 结论
(1)紧凑型输电线路单位走廊宽度的自然传输功率可达到高一级电压等级的常规型输电线路的自然传输功率。
(2)正极性单相对地的操作冲击绝缘强度会受其余两相所施电压的影响，其最多可下降10.2%。
(3)紧凑型输电线路相间绝缘水平可以采用单位长度试验线段的绝缘水平推算得到。
(4)额定电压下，当下相导线对地距离为10 m时，线路下地面电场强度高于4 kV/m的区域宽约16 m。
(5)拟建的500 kV紧凑型输电线路仍然可以进行带电作业。
8 参考文献
［1］王惠仁，毕玉璞．500 kV输电线路杆塔绝缘电气特性试验．500 kV大房二回线输变电工程调试总结(上)．晋京500 kV输变电工程总指挥部，1987
［2］Rohlfs A F,Schneider H M．Switching impulse strength of compact transmission line flat and delta configurations.IEEE Trans,1983;PAS\|102(4)
［3］Electric Power Research Institute．Transmission line reference book\|345 kV and above．New York, Fred Weidner and Son Printers, Inc, 1975
［4］U.S.Depart ment of Energy．Electrical and mechanical design criteria for EHV and UHV overhead transmission line．DOE/RA/2133-01,1980.6
［5］邵方殷．500 kV紧凑型线路导线结构及相关特性．中国电力，1996;29(10)
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