特高压输电线路绝缘水平的选择

特高压输电线路绝缘水平的选择

0特高压电网的建设与超高压通信线路相比，超级高压通信线路具有强大的传输能力、长送电路、小网络损坏和高走廊利用率，能够提高电网的安全、可靠性、灵活性和经济性，并具有显著的技术优势和经济优势。自20世纪60年代以来,许多国家都进行了特高压交流输电技术的研究与试验工作,如前苏联、日本、美国、意大利、印度、巴西、南非等。随着晋东南—南阳—荆门特高压交流示范工程的建成投运,我国特高压电网建设步伐也在逐渐加快,目前,国家电网公司已加快建设淮南—皖南—上海、锡盟—南京、陕北—长沙、淮南—南京上海蒙西潍坊晋东南豫北徐州雅安—皖南等特高压交流工程,以尽快形成“强交强直”的特高压骨干网架,提升电网的资源优化配置能力和安全稳定运行水平,预计到2020年,我国将建成世界上首个特高压电网。为提高特高压电网的安全性和经济性,限制特高压输电系统的过电压水平,合理选择绝缘水平是特高压输电工程建设的关键课题。本文将从工频过电压、潜供电流、操作过电压、雷电过电压几个方面对特高压电网的过电压进行全面讨论,并对特高压电网的绝缘配合进行详细研究。1高压电网的过载1.1高压电抗器的补偿度并联高压电抗器是我国限制特高压输电线路工频过电压最主要的手段。研究表明,特高压系统中,在相同补偿度下空载线路电容效应、单相接地过电压严重程度均远不及线路无故障一端三相分闸和线路单相永久接地一端三相分闸过电压与绝缘配合产生的过电压。因此,特高压系统主要考虑后两种工频过电压。高压电抗器的补偿度在80%～90%时,能将大部分工频过电压限制在规定范围内,即母线侧1.3pu,线路侧1.4pu以内。对晋东南—南阳—荆门和淮南—皖南—浙北—沪西特高压输电线路进行初步研究表明,在该补偿度下,晋东南—南阳—荆门线最大工频暂态过电压约1.26pu(母线侧)和1.37pu(线路侧)。淮南—皖南—浙北—沪西线工频暂态过电压较低,均小于1.3pu。理论上,可控高压电抗器能很好地解决远距离特高压输电系统的工频过电压限制与无功平衡间的矛盾。但目前特高压可控电抗器技术上还不成熟,有待进一步研究。1.2潜供电弧的消除方法为提高系统稳定性和供电可靠性,我国特高压输电线路采用单相自动重合闸。提高单相自动重合闸成功率的方法主要是降低潜供电流幅值、缩短潜供电弧持续时间。目前用于熄灭潜供电弧的方法主要有安装快速接地开关(HSGS)和并联电抗器中性点接小电抗两种。经过研究表明,并联电抗器中性点接小电抗适用于较长的、需要高抗补偿和换位的线路,HSGS适用于较短的、不需要高抗补偿和换位的线路。我国特高压线路一般比较长,并联电抗器中性点装设小电抗后,可满足1s单相重合闸的要求。但不排除今后在短线路上适用HSGS。1.3特高压线路采用多组线路避雷器限制合闸研发我国特高压操作过电压的限制标准:在变电站和线路上产生的相对地统计过电压分别不应大于1.6pu和1.7pu。特高压系统主要考虑以下类型的操作过电压:接地故障、合闸(包括重合闸)、分闸与快速暂态过电压(VFTO)。(1)接地故障过电压,包括单相和两相接地故障过电压,以单相接地故障较为常见。对于我国特高压线路加装高抗补偿的运行方式,该过电压最大值小于1.7pu,对我国特高压绝缘水平选择不起控制作用(2)合闸过电压,包括合空载线路过电压和单相重合闸过电压。三相重合闸过电压幅值较高,世界各国的特高压交流输电线路均采用单相重合闸方式。特高压系统中,单相重合闸过电压一般低于合空线过电压。运行经验表明,金属氧化物避雷器(MOA)结合断路器合闸电阻限制合闸过电压的效果理想,但将大幅增加成本,也存在可靠性的问题。随着近年来MOA制造水平的提高,可以通过多组MOA代替合闸电阻来限制合闸过电压,该方法的运行效果已在超高压线路的实际运行中得到了验证。经过研究表明,特高压线路除首末端外,在沿线特定位置再加装若干组MOA后,可将合闸过电压限制到标准以内,显著改善沿线的过电压分布,降低每组MOA吸收的能量。(3)分闸过电压,包括故障清除过电压和甩负荷过电压。线路发生故障清除以及甩负荷时,会在健全相或相邻线路上出现较大的过电压,而特高压操作过电压允许值较低,该过电压的影响较为突出。日本和意大利采用分闸电阻限制该过电压,前苏联和美国BPA则选择合适的高抗补偿。事实上,单相接地故障清除过电压与甩负荷分闸过电压可以通过合理配置多组避雷器加以限制。我国在特高压建设过程中也发现通过加强电网结构、配置多组线路避雷器可替代分闸电阻有效限制分闸过电压。相间短路、两相和三相接地故障清除过电压幅值较大,若采用分闸电阻可以有效限制,但考虑到这些过电压发生概率很低,引起的线路故障概率更低(约近千年才一次),而分闸电阻的故障率却远大于这些过电压所引起的线路故障率,并且此时对分闸电阻的热容量要求也很高,故在相间短路、两相和三相接地故障下是否采用分闸电阻来限制过电压值得讨论。(4)快速暂态过电压(VFTO)波前很陡,幅值较高,振荡频率也极高,可能会损坏全封闭式组合电器(GIS)本体、带绕组设备和二次设备。VFTO的抑制措施主要有隔离开关加装并联电阻、采用架空线连接变压器和GIS套管、加强变压器绕组首端匝间绝缘等。隔离开关加装并联电阻是防止VFTO危害最为有效的措施,在技术上也较为成熟。我国特高压晋东南变电站首期就安装了隔离开关并联电阻,对VFTO的抑制效果良好。1.4塔形与避雷线保护角计算国外(前苏联和日本)运行经验表明,特高压输电线路仍有相当的雷击跳闸率,同时雷击跳闸也是造成线路跳闸的主要原因。其中,前苏联特高压线路雷击跳闸率较高的根本原因是地线保护角偏大,雷电绕击耐张转角塔导线;日本特高压线路由于杆塔很高,且线路绝缘水平相对较低,导线遭到侧面雷击而引起雷击跳闸。我国特高压线路塔形与避雷线保护角的选择主要依据沿线地形和地面倾斜角———平原地区使用猫头塔,保护角小于5°;山区使用酒杯塔,保护角小于-5°。笔者使用IEC、IEEE等推荐的电气几何模型(EGM)和EMTP程序计算了晋东南—南阳—荆门特高压线路的绕、反击跳闸率,计算结果如表1所示,两塔形的雷击跳闸率均小于我国1000kV线路的预期雷击跳闸率[0.1次/(100km·a)],满足特高压线路的防雷要求。运行经验和理论计算结果均表明,特高压线路绝缘水平很高,雷击塔顶或避雷线而引起反击闪络的可能性很低;雷击跳闸的主要原因是避雷线屏蔽失效,雷电绕击导线造成的。因此,采用良好的避雷线屏蔽设计是提高特高压输电线路耐雷性能的根本措施。在工程设计中故应特别对转角塔和耐张塔进行研究,使其具有较小的保护角,并可考虑安装杆塔侧向避雷针。另外,对于山区线路或处于地面倾斜角较大处的杆塔,建议采用负保护角,避免成为特高压线路防雷的薄弱环节。2确定绝缘子片数方法在特高压电网里,降低设备绝缘水平具有显著经济效益。统计法可用于自恢复绝缘,确定性法一般用于非自恢复绝缘。特高压电网绝缘配合包括四个方面:线路绝缘子、线路空气间隙、变电站空气间隙以及电气设备的绝缘。(1)线路绝缘子片数的选择取决于绝缘子长期耐受工作电压的性能,操作过电压和雷电过电压用来校验其是否满足要求。目前确定绝缘子片数的方法有爬电比距法和污耐压法,后者弥补了前者的不足,在特高压系统中得到应用和推荐。研究表明,一般污秽地区宜用双伞型绝缘子,中等污秽地区可选用三伞型绝缘子,中等以上的重污秽地区,建议采用复合绝缘子。以CA887-EZ双伞型300kN瓷绝缘子为例,在不同污秽等级下,按照污耐压法确定的单“I”串片数如表2所示。(2)线路空气间隙的选择各国略有差异,这是因为不同国家最高运行电压、允许过电压倍数和设计风速不同,而且避雷器性能也有差异。各国线路空气间隙选择如表3所示。(3)变电站最小空气间隙的选择原则是使空气间隙的绝缘水平与设备外绝缘水平相当操作过电压对此起控制作用。研究表明,最小空气间隙与杆塔单双回输电线路结构关系不大,两者可以互相采纳。我国特高压工程中变电站最小空气间隙选择如表4所示。(4)电气设备的绝缘是非自恢复型,采用确定性法进行选择。站内的主要设备,包括变压器、断路器、电抗器和套管等,都采用避雷器进行保护,避雷器额定电压采用828kV。根据中国目前制造能力和过电压水平,特高压设备绝缘水平如表5所示。3特高压线路技术进展情况特高压交流输电的过电压及绝缘配合具有特殊性,但通过合理配置相关设备、优化线路和变电站设计可以满足要求,在技术上也是可