超_特高压输电工程典型间隙操作冲击放电特性试验研究综述

第35卷第1期电网技术Vol.35No.12011年1月PowerSystemTechnologyJan.2011文章编号：1000-3673（2011）01-0011-07中图分类号：TM85文献标志码：A学科代码：470·4034超/特高压输电工程典型间隙操作冲击放电特性试验研究综述谷琛，张文亮，范建斌（中国电力科学研究院，北京市海淀区100192）SummaryofExperimentalStudyonSwitchingImpulseFlashoverCharacteristicsofTypicalAirGapsinEHV/UHVTransmissionSystemsGUChen,ZHANGWenliang,FANJianbin(ChinaElectricPowerResearchInstitute,HaidianDistrict,Beijing100192,China)ABSTRACT:InthedesignofEHV/UHVpowertransmissionprojects,theselectionofairgapsisveryimportantforitimpactsonthesizesoftransmissiontowersanddistancesamongvariouselectrifiedconstructionalelementswithinsubstationsorconverterstations.Rationaldesignofairgapnotonlyconcernssecureandstableoperationofpowersystem,butalsodireclybearsuponconstructioncostoftheproject.Generallyspeaking,theairgaptowithstandswitchingovervotlageneedsmaximumairgaplengththanthosewithstandingpowerfrequencyovervoltage,DCovervoltageorlightningsurge,thustheswitchingimpulseflashovercharacterisiticsoftypicalairgapsoftransmissiontower,andthoseinsubstationsandconverterstationsisoneoftheimportantfactorsimpactingonsecurityandeconomyoftransmissionprojects,andisalsothemainfoundationinthedesignofEHV/UHVAC/DCtransmissionprojects.Thedischargingcharacteristicofairgapunderswitchingovervoltageisrelatedtosuchfactorsastheformofelectrode,distancebetweenelectrodes,thewaveformoftheappliedvotlageandsoon.Toprovidereferenceformorein-depthresearchesinfutureinthisfield,theexperimentalstudiesonswitchingimpulseflashovercharacteristicsofairgapshomeandabroadaresummarized,includingvariousswitchingimpulseflashovercharacteristicsandfactorsimpactingthecharacteristics.KEYWORDS:EHV/UHVpowertransmission;typicalairgap;switchingimpulsevoltage;flashovercharacteristics摘要：在超/特高压输电工程的设计中，空气间隙的选择非常重要，可以影响输电线路中杆塔的尺寸，以及变电站或换流站中各种带电结构之间的距离。空气间隙的合理设计既关乎系统的安全稳定运行，又直接影响到工程的造价。一般情况下，与工频、直流或雷电过电压相比，耐受操作过电压所需的空气间隙最大，因此，杆塔和变电站或换流站中典型空气间隙的操作冲击放电特性是影响输电工程安全性和经济性的重要因素之一，也是超/特高压交直流输电工程设计的主要依据。操作电压下空气间隙的放电特性与电极的形状、电极间的距离、施加电压的波形等因素有关。通过对国内外空气间隙在操作冲击电压下的试验研究进行综述，包括各种典型间隙的操作冲击放电特性以及影响该特性的各种因素，从而为今后更加深入地研究操作冲击放电特性提供借鉴。关键词：超/特高压输电；典型间隙；操作冲击电压；放电特性0引言从20世纪80年代初期葛南直流工程启动开始，我国陆续有葛南、天广、龙政、江城、贵广以及向上、云广等±500~±800kV各电压等级的直流输电工程投入运行，交流电压等级也从500kV提高到1000kV。为探索各种电压等级下空气间隙的操作冲击放电特性，我国研究人员先后进行了500kV交流、750kV同塔双回、1000kV交流以及±500、±660、±800、±1000kV直流输电线路与变电站或换流站中典型空气间隙的试验研究[1]，得到了相应的操作冲击放电特性曲线。近几年，随着电网的快速发展需求，我国还建立了特高压交直流试验基地，可以满足交直流特高压真型试验的要求。自20世纪50年代开始，欧洲、北美和日本等国就针对长空气间隙放电特性与机制进行了大量研究。美国、前苏联、加拿大和意大利等国相继建立了试验基地，在真型塔上进行空气间隙的放电试验研究，研究内容涵盖了不同间隙距离、不同电压波形、邻近接地体、塔窗宽度、均压环和导线等因素对空气间隙放电特性的影响。空气间隙的操作冲击放电特性与电极的形状、12谷琛等：超/特高压输电工程典型间隙操作冲击放电特性试验研究综述Vol.35No.1间隙距离、施加电压的波形等因素有关，且具有一定的分散性，特别是当电压达到超高压和特高压等级后，每种塔型都可能有其各自不同的闪络特征，因此在实际工程中非常重视全尺寸真型试验研究，如我国各电压等级的间隙研究多采用与实际工程相同或相近的真型塔进行试验[2-7]。但实际工程用杆塔多种多样，试验研究很难涉及所有的杆塔结构，也不可能与全尺寸模拟试验所用杆塔结构完全一致，因此也采用缩比模型进行试验研究，如文献[8-9]先后进行的比例为1:50和1:10的特高压线路缩比模型间隙试验等。如果能结合真型试验、缩比试验和典型电极结构模拟试验的特点，归纳出大气条件、间隙结构、冲击电压波形等因素对放电特性的影响规律，对今后的工程设计将具有重要意义。1间隙结构的影响空气间隙的操作冲击强度取决于电极的几何结构和冲击电压的极性。空气间隙的强度通常由50%闪络电压U50和标准偏差σ来表示。在过去的研究中，研究人员采用了不同的间隙结构来研究空气间隙的放电特性，包括棒-板[10]、棒-棒[11]、线-板[12]等简单的典型间隙，以及实际线路中导线[13]、杆塔塔窗[14]、长串绝缘子[15]等，得到了不同间隙的操作冲击放电特性。文献[16]对棒-板、竖直棒-棒间隙、水平棒-棒间隙以及杆塔塔头典型间隙进行了试验研究，在竖直棒-棒间隙中还讨论了接地一端的棒电极长度不同时空气间隙操作冲击U50的变化情况。假设地电极高度为H，空气间隙距离为L，不同H/L情况下U50与间隙距离的关系如图1所示[16]。当H=0时情况比较特殊，相当于棒-板电极，此时对应的L/m024681050%临界闪络电压/kV050010001500300025002000负极性正极性LH图1竖直棒-棒间隙的临界U50与间隙距离的关系Fig.1CriticalU50ofverticalrod-rodairgapversusgaplengthU50最低。当H/L增加时，间隙的U50增加，对于正极性，在H/L=∞时，间隙强度最高，对理想间隙，正极性和负极性的U50相同，这种情况下，负极性U50也最低。当H/L降低时，负极性U50增加，当H=0(即棒板间隙)时，负极性U50达到最高值。这种现象表明了正极性电极及其周围电场对间隙放电发展的重要影响。接地板电极或大量处于地电位结构的存在，会加强正极性棒周围的电场强度，使操作冲击放电电压降低。文献[17]进行了不同尖端的棒-板间隙操作冲击试验。棒-板间隙长度分别为5和10m，板电极为10m2的铝板。使用了3种不同尖端形状的棒电极，分别为半球、双曲面和圆锥形，直径均为0.6m。棒电极作为正极性电极，施加双指数冲击电压。在相同长度的间隙上施加了波前时间分别为130、260和500μs的操作冲击电压。试验结果如图2所示[17]。图中，上部分曲线为10m间隙下50%放电电压U50随波前时间的关系曲线，下部分曲线为5m间隙下的关系曲线。图中给出了该放电电压下的标准偏差σ，用竖线表示。试验表明，通常圆锥形尖端U50最低，双曲面次之，半球面最高。对10m间隙，其最大差别为7%；对5m间隙，最大差别可达11%。这表明正极性电极形状造成的电极附近电场畸变会对间隙放电产生影响。U50/kV100t/μs2003004005001000120014001600180020002200半球双曲面圆锥图23种间隙结构的U50与波前时间的关系Fig.2RelationbetweenU50ofthreetypesofairgapsandtime-to-crest文献[14]也介绍过类似试验。试验在3m棒-板间隙进行，一个尖端是直径为30cm的球面，另一个尖端是35°圆锥面。对于给定波头时间的操作冲击电压，球面的U50比圆锥高6%~8%。500kV线路模拟塔头的间隙试验如图3、4所示[18]，该试验是为研究不同间隙结构对间隙放电特第35卷第1期电网技术13(a)4分裂导线−杆塔下横担(b)4分裂导线−板(d)5英寸球−板(c)屏蔽环−板11m130mm800mm55mm11m13m8m10m400mm5m4.6m图3间隙结构Fig.3Airgaplayout正极性50%放电电压/MV间隙长度/m24653810121416abcda—4分裂导线−杆塔下横担；b—4分裂导线−板；c—屏蔽环−板；d—5英寸球−板。图4正极性操作波不同间隙距离下的放电电压Fig.4Flashovervoltagesofdifferentgaplengthsunderpositiveswitchingimpulsevoltage性的影响。4分裂导线对下横担、4分裂导线对板、屏蔽环对板和球对板等间隙结构的放电特性试验见图3，发现各种间隙的放电特性有很大差别，最大和最小放电电压相差近50%。间隙放电特性受绝缘子存在与否的影响，如图5所示[19]。对于正极性操作冲击，有无绝缘子间隙放电电压基本一样，而负极性操作冲击下有绝缘子时间隙放电电压比无绝缘子时要低，而且接地端棒长越短，影响越大。50%击穿电压U50/MVH/m5无绝缘子负极性有绝缘子有绝缘子正极性010152020304010无绝缘子图5绝缘子的存在对间隙放电特性的影响Fig.5Influenceoftheexistenceofinsulatoronflashovercharacteristicsofairgap不同的电极形状和间隙结构对应的空气间隙放电特性也不尽相同，即使对同一典型间隙，如棒-板间隙，其中棒电极形状、长度、直径等参数的变化都会引起间隙放电特性的差异，而塔头中导线周围的接地结构，如杆塔塔身和横担等，也会对塔头空气间隙的放电特性造成影响。由此可见，简化的棒-棒、棒-板间隙的放电特性很难完全反映真实线路和塔窗等间隙的放电特性，由此得到的长空气间隙放电特性也只是特定条件下的试验数据，并不能反映不同间隙结构的放电特性[20-