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输电线路绝缘配合设计方法探究
摘要：架空输电线路绝缘配合对输电线路安全稳定运行极为重要，本文针对架空线路绝缘配合原则、计算方法、选用标准，从爬电距离、电气间隙两个方面分析了输电线路绝缘配合的设计步骤和设计要点，得出安全经济的绝缘配合设计方法；通过实例分析，表明经过塔高修正和海拔修正，绝缘子数量和空气间隙能满足实际工程需要。
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架空输电线路的绝缘配合是关系到电力系统安全稳定与经济运行的重要方面，电气设备绝缘水平选择是在综合考虑系统中设备可能承受的各种作用电压（包括工作电压和过电压）、保护装置的特性和设备绝缘对各种工作电压的耐受特性，合理选择选择设备绝缘等级，使设备的制造成本、维修费用和设备绝缘故障造成的损失，在经济、安全运行的综合效益上达到最高目标。
架空输电线路设计要贯彻安全可靠、先进适用、经济合理的国家基本建设方针和技术经济政策。绝缘配合是综合考虑输电线路上可能出现的各种电压的作用，（包括线路上的工频电压、操作过电压、雷电过电压的作用），合理确定水电线路的绝缘水平，保证线路能够安全可靠运行，绝缘配合设计的内容主要包括导线对杆塔、导线对地、不同相导线间的绝缘选择。
线路绝缘配合计算的方法主要有惯用法和统计法，相比较而言，统计法计算复杂，惯用法计算简单而且较为方便，是架空输电线路绝缘配合的常用计算方法。选择绝缘子串、确定线路和杆塔上的安全间隙以及极间距离（空气间距）构成线路绝缘配合的主要内容。
1、塔头绝缘配合的设计
1.1选择绝缘子串
输电线路塔头绝缘的组成主要有绝缘子串和空气间隙，线路绝缘子串的选择应考虑满足绝缘和机械强度的要求。除了考虑绝缘子串在工频电压下不发生污闪、在操作过电压下不发生湿闪外，还应具备足够的雷电冲击绝缘强度，满足耐雷水平与雷击跳闸率的规范要求。
线路绝缘子根据受力情况一般分为悬垂绝缘子串和耐张绝缘子串，通常按悬垂绝缘子来选择绝缘子数量，而耐张绝缘子串受力较大，受电场分布的影响，容易出现耐压为零的零值绝缘子。为了补偿零值绝缘子，耐张绝缘子一般适当增加绝缘子片数，对于电压等级为110kV至330kV的高压输电线路，应增加1片绝缘子；对于电压等级为500kV的高压输电线路，应增加2片绝缘子，对于电压等级为750kV的输电线路则不需要增加绝缘子片数。
输电线路均设置有防雷措施，除大跨越线路外（大跨越线路易发生绕击），雷电过电压一般不作为选择悬垂绝缘子片数的决定条件。悬垂绝缘子串的绝缘子数量，一般按照耐受长时间工频电压下不发生污闪、在操作过电压下不发生湿闪来确定。具体选择方法为:
(1）根据绝缘子所受机械力和环境条件，选取悬式绝缘子的型号[1];
(2）按照工频电压所要求的泄漏距离，采用爬电比距法选择绝缘子串中的绝缘子片数；
(3）按操作过电压水平选择绝缘子串中绝缘子片数；
(4）选取（2)(3）所计算绝缘子片数中的较大者，同时校核线路的耐雷水平与雷击跳闸率是否符合规范要求。
1.1.1按工作电压要求选择绝缘子片数
为了防止线路绝缘子串在工作电压下发生污闪事故，绝缘子串应有足够的沿面爬电距离。一般采用爬电比距法[2]，参考《电力工程高压送电线路设计手册》第二版公式2.6.17和《110-750kV架空输电线路设计规范》（即GB50545-2010）第7.0.5款，绝缘子片数按公式（1）计算：
公式1
式中：n——1000m及以下海拔悬垂绝缘子所需片数[3];
公式1
U——输电线标称电压（kV);
Lo1——所选单只悬式绝缘子的几何爬电距离(cm);
Ke——爬电距离的有效系数。
绝缘子几何爬电距离按照绝缘子在试验和运行中污秽耐压的有效性来确定[4]，普通型XP-60绝缘子其值取为1。
1.1.2按操作过电压和雷电过电压要求选择绝缘子片数
在1000m以下海拔高度的地区，在操作过电压和雷电过电压作用下，悬垂绝缘子串的绝缘子最少数量，应满足表1的要求。
表1操作过电压和雷电过电压作用下悬垂绝缘子串的最少数量
1.2进行塔高的修正
当杆塔高度超过40m时，要进行修正。对于总高度大于40m且有地线的杆塔，杆塔高度每增加10m，在表1的基础上应增加一个相当于146mm高的绝缘子。对于100m以上的杆塔，可根据运行经验确定绝缘子串的绝缘子片数，或者通过计算确定。当考虑杆塔高度而需增加绝缘子数量时，相应雷电过电压的最小间隙也应增大。杆塔总高度超过40m时的750kV电压等级输电线路，可根据实际情况进行计算，确定是否需要增加绝缘子串的绝缘子数量和间隙。
塔高大于40m时，确定悬垂绝缘子串的最少绝缘子片数可按公式（2）计算：
公式2
式中：n1——塔高小于40m时按照表1确定的悬垂绝缘子串的最少绝缘子片数，即修正前的最少绝缘子片数；
n2——杆塔高度大于等于40m时确定的悬垂绝缘子串的最少绝缘子片数；
h1——塔高小于40m时按照表1确定的悬垂绝缘子的高度（mm);
h2——待求绝缘子的单片高度（mm);
H——杆塔高度（m);
int——取整。
1.3进行海拔修正
在海拔高度超过1000m的地区，还应考虑高海拔的影响，在选择悬垂绝缘子串的数量后还需要进行海拔修正，按公式（3）修正：
公式3
nH——高海拔地区每串绝缘子所需数量；
H——线路所处海拔高度（m);
m1——特征指数，反映气压对污闪电压的影响程度，一般由试验确定。在具体工程实践中，特征指数1m可按《110-750kV架空输电线路设计规范》附录C的规定选取。
2、空气间距的选择
空气间隙受到不同气象条件的影响，气象条件不佳时，空气间隙的选择格外重要，不同季节和时间的不同风速下，风偏后带电部分对杆塔的安全间隙也要保持在安全范围内[5]。
输电线路上的空气间隙主要包括：导线对地面的空气间隙、导线之间的空气间隙、导线与地线之间的空气间隙、导线与杆塔之间的空气间隙。
2.1导线对地面的安全距离确定
确定导线对地面的安全距离，即空气间隙（即空间距离）时主要考虑穿越导线下面最高物体与导线的安全距离，确定方法参考《110-750kV架空输电线路设计规范》第13节“对地距离及交叉跨越”部分。
2.2导线之间的空气间隙确定
确定导线之间的空气间隙，应考虑相间过电压的作用以及相邻导线在大风中因不同步摆动或舞动而相互靠近等问题。导线的线间距离应结合运行经验确定[6]，并应符合公式规定：当导线为水平排列时，对于1km以下档距，水平线间距离一般按公式（4）计算：
公式4
式中：
ki——悬垂绝缘子串系数；
D——导线水平线间距离（m);
Lk——悬垂绝缘子串长度(m);
U——系统标称电压(kV);
fc——导线最大弧垂(m)。
当档距超过1000m的大跨越杆塔，尤其是跨越较大河流的大跨越导线，可按公式（5）确定。
公式5
系数k可在0.8至1.0之间选取。
当导线垂直排列时，线间距离为上式计算结果的75%；导线三角形排列时的等效水平线间距离按公式（6）计算确定：
公式6
Dx——导线三角排列的等效水平线间距离(m);
Dp——导线间水平投影距离（m);
Dz——导线间垂直投影距离（m）。
对于多回路、同杆塔架设的高压输电线路，考虑到不同回路之间导线发生闪络将会影响到两个以上回路的供电安全[7]，容易使事故扩大，因此对多回路杆塔的不同回路相导线间的水平或垂直相间距离，应比单回路不同相导线间所要求的相间距离大0.5m。
2.3导线、地线之间的空气间隙确定
在选择导线与地线之间的空气间隙时，一般按标准雷电波形雷击于档距中央避雷线上，此时导线与地线间的空气间隙不击穿来确定安全距离。
杆塔上两地线之间的距离，要求不应超过导线与地线间垂直距离的5倍。在一般档距线路的档距中央，导线与地线之间的距离，通常应按公式（7）确定：
公式7
式中：S——导线与地线之间的距离（m);
L——档距（m）。
对于档距较大的大跨越输电线路，当按雷击线路档距中央避雷线来选定地线与导线之间的距离时，由公式（7）计算出的距离往往过于偏大，此时应按避免发生反击的公式（8）来进行计算，并取公式（7）和公式（8）两公式计算数值的相对较小者。
公式8
I——耐雷水平，kA。
2.4导线与杆塔之间的空气间隙确定
在海拔高度不超过1000m的地区，带电部分与杆塔（包括拉线、脚钉）之间的最小间隙，应按表2确定。
表2带电部分与杆塔的最小间隙（单位：m)
需要强调的是，表2中750kV括弧内为边相Ⅱ型串最小间隙，括弧外为边相Ⅴ型串最小间隙，在海拔高度1000m以上地区，要进行海拔修正，海拔每增高100m，间隙值比表2中的数据增加1%。
3、实例分析
某500kV架空输电线路工程，最高运行电压550kV，导线采用4×JL/GLA-500/45，子导线直径30mm，导线自重荷载为16.528N/m，基本风速27m/s，设计覆冰厚10mm。
3.1根据以下情况，计算确定导线悬垂绝缘子串数
(1）跨越塔全高100m，所经地区海拔为3000m。
(2）等值盐密为0.10mg/cm2，统一爬电比距（最高运行相电压）要求按4.0cm/kV设计。
(3）绝缘子的公称爬电距离为480mm，结构高度170mm，爬电距离有效系数为1.0，特征指数m取0.40。
3.2位于3000m海拔高度时输电线路带电部分与杆塔构件工频电压最小空气间距应为何值
计算过程如下：
(1）确定导线悬垂绝缘子串数
1）按操作过电压及雷电过电压配合选择
由表1可知，500kV线路悬式绝缘子串需25片结构高度155mm的绝缘子片；由公式（2），结合绝缘子高度为170mm，则绝缘子片数修正为：
公式9
取28片。
2）按爬电比距法选择
公式10
综合（1）、（2）取较大者28片。
海拔修正后的绝缘子片数：
公式11
取31片。
(2）确定输电线路带电部分与杆塔构件之间的工频电压最小空气间距
公式12
4、结语
架空输电线路绝缘配合设计主要包括绝缘子个数和导线电气距离的确定，两者对输电线路安全运行非常重要。分析、总结输电线路绝缘配合的设计方法，合理设计绝缘子个数和导线电气距离，满足输电线路在工频电压、操作电压和雷电过电压等条件下安全可靠运行，对于电力工程中高压输电线路设计具有重要参考价值。
参考文献：
[1]孙秀丽,杨超.输电线路绝缘配合设计方法探讨[J].黑龙江科学,2017(24):92-93.
[2]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册(第二版)[M].中国电力出版社,2003.
[3]中国电力企业联合会.110-750kV架空输电线路设计规范[M].中国计划出版社,2010.
[4]苏明强.输电线路绝缘配合设计对策分析[J].电气技术与经济,2018(03):62-63.
[5]程学启,张玉洲.关于输电线路与变电站之间绝缘配合问题的探讨[J].山东电力技术,1999(4):22-23.
[6]陈雪琨,徐海利,李凌雁.多雷区输电线路并联间隙的绝缘配合研究[J].山东农业大学学报(自然科学版),2020(3):28-29.
[7]李小健,郑增泰,梅忠恕.高海拔地区500kV输电线路绝缘配合的研究[J].云南电力技术,1994(1):14-19.
李家坤,施喜平.输电线路绝缘配合设计方法研究[J].黄冈职业技术学院学报,2020,22(06):132-135.
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