[发明专利]一种500kV输电线路复合绝缘子并联间隙的设计方法

摘要

本发明公开了一种500kV输电线路复合绝缘子并联间隙的设计方法，包括以下步骤：1)确定并联间隙招弧电极的形状；2)确定并联间隙招弧电极的材料；3)确定并联间隙招弧电极的界面；4)确定并联间隙的几何尺寸；5)并联间隙联接金具的设计；6)并联间隙的电气性能测验。本发明方法特别适合用于设计均压性能良好的、导弧速度快且保护效果好的500kV输电线路复合绝缘子并联间隙。

主权项

一种500kV输电线路复合绝缘子并联间隙的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定并联间隙招弧电极的形状1.1)招弧电极的基本形式分为两类：棒形和环形，前者为了改善端头的电场分布，防止棒端烧损过快，可将端头设计为小球或羊角形；后者是为了获得明显的均压作用和较好地保护绝缘子；1.2)对于复合绝缘子，采用并联间隙，不仅需考虑保护绝缘子和导线免受工频电弧灼烧，还应考虑是否满足可见电晕和无线电干扰要求，是否改善绝缘子串电压分布；1.3)将直线串的高低压招弧电极设计为开口环状；2)确定并联间隙招弧电极的材料并联间隙招弧电极的电弧燃烧特性是选择材料的决定性因素，目前,线路金具的常规材料有钢、铜、铝，如果电极截面不变，在试验条件相同的情况下，电弧运动的速度只取决于材料，采用钢材料电极上电弧的运动速度要比采用铝材料上的高出50％，而铜和铝的情况则相同，铝的热耗比钢高得多，在同样的热应力下，不同电极在弧根烧灼的位置，铝的金属损耗要比钢高4～5倍，在弧根烧灼的位置，损耗的材料中的绝大部分并不是严格意义上的烧掉，而是以颗粒的形式被抛出，在铝电极的短路试验中，发现试验后有大量的损耗掉的材料以氧化铝的形式散落在地板上；在间隙装置所用的棒或管尺寸相同的情况下，其机械强度与材料强度成正比，铝质间隙装置只有在采用更大的尺寸时才能达到与钢质间隙装置相同的稳定性，考虑到防腐需要，热镀锌钢是制作架空线路并联间隙招弧电极最合适的材料；3)确定并联间隙招弧电极的界面并联间隙应可多次动作而不损坏，这就要求其具有一定的热稳定性，招弧电极的截面决定了其热稳定性，截面的选择受系统短路电路大小和短路持续时间影响，若雷击使得离变电站较近的杆塔闪络，则短路电流和母线处短路电流相差不大，若在此处安装并联间隙，招弧电极应满足短路电流的热稳定要求，招弧电极的最小截面可参照接地装置的热稳定校验所需符合的截面要求，由于均压引弧环在制造过程中需钻安装孔，在钻孔处会损失一部分金属，为使钻孔处也能满足热稳定要求，需留有一定的裕度，而且招弧电极上的电弧由于热动力、电动力作用下高速运动，会对招弧电极有机械作用力，留有裕度是十分必要的；4)确定并联间隙的几何尺寸为减小可听噪声以及提高电晕特性，并联间隙的下并联间隙即高压侧的位置需结合电场计算或可见电晕试验确定，并参照并联间隙设计时线路雷击跳闸率计算、电场分布计算的研究结果；4.1)在雷电冲击过电压下的并联间隙间隙距离整定计算对标准雷电波的波形规定是：T₁＝1.2(1+30％)μs，T₂＝50(1+20％)μs对于不同极性的标准雷电波可以表示为:+1.2/50μs或‑1.2/50μs因此采用+1.2/50μs标准雷电波冲击时的并联间隙电极间隙击穿电压与绝缘子串闪络电压分别作为最大过电压、耐受电压；每个间隙都有最低静态击穿电压，即长时间作用在电极上可以使间隙击穿的最低幅值电压，若要间隙保证被击穿，就必须使施加电压大于最低静态电压，同时施加电压还要维持所需时间以保证放电发展过程的完成，即放电时延；间隙被击穿需要的时间与电压型式、间隙的结构这些因素有关，因此这一时间具有不可预知的偶然性，这一因素就使电极间隙击穿规律要通过大量统计数据来发现与归纳；假设u_b50为引弧间隙在雷电冲击50％放电电压，u_j50为绝缘子串的雷电冲击50％放电电压，σ为标准偏差，则由实验经验可得：u_b50(1+3σ)＝u_j50(1‑3σ)；500kV架空线路的绝缘子串通常有25片，常用的XP‑7型瓷质盘形悬式绝缘子串长为438mm，查阅正极性雷电冲击电压下绝缘子串击穿电压和其长度曲线图推出，线路绝缘子串雷电冲击50％放电电压u_j50＝365.7kV，根据公式计算得到，u_b50＝305.4kV；再依据招弧间隙的计算标准，公式如下所示：U_b50＝550H+80其中U_b50为雷电冲击击穿电压，单位kV；H为并联间隙间隙距离单位为m；推出U_b50＝305.4kV时，并联间隙间隙距离H＝410mm，这是并联间隙在雷击下的最大间隙距离；4.2)在操作过电压下的并联间隙间隙距离整定计算在电力网络里存在大量的电感、电容器件，电感器件包括有发电机、变压器、互感器、电抗器、线路电感、消弧线圈；电容器件包括有用于无功补偿并联和串联电容器组，线路导线对地电容和线路相间电容，高压设备的杂散电容；当电力系统运行中由于运行状态的突然变化，会导致系统内电感和电容元件间电磁能的相互转换，引起震荡性的过渡过程，因而在某些设备或局部线路上会出现数倍于工频电压过电压，称为操作过电压；操作过电压是具有高频振荡、强阻尼、衰减消失时间短的暂态过电压，电极间隙击穿电压、绝缘子串闪络电压的波形在操作过电压下与在工频条件下的波形相似，所以可用工频放电电压乘以操作冲系数来反映操作冲击放电电压，采用250/2500冲击波来对并联间隙间隙距离进行计算，由实验经验，并联间隙的操作冲击50％放电压要比系统的最大操作过电压高17.6％；再依据上述并联间隙的计算标准，可以得知：500kV系统的最大操作过电压为1900kV，推出间隙操作冲击击穿电压U_b50＝2234kV时，招弧角间隙距离H＝272mm，这是招弧角在雷击下的最小间隙距离；4.3)最终并联间隙间隙距离的确定综合上述雷电冲击电压和操作冲击电压下的并联间隙间隙距离整定计算结果，可知要并联间隙所设计的保护功能，其最大间隙距离为410mm，最小间隙距为272mm，因此满足设计要求的并联间隙两个电极端头间距必须介于最大距离和最小距离之间；5)并联间隙的电气性能测验5.1)雷电冲击放电电压及伏秒特性试验安装并联间隙装置后，雷电冲击50％放电电压和雷电冲击伏秒特性降低了15％～20％，这主要是由于并联间隙装置减小了绝缘距离，另外，并联间隙端部为球头，造成局部电场畸变，会使放电电压有所降低，间隙距离与雷电冲击50％放电电压值之间具有较好的线性关系，各并联间隙的雷电冲击伏秒特性曲线均在复合绝缘子的伏秒特性曲线之下，并联间隙可起到在雷电过电压下保护复合绝缘子的作用；5.2)可见电晕和无线电干扰试验当工频试验电压升高到100kV时即大于规定试验电压87.6kV，并联间隙的上、下电极仍未见可见电晕，并联间隙的可见电晕性能满足国家标准要求，在无线电干扰特性的试验中，当工频试验电压升高到100kV时即大于规定试验电压87.6kV，复合绝缘子用并联间隙在1MHz下的无线电干扰电压分别为126和141μV，小于1000μV规定值，可知并联间隙的无线电干扰性能满足国家标准要求；5.3)工频电弧燃弧特性试验工频大电流燃弧特性试验验证了线路绝缘子雷击闪络过后，后续的工频短路电流产生的电弧是否能被引导到并联间隙装置上，且电弧是否能够固定在并联间隙装置的球头位置燃烧，从而使绝缘子串免于灼烧，在模拟导线上有电弧烧蚀的痕迹，说明电弧在电动力的作用下向电源外侧运动，试验结果表明，所设计的500kV并联间隙装置满足设计要求。