特高压钢管塔线路带电作业间隙放电特牲研究

 唐盼，雷兴列，刘凯，刘庭，肖宾，彭勇，苏梓铭，吴田

 （中国电力科学研究院，湖北武汉  430074）

摘要：随着特高压工程的建设和发展，钢管塔已大量投运到实际特高压线路工程中。为保证特高压钢管塔线路带电作业的安全开展，仿真计算并对比分析了特高压钢管塔、角钢塔塔身周嗣的电场分布情况。以1:1钢管塔模型试验获得各种典型带电作业工况下的操作冲击放电特性，确定了各工况下带电作业的安全距离。通过钢管塔和角钢的冲击放电试验，对比分析了2种塔型结构的操作冲击放电特性。研究成果可在特高压钢管塔同塔双回线路带电作业中提供技术支撑．

关键词：特高压：钢管塔：带电作业：安全距离试验

O引言

 特高压钢管塔较传统的角钢塔具有结构简单、占地小、承载力高、结构美观、可靠性强的特点，特别适用于特高压多回输电线路中。目前“皖电东送”和“浙一福线”工程，均全线采用钢管塔结构。

 钢管塔与角钢塔在设计的细节上存在差异。钢管塔塔身及横担面材料较少．且全部采用钢管材料，表面为圆弧形。上述因素都会改变空间间隙的电场分布，进而影响间隙的冲击放电电压。

 目前特高压同塔双回线路带电作业安全距离均以角钢塔为对象进行模拟试验获得．为保证特高压钢管塔带电作业的安全可靠．有必要对钢管塔线路带电作业间隙的放电特性进行研究。

 本文通过仿真计算．对比分析钢管塔和角钢塔周围空间电场的分布情况。按1:1钢管塔模型展开操作冲击放电试验，确定特高压钢管塔线路带电作业的安全距离。通过操作冲击放电对比试验．分析了钢管塔与角钢塔结构间隙的操作冲击放电特性的差异。研究成果可为特高压钢管塔线路的带电作业提供技术支撑。

1  钢管塔间隙电场分布

1.1  电场不均匀度

 空气间隙的击穿电压与间隙结构有关，通常用间隙系数体现。间隙系数与间隙的电极结构、电场分布有关，电场分布越不均匀．空气间隙系数越小．放电电压越低．即间隙电场分布不均匀度越大，该间隙越容易放电。

沿一定放电间隙路径电场强度的不均匀系数定义为

式中：E．。为路径上电场强度最大值；E。。为路径上电场强度平均值：(为间隙长度，即电极间的距离。

 电场的不均匀系数虽然可以由式(1)计算，但电场不均匀系数只与电极的结构及布置方式有关．并不随电气间电压的大小而改变。

1.2  电场分布仿真计算

根据浙北一福州1 000 kV特高压交流输电工程实际运行情况．选取典型的直线塔S23展开研究。钢管塔主材均采用钢管结构材料制成．其规格范围为Q345D89-D529，塔型如图1所示。

为研究钢管塔结构对电场分布的影响．本文通过ANSYS软件按照钢管塔以及角钢塔实际比例进行建模．采用电场的三维有限元计算方法．选取导线及与导线同高的塔身表面周围区域．仿真计算线路正常运行时．2种塔形周围电场分布情况对比，如图2和图3所示。

考虑到带电作业中放电的最短路径在经过导线与塔身或者横担面垂直的平面上，根据仿真计算结果，绘制该平面轨线上的电场强度分布曲线．如图4和图5所示。沿轨线上电场强度的极值和电场不均匀系数如表1所示。

 从仿真结果可以看出，在杆塔宽度、导线直径相同的情况下．钢管塔塔身表面电场强度比角钢塔表面小．2种塔型时导线周围及沿轨线上最小电场强度相差不大．钢管塔结构下相应的空气间隙的电场不均匀系数略小。这是因为2种空气间隙均为棒一板间隙，钢管塔材料为圆柱形，角钢塔材料为棱角结构，相对于圆柱形结构，棱角导致电场畸变更严重。根据电场强度不均匀系数与间隙放电电压的定性关系可以推出，钢管塔问隙操作冲击放电电压应比角钢塔间隙略高。

2钢管塔间隙操作冲击放电试验

2.1  试验布置

钢管塔与角钢塔塔材的耐张塔放电间隙结构一致，因此只对直线钢管塔进行冲击放电试验。在如图1所示的直线塔上处于等电位进行带电作业的过程中，可能发生的放电路径有3种情况：(1)作业人员在导线等电位作业．对背后塔身放电；(2)作业人员在导线等电位作业，对头顶横担构架放电：(3)作业人员在中层或上层导线等电位作业，对脚下方横担构架放电。根据上述典型工况．模拟塔身放电试验布置如图6所示。

 模拟塔头采用钢管材料按照1:1比例制作，图6中S1、S2、S3分别为模拟人在导线等电位位置时，到塔身、上方横担、下方横担的距离。

 试验采用250us/2 500us的标准冲击波进行冲击放电试验，所有试验数据均按文献[4]修正至标准气象条件下。

2.2  带电作业危险率及海拔修正

带电作业危险率Ro可由式(3)求得，即

式中：Po为带电作业操作过电压幅值的概率密度函数；P，为空气间隙在幅值为U的操作过电压下击穿的概率分布函数，可由式(4)计算得到，即

式中：U0ck为空气问隙的操作冲击50%放电电压；盯．，为空气间隙操作冲击放电电压标准偏差。根据上述数学模型编制计算程序，即可计算得到相应的带电作业危险率。

为满足工程实际需求，分别计算了海拔0 m.500 m处的带电作业最小安全距离及最小组合间隙。海拔校正系数采用IEC60071-2-1996推荐的公式．即

式中：H为海拔高度，m;m为与最小放电路径及电压波形相关的系数。

2.3试验结果

操作冲击放电试验中分别改变距离S1、S2、S3，获得各种工况下的放电电压U。，并将结果绘制成曲线，得到钢管塔间隙冲击放电特性如图7所示。

由放电曲线可以计算不同位置作业时，各工况最小的间隙距离，考虑人体占位0.5 m,得到各间隙下带电作业的最小安全距离，结果如表2所示。

 由危险率校正结果可知，上述安全距离均满足带电作业可以接受的最大危险率水平(1×10-5)。

3钢管塔与角钢塔的冲击放电特性对比

为确保带电作业的安全性，需要进一步研究钢管塔间隙与角钢塔间隙放电特性的差异。以导线一塔身电极结构为研究对象．模拟2种塔形在该间隙下的操作冲击放电特性试验，试验布置如图6所示，只需将模拟钢管塔换成模拟角钢塔结构。试验中通过改变间隙距离S1，得到2种塔形结构的冲击放电特性曲线，如图8所示。

 从试验数据得出，钢管塔结构间隙放电电压U 50c/r比角钢塔结构间隙放电电压高0.7%～1.3%，且随着间隙距离的增大．2种塔形结构间隙放电电压的差变小．2种结构下间隙的放电特性基本保持一致．在实际工程应用中，带电作业的间隙距离更大，钢管塔结构的放电趋势与传统角钢塔会趋于相同。

4结论

 通过模拟计算和试验分析研究，得出结论：(1)相同塔型下，特高压钢管塔塔身表面电场强度比角钢塔塔身表面电场强度小，但沿放电间隙路径上．钢管塔结构下的电场不均匀系数比角钢塔略小；(2)带电作业人员处于等电位作业时，考虑海拔Om和500 m情况，与侧方塔身的最小安全距离为5.7 m、6.0 m;与头顶横担的最小安全距离为7.0 m、7.3 m;在中、上相作业时，与下方横担最小安全距离为5.9 m、6.2 m；(3)相同放电间隙结构下，钢管塔塔形冲击放电电压比角钢塔高0.7%~1.3%．且随着间隙距离的增加，两者放电电压的差异越小。