重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，包括改造杆塔和避雷线；获取改造线路的参数和历史数据；将改造线路的普通绝缘子更换为具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子；对具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子进行仿真分析并确定其外部结构和绝缘子氧化锌阀片参数；进行试验测试；完成重覆冰地区的无避雷线输电线路设计。本发明避免了覆冰避雷线断线而导致线路停运事故，并且大幅降低了输电线路造价，便于线路和杆塔的施工安装；采用具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子，该绝缘子既可防雷亦可防冰闪，提高了输电线路抗冰灾和雷害能力，保证了线路稳定运行；且安装简便，无需改变杆塔原结构，节省设备选型和电网建设的开支。
【专利说明】
重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法
技术领域
[0001] 本发明具体设及一种重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中 不可缺少的二次能源。因此，电力系统的安全稳定运行已经成为了我国经济发展的重中之 重。
[0003] 南方受气象和地形等因素影响，容易出现输电线路覆冰。线路导线与地之间有绝 缘子隔离，可W采用停电后加大电流的方式融冰;而避雷线与杆塔直接相连且无运行电流， 目前多采用人工除冰，没有有效的融冰方法。由于避雷线无电流的热效应，覆冰相对导线更 为严重，重覆冰情况下容易发生断线事故。避雷线断线后掉落在导线上，造成线路跳闽，引 起线路停运，严重影响用户的正常供电。线路停运后，因导线无电流热效应，还会加剧导线 覆冰，引起更严重的倒塔断线事故。
[0004] 有相关文献提出，让避雷线带绝缘子运行的方式;但是，该种情况下，避雷线路的 防雷性能大大下降，线路造价随之增加、施工难度显著增大。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种能够避免重覆冰地区输电线路的避雷线覆冰而引起 线路停运、有效实现电力系统安全稳定运行的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法。
[0006] 本发明提供的运种重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，包括如下步骤：
[0007] Sl.对重覆冰地区的杆塔和避雷线进行改造；
[000引S2.获取步骤Sl改造后的输电线路的电气参数、线路覆冰参数和历史数据、线路区 域雷电参数和历史数据；
[0009] S3.将步骤Sl改造后的输电线路的普通绝缘子更换为具有防雷功能的防冰闪合成 绝缘子；
[0010] S4.根据步骤S2获取的参数，仿真分析正常情况和覆冰情况下，步骤S3中更换的具 有防雷功能的防冰闪合成绝缘子在带电运行情况下周围的电场分布、间隙电弧工频焰弧能 力、雷电冲击下防雷段的能量和残压参数；
[0011] S5.根据步骤S4的仿真分析结果，确定所述具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子的 外部结构和绝缘子氧化锋阀片的参数；
[0012] S6.对步骤S5确定的具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子进行试验测试；
[0013] S7.根据测试结果，重复步骤S4~S6,直至具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子通过 测试;完成重覆冰地区的无避雷线输电线路设计。
[0014] 步骤Sl所述的对重覆冰地区杆塔和避雷线进行改造，具体包括对已运行线路，在 现有杆塔的基础上去除避雷线及导线绝缘子横担上方的钢架结构;对于在建线路，在不考 虑避雷线条件下根据设计标准进行线路设计。
[0015] 步骤S2所述的获取改造后的输电线路的电气参数、线路覆冰参数和历史数据、线 路区域雷电参数和历史数据，具体包括杆塔高度、接地电阻、塔头几何布置、线路档距和绝 缘水平、导线分裂类型、导线直径和直流电阻信息，线路区域雷电参数为雷电流幅值概率分 布、雷电流波形和地闪密度信息。
[0016] 步骤S3所述的具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子，为专利申请号为 化201010171556.9中所述的具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子
[0017] 步骤S4所述的仿真分析，具体为采用有限元分析和Mayr电弧模型进行电场分布仿 真分析和间隙电弧工频焰弧能力仿真分析；W及采用电磁暂态分析对雷电冲击下防雷段的 能量和残压参数进行仿真分析。
[0018] 步骤S5所述的确定所述具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子的外部结构，具体为根 据步骤S4所述的仿真分析结果，结合绝缘子和避雷器设计规程确定具有防雷功能的防冰闪 合成绝缘子的外部结构。
[0019] 所述的确定具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子的外部结构，具体为在额定运行电 压下，通过重覆冰、重污秽绝缘子的电场仿真，得到绝缘子的表面的最大电场值和电场分布 曲线;然后在保证绝缘子最大电场值小于17kV/cm和电场崎变系数小于10的条件下，进行绝 缘子外部结构的设计修订，修订参数包括绝缘段与防雷段的比例分布、均压环位置和大小、 绝缘子伞群尺寸和伞群间距；同时，采用Mayr电弧模型对绝缘段均匀环间隙电弧工频焰弧 能力进行分析，W间隙电弧在工频电弧电流第一次过零时必须焰灭且无重燃现象为标准， 确定绝缘子绝缘段均压环间隙距离。
[0020] 所述的确定绝缘子氧化锋阀片的参数，具体为在所确定的具有防雷功能的防冰闪 合成绝缘子的外部结构形式条件下，分析在幅值200kA、波形参数2.6/50ys雷电流作用下， 绝缘子防雷段的氧化锋阀片的通流能量和残压设计参数。
[0021] 所述的确定绝缘子防雷段的氧化锋阀片的通流能量和残压设计参数，具体为保证 在200kA直击雷下，防雷段氧化锋阀片无损坏；同时要保证在200kA直击雷下，防雷段残压值 小于防雷段复合外套雷电冲击闪络电压。
[0022] 所述的确定绝缘子防雷段的氧化锋阀片的通流能量和残压设计参数，具体为通过 氧化锋阀片的尺寸结构、配方配比和烧结工艺确定。
[0023] 步骤S6所述的试验测试包括工频电压测试、冲击电压测试、雷电流冲击测试、工频 续流测试、拉力测试、老化试验、电场分布测量和覆冰试验试验测试。
[0024] 本发明提供的运种重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，避免了覆冰避雷线 断线而导致线路停运事故，并且大幅降低了输电线路造价，便于线路和杆塔的施工安装;采 用具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子，该绝缘子既可防雷亦可防冰闪，提高了输电线路抗 冰灾和雷害能力，保证了线路稳定运行;且安装简便，无需改变杆塔原结构，节省设备选型 和电网建设的开支。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0026] 如图I所示为本发明的方法流程图：本发明提供的运种重覆冰地区的无避雷线输 电线路设计方法，包括如下步骤：
[0027] SI.对重覆冰地区的杆塔和避雷线进行改造，具体包括对已运行线路，在现有杆塔 的基础上去除避雷线及导线绝缘子横担上方的钢架结构;对于在建线路，在不考虑避雷线 条件下根据设计标准进行线路设计;设计标准可W参考GB 50545-2010《1 IOkV~750kV架空 输电线路设计规范》；
[0028] S2.获取步骤Sl改造后的输电线路的电气参数、线路覆冰参数和历史数据、线路区 域雷电参数和历史数据;具体包括杆塔高度、接地电阻、塔头几何布置、线路档距和绝缘水 平、导线分裂类型、导线直径和直流电阻信息，线路区域雷电参数为雷电流幅值概率分布、 雷电流波形和地闪密度信息；
[0029] W湖南地区为例，湖南地区冰灾和雷害都相对严重，雷电流幅值分布函数采用湖 南地区雷电定位系统2010-2015年统计的平均分布：
[0030]
[0031] 式中，I代表首次雷电流幅值，kA。其中探测到了最大雷电流为190kA。
[0032] 雷电流波形采用双指数电源等效，其表达式为：
[0033]
[0034] 式中，I为雷电流幅值，kA;a为波尾衰减系数;0为波前衰减系数，n为电流峰值的修 正系数，n = 〇. 966。雷电流波形选择2.6/50ys的标准雷电波，对应的时间常数为a = 0.0000636 ,(6 = 0.00000113。地闪密度，采用雷电定位系统测量2010-2015年湖南地区的平 均地闪密度2.56次AmV年；
[0035] S3 .将步骤Sl改造后的输电线路的普通绝缘子更换为专利申请号为 化201010171556.9中所述的具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子;该绝缘子既可防雷亦可防 冰闪，且应安装简便，无需改变杆塔原结构；
[0036] S4.根据步骤S2获取的参数，仿真分析正常情况和覆冰情况下，步骤S3中更换的具 有防雷功能的防冰闪合成绝缘子在带电运行情况下周围的电场分布、间隙电弧工频焰弧能 力、雷电冲击下防雷段的能量和残压参数；
[0037] 采用有限元分析和Mayr电弧模型进行电场分布仿真分析和间隙电弧工频焰弧能 力仿真分析;采用电磁暂态分析对雷电冲击下防雷段的能量和残压参数进行仿真分析；
[0038] S5.根据步骤S4的仿真分析结果，确定所述具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子的 外部结构和绝缘子氧化锋阀片的参数；
[0039] 根据仿真分析结果，结合绝缘子和避雷器设计规程，确定具有防雷功能的防冰闪 合成绝缘子的外部结构;具体为在额定运行电压下，通过重覆冰(覆冰厚度取5~15mm，冰的 相对介电常数取50~100)、重污秽(污秽厚度取0.2~5mm，污秽的相对介电常数取10~30) 绝缘子的电场仿真，得到绝缘子的表面的最大电场值和电场分布曲线;然后在保证绝缘子 最大电场值小于17kV/cm和电场崎变系数（电场崎变系数为绝缘子绝缘段最大电场强度与 绝缘段最小电场强度的比值)小于10的条件下，进行绝缘子外部结构的设计修订，修订参数 包括绝缘段与防雷段的比例分布、均压环位置和大小、绝缘子伞群尺寸和伞群间距；同时， 采用Mayr电弧模型对绝缘段均匀环间隙电弧工频焰弧能力进行分析，W间隙电弧在工频电 弧电流第一次过零时必须焰灭且无重燃现象为标准，确定绝缘子绝缘段均压环间隙距离；
[0040] 确定绝缘子氧化锋阀片的参数，具体为在所确定的具有防雷功能的防冰闪合成绝 缘子的外部结构形式条件下，分析在幅值200kA、波形参数2.6/50ys的直击雷电流作用下， 防雷段氧化锋阀片无损坏；同时保证在200kA直击雷下，防雷段残压值小于防雷段复合外套 雷电冲击闪络电压;在上述的前提下，通过调整氧化锋阀片的尺寸结构、配方配比和烧结工 艺确定绝缘子防雷段的氧化锋阀片的通流能量和残压设计参数。
[0041] S6.对步骤S5确定的具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子进行试验测试;试验测试 包括工频电压测试、冲击电压测试、雷电流冲击测试、工频续流测试、拉力测试、老化试验、 电场分布测量、覆冰试验等试验测试;参考试验标准为:DL/T 815-2012《交流输电线路用复 合外套金属氧化物避雷器》、JB/T 12064-2014《高海拔环境绝缘子覆冰（雪）人工模拟方 法》、GB/T19519-2004《标称电压高于1000 V的交流架空线路用复合绝缘子一一定义、试验方 法及验收准则》、GB/T 16927.1-1997《高电压试验技术第一部分，一般试验要求》、GB/T 775.1-2006《绝缘子试验方法第1部分:一般试验方法》、GB/T 775.2-2003《绝缘子试验方法 第2部分:电气试验方法》、GB/T 775.3-2006《绝缘子试验方法第3部分:机械试验方法》、IEC 61109-2008《架空线路用绝缘子标称电压大于1000 V的交流架空线路用复合绝缘子和耐张 绝缘子定义、试验方法和验收准则》；
[0042] S7.根据测试结果，重复步骤S4~S6,直至具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子通过 测试;完成重覆冰地区的无避雷线输电线路设计。
【主权项】
1. 一种重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，包括如下步骤：51. 对重覆冰地区的杆塔和避雷线进行改造；52. 获取步骤S1改造后的输电线路的电气参数、线路覆冰参数和历史数据、线路区域雷 电参数和历史数据；53. 将步骤S1改造后的输电线路的普通绝缘子更换为具有防雷功能的防冰闪合成绝缘 子；54. 根据步骤S2获取的参数，仿真分析正常情况和覆冰情况下，步骤S3中更换的具有防 雷功能的防冰闪合成绝缘子在带电运行情况下周围的电场分布、间隙电弧工频熄弧能力、 雷电冲击下防雷段的能量和残压参数；55. 根据步骤S4的仿真分析结果，确定所述具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子的外部 结构和绝缘子氧化锌阀片的参数；56. 对步骤S5确定的具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子进行试验测试；57. 根据测试结果，重复步骤S4~S6,直至具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子通过测 试;完成重覆冰地区的无避雷线输电线路设计。2. 根据权利要求1所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征在于步骤 S1所述的对重覆冰地区杆塔和避雷线进行改造，具体包括对已运行线路，在现有杆塔的基 础上去除避雷线及导线绝缘子横担上方的钢架结构;对于在建线路，在不考虑避雷线条件 下根据设计标准进行线路设计。3. 根据权利要求1所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征在于步骤 S2所述的获取改造后的输电线路的电气参数、线路覆冰参数和历史数据、线路区域雷电参 数和历史数据，具体包括杆塔高度、接地电阻、塔头几何布置、线路档距和绝缘水平、导线分 裂类型、导线直径和直流电阻信息，线路区域雷电参数为雷电流幅值概率分布、雷电流波形 和地闪密度信息。4. 根据权利要求1所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征在于步骤 S3所述的具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子，为专利申请号为ZL201010171556.9中所述的 具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子。5. 根据权利要求1~4之一所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征在 于步骤S4所述的仿真分析，具体为采用有限元分析和Mayr电弧模型进行电场分布仿真分析 和间隙电弧工频熄弧能力仿真分析；以及采用电磁暂态分析方法对雷电冲击的能量和残压 参数进行仿真分析。6. 根据权利要求1~4之一所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征在 于步骤S5所述的确定所述具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子的外部结构，具体为根据步骤 S4所述的仿真分析结果，结合绝缘子和避雷器设计规程确定具有防雷功能的防冰闪合成绝 缘子的外部结构。7. 根据权利要求6所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征在于所述 的确定具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子的外部结构，具体为在额定运行电压下，通过重 覆冰、重污秽绝缘子的电场仿真，得到绝缘子的表面的最大电场值和电场分布曲线;然后在 保证绝缘子最大电场值小于17kV/cm和电场畸变系数小于10的条件下，进行绝缘子外部结 构的设计修订，修订参数包括绝缘段与防雷段的比例分布、均压环位置和大小、绝缘子伞群 尺寸和伞群间距；同时，采用Mayr电弧模型对绝缘段均匀环间隙电弧工频熄弧能力进行分 析，以间隙电弧在工频电弧电流第一次过零时必须熄灭且无重燃现象为标准，确定绝缘子 绝缘段均压环间隙距离。8. 根据权利要求1~4之一所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征在 于所述的确定绝缘子氧化锌阀片的参数，具体为在所确定的具有防雷功能的防冰闪合成绝 缘子的外部结构形式条件下，分析在幅值200kA、波形参数2.6/50ys直击雷电流作用下，确 定绝缘子防雷段的氧化锌阀片的通流能量和残压设计参数。9. 根据权利要求8所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征在于所述 的确定绝缘子防雷段的氧化锌阀片的通流能量和残压设计参数，具体为保证在200kA直击 雷下，防雷段氧化锌阀片无损坏；同时要保证在200kA直击雷下，防雷段残压值小于防雷段 复合外套雷电冲击闪络电压。10. 根据权利要求9所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征在于所述 的确定绝缘子防雷段的氧化锌阀片的通流能量和残压设计参数，具体为通过氧化锌阀片的 尺寸结构、配方配比和烧结工艺确定。11. 根据权利要求1~4之一所述的重覆冰地区的无避雷线输电线路设计方法，其特征 在于步骤S6所述的试验测试包括工频电压测试、冲击电压测试、雷电流冲击测试、工频续流 测试、拉力测试、老化试验、电场分布测量和覆冰试验试验测试。
【文档编号】H02G1/02GK106099753SQ201610640367
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月8日 公开号201610640367.9, CN 106099753 A, CN 106099753A, CN 201610640367, CN-A-106099753, CN106099753 A, CN106099753A, CN201610640367, CN201610640367.9
【发明人】陆佳政, 王博闻, 方针, 胡建平, 吴伟, 蒋正龙, 徐勋建
【申请人】国网湖南省电力公司, 国网湖南省电力公司防灾减灾中心, 国家电网公司