110kV变电站带电作业安全距离和组合间隙试验研究

引言

带电作业安全距离是确保带电作业人员和设备安全性的重要参考,国内外在线路带电作业安全距离方面开展了大量的研究,提出了不同电压等级线路的安全距离和组合间隙[1-3],而变电站带电作业的安全距离研究则较少。变电站带电作业的安全距离和组合间隙值主要沿用线路的安全值,使得很多变电站无法满足带电作业的安全性要求,而变电站的间隙结构、作业方式与过电压水平、放电特性也和线路间隙有很大不同,因而有必要针对110kV变电站管型母线的特点,开展相地、相间间隙在带电作业工况下放电特性的试验研究,确定最小安全距离和组合间隙,为带电作业的开展与实施奠定基础。

1试验方法及设备

1.1试验设备

试验电源为两台冲击电压发生器,参数为4000kV/527kJ和3600kV/300kJ,采用基于光学同步触发的装置可以满足相间操作冲击放电特性试验的要求。试验电压的测量采用弱阻尼阻容分压型冲击电压分压器,最大测量电压分别为3600kV和5400kV,放电电压击穿时间和波形的采集采用泰克DPp4054四通道数字示波器。整个测量系统的总不确定度经校正小于30。

作业人员的模拟在试验中采用与实际人体的形态及结构基本一致的模拟人,模拟人身宽0.5m,站姿高1.8m,四肢可自由弯曲,试验中可根据不同作业工况调节模拟人姿态。试验用管母直径100mm,总长度18m,中间平直段长15m,两端为弧形,加装直径0.35m的均压环,管母采用支柱绝缘子进行支撑,如图1所示。

12试验方法

在对空气间隙进行操作冲击电压放电试验时,获取间隙的50%放电电压U50与标准偏差[6%]可采用多种方法,如多级法、两点法、升降法、广义升降法等。由于升降法获取U50比较准确和简单,所得的[6%]也有较好的准确性,因此,目前国内在带电作业间隙放电试验中,都采用升降法来获取U50与[6%]。根据相关文献可知,加压次数与[6%]有关,带电作业间隙放电电压的[6%]一般在3%d5%,因此,加压次数取40次。表征操作冲击电压特性的参数除了幅值外还有波形,影响波形参数的重要因素有电源容量、线路长度、电容和电感值、操作方式以及电网固有振荡周期。根据西安高压电器研究所的研究可知:110kV电网的波头时间处于300～1800u～,多数在1000u～左右,因而,试验电压采用标准的250/2500u～操作冲击电压是出于偏严格的考虑。

试验管母间带电作业的相间最小安全距离时,分为作业人员在负极性管母处和在正极性管母处进行等电位作业两部分进行。试验中将模拟人放置在负极性或正极性管母处,并用铜导线将模拟人和管母连接,使二者保持等电位,试验中两管母的距离d2可以调整。具体试品布置示意图如图1所示。

线路带电作业组合间隙试验表明,当作业人员处于间隙中某一位置时存在最低放电点。本试验中通过保持两母线间距离scs1.75m,改变模拟人距离两母线的距离s1和s2,测量相间操作冲击放电电压,根据不同位置的放电电压来确定最低放电位置,如图1所示。在确定了相间带电作业组合间隙最低放电位置后,试验中将模拟人固定于最低放电位置,即保持s2不变,改变正极性管母与模拟人之间的距离(s1）,在1.55～3.3m选取5个点进行相间操作冲击电压放电试验。

2试验结果

2.1相间带电作业间隙正负极性放电特性

作业人员处于模拟管型母线上对相邻母线的放电电压如图2所示,间隙距离在1.75～3.75m,正极性U50＋和负极性U50-放电的差异性在间隙距离2.5m时最大,为6%,其他间隙距离下两者放电的差异性均小于4%。而根据试验数据计算得出负极性下的间隙系数Kg为1.07～1.29,正极性的间隙系数Kg为1.08～1.31,在正负极性试验中间隙系数均随着间隙的增大而增大,而110kV变电站的相间间隙距离在1.9m左右,考虑安全裕度,取间隙系数Kg为1.07。

2.2相间组合间隙放电最低点

根据操作冲击放电特性曲线可知,当模拟人距负极性管母距离约为0.2m时,操作冲击50%放电电压最低,故此处为管母间隙最低放电点位置。当作业人员处于浮动电位时,对间隙的放电影响较为明显,在本次试验中,放电电压最低点(0.2m）的U50约为最高点(0.6m）处U50的89%,间隙系数Kg位于[0.97,1.07]之间。

2.3组合间隙放电特性试验

当作业固定在距离管型0.2m处时,调整两管型母线间的距离,得到相间最小组合间隙操作冲击放电特性曲线图,放电电压几乎随间隙距离直线增加。组合间隙的间隙系数Kg为[0.97,1.16],Kg随间隙距离的增大而增大,由于110kV变电站相间一般在1.9m左右,因而组合间隙时,间隙系数从严考虑,取为0.97。

3分析与讨论

3.1110kV变电站带电作业过电压水平

带电作业时,不考虑线路合闸过电压,如果在带电作业时已停用自动重合闸,过电压倍数一般较《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620一1997）标准中给出的统计过电压U2%倍数Ke低:对于110kV的最大操作过电压倍数Ke=3.0,由于变电站一般位于线路的首端或末端,并且配置了避雷器,因而过电压水平较线路的过电压水平低。通过采用ATP-EMTP建立的变电站操作过电压仿真模型,计算得到变电站相地操作过电压水平为2.15p.u.,相间过电压水平为3.94p.u.。变电站避雷器的操作冲击残压水平226kV(2.29p.u.）和计算得到的带电作业过电压水平相差约6.5%,因而在不知道变电站过电压水平的情况下,可以将其避雷器的操作冲击残压水平作为带电作业的过电压水平,并且还有较大的安全裕度。相间过电压水平一般按照相地过电压水平的1.4倍来计算,而由于避雷器和带电作业工况(停用重合闸）等限制过电压措施的采用,带电作业工况下的相间过电压水平并不满足1.4倍(3.01p.u.）的关系。

3.2最小安全距离和组合间隙

带电作业安全距离和组合间隙的计算简化统计法,校核标准为带电作业危险率不大于10-5。大量带电作业试验研究表明,作业人员在等电位作业时对接地体的操作冲击放电电压U50要比地电位作业时对带电导体的U50低,从严考虑,采用作业人员处于等电位时的放电特性来确定相地间隙的最小安全距离。根据以往的大量试验研究,该工况下的操作冲击放电间隙系数Kg为1.11～1.23,从严考虑,Kg可取为1.11。当作业等电位处于管母上时,考虑人体占位1.5m,若采用绝缘操作平台或绝缘高空车则该距离可以根据实际作业占位进行调整。当作业人员处于等电位时,计算相邻导线的最小安全距离以及相间组合间隙时人体占位可以按照0.5m考虑。计算得到的相关距离如表1所示。

表1110kV带电作业的最小安全距离和组合间隙

4结论

(1）在110kV模拟管型母线间隙距离为1.8m时,110kV管型母线最低放电点在距离管型母线0.2m的位置,当最低放电点位置确定时,组合间隙的间隙系数随总间隙的增大而增大。

(2）变电站的避雷器对变电站带电作业过电压水平有明显影响,从严考虑,带电作业的最大过电压可取避雷器的操作冲击残压。

(3）对于110kV管型母线的变电站,海拔1000m带电作业相地和相间最小安全距离分别为0.78m和1.72m,最小组合间隙为1.85m。