图1 带电作业间隙试验布置
Fig.1 Schematic diagram of test arrangement of live working gaps
摘要 由于高海拔地区空气间隙放电电压明显低于低海拔地区，导致高海拔带电作业所需安全距离增加。为保障高海拔地区带电作业的顺利开展，该文以750kV同塔双回直线塔为研究对象，分别在海拔为2 000m、3 000m和4 300m地区开展了等电位人员—杆塔间隙以及分裂导线—地电位人员间隙的操作冲击放电试验，分析海拔高度和作业人员姿态对间隙放电特性的影响，并基于试验数据分析现有IEC标准中推荐的m参数法在高海拔地区的适用性，结果表明，现有方法不适用于海拔3 000m以上地区带电作业间隙的放电电压修正。最后基于试验数据提出一种基于改进m参数的操作冲击放电电压修正方法，可用于海拔3 000～4 300m地区带电作业间隙操作冲击放电电压的修正，同时给出了海拔2 000～4 000m地区带电作业最小安全距离参考值。
关键词：带电作业间隙 高海拔 操作冲击 放电电压校正
带电作业是目前输电线路运维检修中主要采用的方式，可有效地减小停电时间，提高供电可靠性。目前在低海拔地区，输电线路带电作业已普遍开展，但随着我国输变电工程的不断建设，许多已建和在建的输电线路都经过高海拔地区。以青藏联网工程为例，很多线路途经地区的海拔高度都超过3 000m，有些线路海拔高度甚至高于5 000m[1]。对于高海拔地区的输电线路，随着海拔高度的增加，空气密度下降，使得同等距离下的空气间隙放电电压要明显低于低海拔地区，带电作业安全距离增加。为保证高海拔地区带电作业工作的顺利开展，需要研究高海拔地区空气带电作业间隙放电特性并选用合适的放电电压校正方法，进而确定高海拔地区带电作业所需的最小安全距离。
在海拔高度对电力系统外绝缘放电特性的影响方面，国内外均进行了大量的试验研究。从20世纪60年代开始，国外就对高海拔下的空气间隙放电特性开展了大量试验[2-9]。美国研究人员认为在高海拔地区空气密度对放电的影响最为明显，海拔修正因数可以用相对空气密度的幂函数表示[2]。日本研究人员在海拔1 850m地区进行了1～3m的棒-棒、棒- 板空气间隙放电试验，得出在进行高海拔外绝缘放电电压的校正时除了要考虑相对空气密度外，还应考虑空气的绝对湿度[3-4]。意大利A. Pigini等对棒-板、导线-板、导线-塔窗、棒-棒和导线-棒等不同电极在不同海拔高度进行了放电特性试验，提出了基于g参数法放电电压校正方法的雏形[5]。M. Ramirez等在更高海拔地区进行了验证试验，发现A. Pigini提出的方法在高海拔条件下适用性较差[6]。20世纪90年代，国内研究人员开始针对高海拔空气间隙放电特性开展研究[10-11]。近年来，以中国电科院和重庆大学为代表的研究机构和国内高校开展了诸多试验，研究了高海拔条件下的棒-板、棒-棒等典型空气间隙以及交直流输电线路空气间隙的放电特性，为空气间隙放电电压的海拔修正提供了大量宝贵的数据[12-19]。目前，放电电压的海拔修正方法主要有IEC 60060-1-2010[20]和GB/T 16927.1-2011[21]中推荐的g参数法、DL/T 620-1997[22]中推荐的气象条件校正方法以及IEC 60071-2-1996[23]和GB 311.1- 2012[24]中推荐的m参数法。其中g参数法和DL/T 620中的方法均要用到试验地点的相对空气密度和绝对湿度等大气参数，不便于在工程中应用。m参数法仅需代入试验地点的海拔高度和m的值，应用起来更加简便，但现有标准中给出的m的参考值是基于2 000m以下地区试验数据得到的，在海拔2 000m以下地区适用性较好，其在高海拔地区的适用性还有待进一步研究。
为了研究高海拔地区带电作业间隙的放电特性，本文以750kV同塔双回直线塔为研究对象，分别在青海平安（海拔2 000m），青海海西（海拔3 000m）和西藏羊八井（海拔4 300m）等地区开展了等电位人员对杆塔间隙以及分裂导线对地电位人员间隙的操作冲击试验，获取了不同工况下带电作业间隙的放电特性曲线。基于现场试验结果，提出了基于改进m参数的放电电压海拔修正方法，研究结果可为高海拔地区带电作业最小安全距离的确定提供依据和参考。
为了对比不同海拔高度、间隙结构、间隙长度和人体姿态对间隙放电特性的影响，以750kV同塔双回直线塔作为试验对象，分别在海拔高度为2 000m、3 000m和4 300m地区对不同作业工况下的带电作业间隙进行操作冲击放电试验。其中，2 000m试验在青海平安输配电线路实训基地进行；3 000m试验在青海海西750kV开关站户外试验场地进行；4 300m试验在西藏高海拔试验基地进行。带电作业间隙试验布置如图1所示。图中作业人员位于不同位置时构成了不同的带电作业间隙，其中，间隙1为等电位人员对侧面塔身间隙；间隙2为等电位人员对上方横担间隙；间隙3为等电位人员对下方横担间隙；间隙4为分裂导线对横担地电位人员间隙。
试验时在不同海拔高度试验地点均按照750kV 同塔双回直线塔塔头实际尺寸制作相同的模拟杆塔。模拟导线采用镀锌铁管制成，导线分裂数为6，分裂间距为0.4m，子导线直径为28mm。模拟人用铝合金按照作业人员实际尺寸制成，并穿戴全套屏蔽服。模拟人身宽度为0.5m，厚度为0.3m，站立高度为1.8m；采用坐姿时高度为1.45m。图2为间隙2的试验现场布置。
图1 带电作业间隙试验布置
Fig.1 Schematic diagram of test arrangement of live working gaps
图2 现场试验布置
Fig.2 Field test arrangement
试验中采用250ms/2 500ms的标准正极性操作波。其中平安和海西试验用冲击电压发生器为3 600kV/ 360kJ，西藏试验用冲击电压发生器为4 200kV/ 200kJ。为保持不同海拔地区冲击电压设备测量的一致性，试验前按照GB/T 16927.2-2013[25]同规定的方法对不同地区采用的冲击电压发生器进行标定。考虑到升降法操作方式简单，试验中采用升降法获取不同带电作业间隙的50%放电电压，对同一间隙加压40次。试验按照国家标准GB/T 16927.1-2011[21]中规定的试验步骤进行。每次试验前后分别记录试验地点的压强、温度和湿度等参数，并取前、后两次的平均值作为试验时的气象条件参数。试验时海拔2 000m、3 000m和4 300m地区的平均压强分别为79.1kPa、71.7kPa和60.5kPa；平均温度分别为5.9℃、7.2℃和12.2℃；平均绝对湿度分别为5.5g/m3、5.7g/m3和4.2g/m3。
中国电力科学研究院前期在武汉特高压户外试验场（海拔23m）进行了750kV同塔双回线路安全距离的试验，并获取了带电作业间隙的放电特性曲线[26]。结合本文试验结果和海拔23m的试验结果，绘制了不同海拔高度下不同间隙结构的放电特性曲线如图3所示。从图3中可以看出，随着海拔高度的增加，作业人员位于不同位置时构成的带电作业间隙放电电压均有所下降。根据图3中不同间隙放电特性曲线的斜率可以计算得到不同海拔高度下的放电电压梯度，表1中给出了不同间隙结构下的放电电压梯度。
图3 不同海拔下间隙操作冲击放电特性曲线
Fig.3 Switching impulse discharge characteristics curve under different altitude
表1 不同海拔高度下的放电电压梯度
Tab.1 Discharge voltage gradient under different altitude
间隙结构放电电压梯度/(kV/m) 23m2 000m3 000m4 300m 间隙1212.10211.00195.50187.99 间隙2188.00185.85168.11165.36 间隙3215.10212.81190.59189.34 间隙4239.64230.82225.29223.56
从表1中可以看出，在不同的作业工况下，海拔23m地区的带电作业间隙的放电电压梯度在188.00～239.64kV/m范围内；海拔2 000m地区的带电作业间隙的放电电压梯度在185.85～230.82kV/m范围内；海拔3 000m地区的带电作业间隙的放电电压梯度在168.11～225.29kV/m范围内；海拔4 300m地区的带电作业间隙的放电电压梯度在165.36～223.56kV/m范围内。其中，分裂导线—地电位人员的放电电压梯度最高，而等电位人员—上横担间隙的放电电压梯度最低。随着海拔高度的不断升高，不同间隙的放电电压梯度随之降低。
除了海拔高度的影响，作业人员采用不同的姿态对带电作业间隙的放电特性也有明显的影响。由于不同间隙在不同海拔条件下的放电特性曲线具有相似的规律，为避免重复，图4以海拔4 300m为例给出了不同间隙结构的放电特性曲线。
图4 不同间隙的操作冲击放电特性曲线（海拔4 300m）
Fig.4 Switching impulse discharge characteristics curve of different live working gaps (altitude of 4 300m)
从图4中可以看出，在相同的海拔高度下，分裂导线与地电位人员之间形成的间隙（间隙4）放电电压最高，而等电位人员与其头顶上方横担间隙（间隙2）的放电电压最低。对比间隙1、间隙2和间隙3，三种间隙的接地电极结构相同，其放电电压的差异主要由导线侧的等电位人员引起。间隙2中，作业人员站立于分裂导线上，形成了明显的棒-横担结构，因此放电电压最低。间隙1和间隙3的放电部位分别发生在人体背部和脚部，由于背部曲率半径较大，电场分布相较于脚部更为均匀，因此其放电电压高于脚部。
IEC标准 60071-2-1996[23]和我国国家标准GB 311.1-2012[24]中推荐了一种高海拔地区外绝缘耐受电压的计算方法，该方法不需代入试验地点的气象参数，更便于工程应用。该方法中提出高海拔地区的外绝缘耐受电压应为标准气象条件下的绝缘耐受电压乘以一海拔修正因数Ka为
（1）式中，H为海拔高度（m）；m为与施加电压类型有关的参数，对于操作冲击电压，m按标准中给出的曲线取值。
IEC标准中指出，现有的m参数法主要适用于海拔2 000m以下地区的放电电压海拔修正。为了研究现有的m参数法在海拔2 000m以上地区的适用性，分别计算了基于试验数据和式（1）的海拔修正因数，见表2。由于武汉地区的气象条件接近标准气象条件，因此表2中的海拔修正因数试验值即为武汉地区得到的放电电压与高海拔地区同等间距下的放电电压的比值。图5中给出了以间隙4为例的海拔修正因数随间隙距离的变化曲线，间隙1、间隙2和间隙3具有相同的规律。
表2 不同海拔高度下的海拔修正因数
Tab.2 Altitude correction factor under different altitude
间隙结构海拔修正因数 2 000m3 000m4 300m 间隙1试验值1.10～1.151.18～1.231.29～1.40 计算值1.13～1.161.19～1.251.32～1.45 间隙2试验值1.07～1.111.15～1.201.27～1.41 计算值1.11～1.151.19～1.261.31～1.48 间隙3试验值1.12～1.151.18～1.221.30～1.42 计算值1.12～1.161.20～1.261.40～1.46 间隙4试验值1.10～1.131.13～1.211.24～1.39 计算值1.11～1.151.19～1.261.32～1.46
图5 海拔修正因数与间隙距离的关系（间隙4）
Fig.5 Relationship between altitude correction factor and gap distance (gap configuration 4)
海拔修正因素与海拔高度、电极结构和间隙距离均有关，当电极结构和海拔高度相同时，海拔修正因数随着间隙距离的变化在一定范围内波动。表2中的计算结果表明不同间隙结构下的海拔修正因数存在一定的差异。海拔2 000m的修正因数试验值和计算值比较接近，但随着海拔高度的增加，试验值与计算值的差异逐渐增大。海拔2 000m时，海拔修正因数计算值与试验值之间的最大误差为3.74%，海拔3 000m的最大误差为5.3%，海拔4 300m时的最大误差达到7.7%。说明现有标准中给出的m参数的取值在海拔超过3 000m的地区适用性不佳，对于更高高海拔地区，需要重新确定相应参数的取值。
以间隙4为例，图5绘制了不同海拔高度下海拔修正因数与间隙距离之间的关系曲线。从图5可以看出，海拔4 300m下的修正因数试验值和计算值相差最大，并且不同海拔高度下，海拔修正因数均随着间隙距离的增加而减小，说明随着间隙距离的增大，大气参数对放电电压的影响减弱。这是因为长间隙放电中会同时出现流注和先导放电，而空气密度和湿度等大气参数主要对流注放电产生明显影响，对先导放电影响较小。随着间隙距离的增加，先导放电所占比例增大，从而削弱了气象参数对整个间隙放电电压的影响，因此海拔修正因数在间隙更长时会减小。
研究表明空气间隙的绝缘强度随空气密度的降低而降低，随温度和绝对湿度的增加而增加。文献[12-13]中的研究结果显示，气压可以综合反映空气密度、温度和湿度，因此外绝缘的放电电压也可以用相对气压来修正。一般而言，大气压强随着海拔高度的增加呈现指数下降的趋势，即
（2）式中，P为高海拔地区的压强（kPa）；P0为标准大气压强，P0=101.3kPa。
因此，m参数校正法实质上是基于相对压强的修正方法，是具有明显的物理含义的。
根据式（1），m可以写成
（3）根据高海拔现场试验数据，可以绘制出不同带电作业工况下不同海拔高度的m参数与操作冲击耐受电压之间的关系曲线。图6中给出了间隙1下m参数与操作冲击耐受电压直接的曲线关系。间隙2、间隙3和间隙4具有同样的趋势，在此不再赘述。考虑到放电电压具有分散性，操作冲击耐受电压Uw与50%放电电压U50之间的关系可以表示为
图6 间隙1下m参数与操作冲击耐受电压的关系
Fig.6 Relationship between m value and switching impulse withstand voltage under gap configurations 1
（4）式中，s 为放电电压偏差，s =6%[20]。
从图6中可以看出，不同海拔高度下m的取值是不同的，m的取值随着海拔高度的增加而下降。并且，随着间隙距离的增加，间隙的操作冲击耐受电压增大，m的值有所下降，说明海拔修正因数也随着间隙距离的增加而下降，表明海拔高度对放电电压的影响随着间隙距离的增加而减小。图6中的曲线还说明海拔2 000m时由试验得出的m值与IEC标准中推荐的m值较为接近，而海拔3 000m和4 300m的m值均低于IEC标准中给出的m值，说明采用IEC 60071-2中的海拔修正方法得到的外绝缘的耐受电压值是偏保守的。
将不同海拔高度下各种带电作业工况下的m值汇总至一起，得到海拔2 000～4 300m的m值的回归曲线如图7所示。
图7 带电作业间隙m参数与操作冲击耐受电压的关系
Fig.7 Relationship between m value and switching impulse withstand voltage for live working gaps
根据图7中m的曲线可以得到m的取值与操作冲击耐受电压之间的关系为
（5）因此，当在海拔高度范围为2 000～4 300m地区开展带电作业时，其海拔修正因数表达式为
（6）
IEC标准61472-2013中推荐了一种基于简化统计法的带电作业安全距离的计算方法[27]。对于750kV输电线路，其最高运行电压为800kV，根据武汉地区得到的带电作业间隙的放电特性，可以确定0海拔地区的带电作业最小安全距离（其中人体活动范围取0～0.5m）[26]。当满足带电作业危险率水平低于10-5时，间隙1～4的耐受电压分别为1 445kV、1 447kV、1 459kV和1 463kV。实践表明低海拔地区带电作业空气间隙的耐受水平可以满足带电作业安全开展的要求，为了保证高海拔地区带电作业人员的安全，高海拔地区与低海拔地区带电作业间隙应具有相同的绝缘耐受水平以保障带电作业危险率低于限定值。结合本文得到的m参数与耐受电压之间的关系，通过计算得到了750kV同塔双回线路不同带电作业间隙结构分别在海拔2 000m、3 000m和4 000m地区的的海拔修正因数Ka和带电作业最小安全距离D见表3。
表3 不同海拔高度下的最小安全距离
Tab.3 Minimum approach distance under different altitude
间隙结构海拔高度/m 2 0003 0004 000 间隙1Ka1.119 01.183 71.252 1 D/m4.845.305.77 间隙2Ka1.119 21.184 11.250 5 D/m5.816.356.93 间隙3Ka1.118 31.182 51.250 5 D/m5.035.475.96 间隙4Ka1.117 91.182 01.249 8 D/m4.655.065.50
本文以750kV同塔双回直线塔为研究对象，分别在海拔高度为2 000m、3 000m和4 300m地区开展了带电作业间隙操作冲击放电特性试验，研究了带电作业间隙放电电压海拔修正方法，给出了高海拔带电作业安全距离的参考值，得出以下结论：
1）随着海拔高度的升高，不同带电作业间隙的放电电压均有所下降，且放电电压梯度也随海拔高度的增加而减小。
2）不同海拔高度下，分裂导线对地电位人员的放电电压最高，等电位人员对上方横担的放电电压最低，等电位人员姿势对放电电压有明显影响。
3）不同间隙结构下的海拔修正因数随着海拔的升高而增加，随着间隙距离的增大而减小。随着间隙距离的增大，大气参数对操作冲击放电电压的影响减弱。
4）根据3 000m和4 300m试验结果得到的海拔校正因数与IEC 60071-2标准得出的校正因数有一定偏差，建议修正高海拔带电作业间隙放电电压时按照本文得出的修正公式进行计算。
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Switching Impulse Flashover Characteristics of Live Working Air Gaps in High Altitude Areas and Discharge Voltage Correction
Abstract Since the air gap discharge voltage in high-altitude areas is significantly lower than that in low-altitude areas, the minimum approach distance required for live working increases. In order to ensure the safety operation of live working in high altitude areas, the switching impulse discharge tests are conducted on 750kV double-circuit tower in areas with altitude of 2 000m, 3 000m and 4 300m, and the discharge characteristics of equipotential worker-tower gap and bundle conductor-ground potential worker gap are obtained. The influences of altitude and worker’s posture on the discharge characteristics of live working gaps are analyzed. Based on the test data, the applicability of the m-method recommended by IEC standard is evaluated. The results show that the existing method is not suitable for discharge voltage correction of live working gaps in areas with altitude above 3 000m. Finally, a modified m-method is proposed based on test data, which can be used to correct switching impulse discharge voltage of live working gaps at the altitude of 3 000～4 300m. In addition, the minimum approach distance of live working in areas at the altitude of 2 000～4 000m is determined.
keywords：Live working gaps, high altitude, switching impulse, discharge voltage correction
中图分类号：TM85
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190703
收稿日期 2019-06-12
改稿日期 2019-11-21
方雅琪 女，1990年生，博士，研究方向为输电线路外绝缘和带电作业技术。E-mail: fangyq25@163.com
王力农 男，1976年生，教授，博士生导师，研究方向为输电线路外绝缘和输电线路运行维护。E-mail: wangln@whu.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）