以前我们聊过了输电线路的作用以及杆塔,高压输电线路与杆塔;今天我们再来聊聊杆塔上的导线及绝缘子。
避雷线
杆塔上最高端的是避雷线,它们都是跟铁塔相连的,为的是把雷击时的电流能顺着铁塔引到地里面去。不过在连接的时候,避雷线和杆塔中间是有段绝缘体或绝缘子的,仔细看,能看到跳线。这样的目的是可以在雷击时方便击穿泄流,同时在平时减少输电损耗。如果避雷线直接连着铁塔,则线路中对导线的感应电流会直接流入大地,导致输电损耗。
避雷线一般都在高电压等级、空旷地区的输电铁塔上使用,在城市低电压等级一般很少用避雷线。原因,一是相比低电压等级用电线杆,天塌了有高个子扛着,其他更高的建筑可以被雷劈;二是本来低电压等级的电线杆就送不了多少电,还要架根避雷线,成本就高了(什么时候都得考虑性价比)。
避雷线下面就是输电线路了,根数都是3的倍数(对交流线路,三相呀)。3根线的叫一回线,6根线的叫两回线,12根的就叫四回线了。每一回里都有ABC三相的三根线。
终端塔,有双回路,我们就叫“同塔两回”线路。之所以一个塔上有多回线路,主要是考虑输送容量和占地面积,所以也衍生出了“线路长度”和“回路长度”的概念。
对同塔双回而言,回路长度是线路长度的2倍,以此类推。另外还有同塔多回、不同电压等级的线路。如果是不同电压等级的回路,则一般上面导线的电压要高于下面导线的电压,电压越高对地的安全距离也要求越高。
输电线路的电压也决定了整个线路中几个关键:(每根)导线分裂数、绝缘子串长度、杆塔高度。
分裂导线与几分裂
在高压,尤其特高压、超高压输电线路上,我们看到的每相导线并不是仅仅由一根线组成,而是可以看到有好几股(根)一起。我们称之为分裂导线,组成的数量称为分裂数,正如下面这张图片显示的,对于ABC三相中的每一相导线,都是分成好几股。
比如下图这个750kV特高压输电线路就分了8股,叫“八分裂”导线。导线有三分之二人高了。
之所以一相导线要分裂成好几股,是要把导线的“等效直径”扩大,相当于用几股较细的导线(相对较细,其实并不细,粗得很),围成一个近似圆形,相当于把整相的导线直径“等效”扩大了。
这种结构等于类似“一根虚拟的粗导线”,在不显著增加重量和成本的情况下,提高了导线输送电流的能力。为什么要扩大“导线直径”呢?有这么几个原因:
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交流电有“集肤效应”。指电流通过导体时,靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。因为自感的原因,电流大部分都在导线表面流动,导体中间几乎没有电流,把导体弄成管状可以节约材料减轻重量,这不就是我们平常设计高压管道内导体的方式吗。对了,既然是管状,不如弄成分裂导线代替管状线。
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高压输电线的电流很大,要求导线电阻低,而电阻与导线的面积成反比,因此本来要用很粗管状导线代替,现在就用分裂导线了(但在变电站里还是用管母线)。
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导线越粗,导线半径越大,导线表面电场强度就越低,电晕就越小。电晕是一种伴随着放电气体电离、复合等过程出现的声、光、热等的放电现象。雨天在输电线周围可能会听到“兹兹”的声音,那就是电晕的声音,夜里也能看到微弱的光。电晕是对电能的损耗,我们当然希望把导线弄粗些,降低表面场强及电晕。电晕高频也会带来无线电干扰,这也是为什么直流导线也要分裂的原因,都是为了降低电晕。
与单根导线相比,分裂导线能使输电线的电感减小、电容增大,使其对交流电的波阻抗减小,提高线路的输电能力。研究表明:当每相导线的截面恒定时,从单根导线过渡到分裂导线,线路的输送能力随之增加。另外,分裂导线还能减小电晕。
对于导线材料,10kV以下的线路一般采用铝绞线。35kV及以上的线路一般则采用强度更高的钢芯铝绞线,如下图:
以下是不同分裂导线的电场示意图。可以看出分裂导线可以等效成为一根和这一样粗细的导线:
如上述原因,为了增大输电容量(提高电压、电流),220kV的线路一般采用双分裂线路,500kV线路一般采用四分裂线路,750-1000kV的线路则会采用八分裂的线路。
绝缘子
绝缘子是输电线路的重要组成部分,是唯一的电气绝缘件和重要的结构支撑件,绝缘子性能及其配置的合理性直接影响线路的安全稳定运行。其核心功能主要体现在两个方面:一是电气绝缘,确保导线与杆塔、大地之间,以及不同相位导线之间保持可靠的电气隔离,防止因绝缘失效引发短路、漏电等故障。
二是机械支撑,需承受导线的自重、覆冰、风力等外部机械载荷,以及自身的重量,保证在各种恶劣环境条件下仍能维持稳定的安装状态,避免因机械强度不足导致结构损坏。
按照绝缘材料划分,绝缘子主要分为陶瓷绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子三大类。
输电线路采用的绝缘子主要分两大类:一类为应用于耐张串的盘型悬式玻璃绝缘子,形状是飞碟状的,一个飞碟算一片绝缘子,绝缘子串是把若干飞碟串起来,采用这种多层伞裙结构以增加爬电距离,隔离导线与杆塔。另一类为应用于悬垂串和跳线串的棒型悬式复合绝缘子。
在长期的运行中,两种类型绝缘子表现出不同的运行性能及特点。上图是玻璃钢绝缘子串的形状。
下图绝缘子分别为陶瓷材料绝缘子和复合材料绝缘子。
一片绝缘子大概的厚度是15厘米,串7片差不多一米。一般情况下:750kV,32个;500kV,23-25个;330kV,17个;220kV,13个;110kV,7个;66kV,5个。
如果在高海拔、污秽重的地区或者重要的杆塔,片数还要增加几片。基本可以看出1片绝缘子可以承受1~1.5万伏的电压,但随着电压等级的升高,承压的非线性越强。实际上,不同地区不同环境,绝缘子片数可能差别很大。当然不同类型的绝缘子,要求的片数也不同。
