设计空气净化系统的最小距离公式法

±800kV特高压直流输电系统的电压等级是全新的，在进行换流站空气间隙设计时没有该电压等级系统的实际设计运行经验可以参考。因此换流站最小空气间隙的确定最好是根据±800kV换流站真型空气间隙的实际放电试验曲线计算，但当没有放电曲线时，也可以由各研究单位推荐的相关公式计算得到。目前，主要有国际大电网会议（CIGRE），美国电力科学研究院（EPRI）和中国直流输电工程所使用的3种计算方法。

1）国际大电网会议（CIGRE）推荐的计算方法

国际大电网会议1984年出版报告[11]中推荐的空气间隙50%冲击放电电压计算公式为

式中，K1为裕度系数，对操作和雷电冲击分别取为1.2和1.25；Up为相应避雷器的保护水平；σ为空气间隙冲击放电电压变异系数，推荐对操作和雷电冲击可分别取6%和3%；K2为空气间隙的冲击放电电压气象修正系数，在海拔1000m以下时可取K2=1。

确定空气间隙操作和雷电50%冲击放电电压后，可由下面的公式计算最小空气间隙距离。

式中，d为空气间隙距离；k为电极形状特性的间隙系数，选择如下：导线对板k=1.15，导线对导线k=1.3，棒对棒k=1.4。

2）美国电力科学研究院（EPRI）推荐的计算方法

美国电力科学研究院在其1985年出版的报告[12]中提供了如下的空气间隙50%冲击放电电压计算公式：

式中，SIWL为设备的操作冲击绝缘耐受水平；σ为空气间隙冲击放电电压变异系数，取值范围约为4%～6%。

由空气间隙50%操作冲击放电电压，通过下面的公式计算得到操作冲击要求的最小空气间隙距离为

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式中，k为电极形状特性的间隙系数，选择方法与国际大电网会议（CIGRE）推荐的相同。

3）中国直流输电工程采用的方法

中华人民共和国电力行业标准[13]推荐下式作为最小空气间隙计算的50%冲击放电电压为

式中，U50为空气间隙的50%冲击放电电压；UW为设备的冲击绝缘耐受水平（SIWL、LIWL）；σ为空气间隙冲击放电电压变异系数，一般对雷电、操作冲击分别取3%和6%。

最小空气间隙距离的确定公式与国际大电网会议（CIGRE）推荐的式（18-16）、（18-17）相同。需要指出的是，在工程应用中一般可以不考虑电极形状的影响，保守取电极形状系数k=1，这样将获得更大的空气净距值，留有更大的安全裕度。

表18-9给出了四种不同方法要求的换流站直流极母线最小空气间隙距离。电科院的试验分别针对硬母线、软母线和支柱绝缘子，而其他三种公式法不区分硬母线和软母线。

表18-9　±800kV换流站直流场极母线和支柱绝缘子最小空气间隙距离

根据中国电科院对真型空气间隙的实际试验曲线，计算得到操作冲击对换流站极母线最小空气间隙约为6m，而采用国际大电网会议（CIGRE）和美国电力科学研究院（EPRI）推荐经验公式计算约为7～8m，比前者约大了15%，而按照国内直流工程的方法，结果达到8.6m。从上述结果来看，这几种方法都有各自的优缺点。

由于前者的方法是对换流站真型空气间隙进行放电试验，然后根据实际放电试验的结果进行设计，相对来说得到的结果更加准确，更加可靠；但考虑到特高压换流站阀厅内和直流场内的设备及连接各设备的母线众多，需要确定的空气间隙距离多，而各空气间隙的电极形状差别较大，采用该方法就需要对众多形状的空气间隙进行放电试验，试验难度和工作量很大。后者公式法采用的相关经验公式是否适用于±800kV特高压换流站的空气间隙设计仍然需要经过实际验证，对照试验数据，其结果偏大；但该方法只需要简单的公式计算就可以得到最小空气间隙要求，且可以同时得到换流站各处不同空气间隙的最小值，应用起来相对方便得多。

国际大电网会议（CIGRE）和美国电力科学研究院（EPRI）两个单位推荐的经验公式仍有些不同之处。前者根据相应避雷器保护水平Up计算空气间隙的50%放电电压U50，裕度系数K1对操作冲击取为1.2，最后再除以（1-2σ）；后者直接根据设备的操作冲击绝缘耐受水平SIWL计算U50。在本篇的上一节中已经详细讨论过，在目前特高压直流输电系统中，操作冲击绝缘水平SIWL和相应避雷器保护水平之间的裕度系数取为15%，也就是说比CIGRE的方法要小，但是由于SIWL还要除以（1-3σ），比CIGRE方法中的（1-2σ）也要小，使得最终两种方法得出的结果相差并不大。

国内直流工程或标准[13]推荐的方法，得到的结果最大，主要是因为在工程应用中，一般不考虑电极形状的影响，取电极形状系数k=1，这样将获得更大的空气净距值，留有更大的安全裕度。