周 唯，周 剛，吳子怡

(西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021)

特高壓直流輸電線路大截面導(dǎo)線極間距取值深化研究

周 唯，周 剛，吳子怡

(西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021)

在特高壓直流輸電線路中，極導(dǎo)線間距離直接影響桿塔塔頭尺寸、桿塔高度和輸電線路電磁環(huán)境指標，進而影響工程建設(shè)投資和環(huán)保水平，具有重要的經(jīng)濟和社會效益。通過對影響極間距取值的各種因素進行研究分析，提出了采用大截面鋼芯鋁絞線的極間距控制因素、優(yōu)化研究和經(jīng)濟效益等成果。

特高壓；直流輸電線路；極間距；大截面

0 引 言

隨著中國電力系統(tǒng)全國聯(lián)網(wǎng)、西電東送、南北互供工程的實施，以及國家特高壓骨干電網(wǎng)的建設(shè)，中國電網(wǎng)將形成大容量交直流并列運行的格局。由于輸電線路走廊資源的緊缺，有效控制±800 kV特高壓直流線路極間距，減小直流線路走廊寬度勢在必行。這在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)尤為突出，輸送距離長達上百千米的特高壓直流線路，有效控制極間距減小走廊寬度非常重要。工程設(shè)計和建設(shè)中必須進行認真研究，在保證安全運行的基礎(chǔ)上，嚴格控制空氣間隙、桿塔高度和電磁環(huán)境指標，能有效節(jié)省輸電直流輸電線路工程投資[1]。

1 邊界條件

研究的基本計算條件如下：額定電壓為±800 kV；系統(tǒng)最高運行電壓為±816 kV；系統(tǒng)輸送功率為8 000 MW；操作過電壓倍數(shù)為1.6。在各種計算中，大截面導(dǎo)線采用雙極水平排列，絕緣子串為V串布置；直線塔塔身寬度取為3.6 m，耐張塔塔身寬度取為4.6 m；10 mm冰區(qū)，27 m/s風(fēng)區(qū)；極導(dǎo)線和地線布置尺寸詳見圖1。

圖1 鐵塔布置圖

研究的特高壓直流線路，參考正在設(shè)計的靈州—紹興和酒泉—湖南線路工程，每極大截面導(dǎo)線，采用6分裂JL/G2A-1250/70鋼芯鋁絞線，參數(shù)見表1[2]。

2 主要控制因素

2.1 電磁環(huán)境限值

隨著全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展和民眾環(huán)境意識的增強，輸電工程的電磁環(huán)境影響越來越受到人們的關(guān)注，輸電工程也受到環(huán)保的嚴厲制約，輸電工程的電磁環(huán)境成為決定輸電線路結(jié)構(gòu)和影響建設(shè)費用等的重要因素。輸電線路的電磁環(huán)境主要包括電場效應(yīng)、可聽噪聲、無線電干擾及生態(tài)效應(yīng)等方面。這些都是輸電線路工程建設(shè)中必須考慮的重大技術(shù)課題。所研究的控制條件依據(jù)《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50790-2013)對電磁環(huán)境限值的規(guī)定[3]。

表1 導(dǎo)線基本參數(shù)表

2.2 空氣間隙

直流線路極導(dǎo)線間距除受電磁環(huán)境限值制約外，還需滿足塔頭空氣間隙要求。可用式(1)表達。

S≥ (δ+R)×2+D

(1)

式中，S為極間距；δ為空氣間隙；R為均壓環(huán)至分裂導(dǎo)線中心距離；D為塔身寬度。

2.3 絕緣子串長和V串夾角

直流線路極導(dǎo)線間距受絕緣子串長和V串夾角的控制，具體控制條件如式(2)。

S≥((L+d)×sinα/2)×2+D

(2)

式中，S為極間距；L為絕緣子串長；d為聯(lián)板懸掛點至聯(lián)版中心距離；α為V串夾角；D為塔身寬度。

3 極間距與電磁環(huán)境的變化關(guān)系

3.1 導(dǎo)線表面電場強度

導(dǎo)線表面電場強度是導(dǎo)線選擇計算中的最基本條件，導(dǎo)線表面電場強度過高將會引起導(dǎo)線全面電暈，不但電暈損耗急劇增加，而且環(huán)境影響問題也更嚴重，所以在特高壓線路設(shè)計中必須選擇合理的導(dǎo)線表面電場強度[4]。

3.1.1 導(dǎo)線起始電暈電場強度

電暈是高壓線附近產(chǎn)生的微弱的輝光，當導(dǎo)線表面的電場強度超過了空氣電氣擊穿強度時所產(chǎn)生局部放電就形成了電暈。通過科研單位多次試驗證明，導(dǎo)線的起始電暈電場強度與極性的關(guān)系較小，一般認為直流線路導(dǎo)線起暈場強和交流線路起暈場強的峰值相同，直流線路導(dǎo)線的起暈場強較交流線路低得多，不影響導(dǎo)線極間距布置。

3.1.2 導(dǎo)線表面最大電場強度

導(dǎo)線表面電場強度決定于運行電壓、子導(dǎo)線直徑、子導(dǎo)線分裂數(shù)、子導(dǎo)線分裂間距、極導(dǎo)線高度以及相間距離等因素。導(dǎo)線表面最大場強隨極導(dǎo)線間距增加而減小，但降低的幅度不是很明顯，從16 m增加到24 m，表面場強降低了約9～10%。導(dǎo)線表面最大場強隨極導(dǎo)線截面的增大而減小，最大截面導(dǎo)線比最小截面的導(dǎo)線表面場強減小約14～15%。

3.2 地面標稱場強、合成場強和離子流密度

對直流線路而言，決定地面電場效應(yīng)危害程度的主要因素是線路下合成場強和地面離子流密度。合成電場為標稱場強和由空間電荷產(chǎn)生的電場的合成。通過多種導(dǎo)線的組合計算，研究發(fā)現(xiàn)極間距對最大合成場強和地面離子流密度的影響很小。不同極導(dǎo)線間距時的地面最大標稱場強隨著極導(dǎo)線間距的增加而增加, 地面最大離子流密度隨極導(dǎo)線間距的變化不大，地面最大合成場強隨極導(dǎo)線間距的增大而減小[4，5]。不同極間距時的地面最大標稱場強、地面最大合成場強、最大離子流密度計算結(jié)果詳見圖2、圖3、圖4。

圖2 不同極間距時的地面最大標稱場強

3.3 無線電干擾分析

直流線路電暈形成的電流脈沖注入導(dǎo)線，并沿導(dǎo)線向注入點兩邊流動，從而在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生電磁場，即無線電干擾場。壞天氣條件下的無線電干擾水平低于好天氣，這是直流不同于交流線路的最大特點。正極性導(dǎo)線電暈放電，放電點在導(dǎo)線表面的分布隨機性大，持續(xù)的放電點大多數(shù)出現(xiàn)在導(dǎo)線表面有缺陷處，放電脈沖幅值大，且很不規(guī)則，是無線電干擾的主要來源。對于雙極性直流輸電線路，正極導(dǎo)線產(chǎn)生無線電干擾一般要比負極性大6 dB。

圖3 不同極間距時的地面最大合成場強

圖4 不同極間距時的最大離子流密度

采用《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50790-2013)推薦的無線電干擾的經(jīng)驗公式進行無線電干擾場強的預(yù)估計算。對JL/G2A-1250/70導(dǎo)線按平均高度23 m的不同極間距進行組合計算?？紤]海拔高度的影響，按海拔每增加300 m，無線電干擾場強增加1dB(μV/m)進行修正。無線電干擾計算結(jié)果如表2所示，變化趨勢詳見圖5。

圖5 無線電干擾影響的計算結(jié)果

序號極間距/m無線電干擾/dB海拔500m海拔1000m海拔1500m海拔2000m11053．755．45758．721152．854．556．157．831251．953．655．256．941351．252．954．556．251450．652．353．955．66155051．753．35571649．551．252．854．581749．150．852．454．191848．750．45253．7101948．35051．653．311204849．751．353122147．749．45152．7132247．449．150．752．4

注：導(dǎo)線最小對地距離取23 m。表2為好天氣，距正極性導(dǎo)線對地投影外20 m處，80%時間，80%置信度，0.5 MHz頻率的無線電干擾場強。

無線電干擾隨極間距離的增大而減小，平均變化陡度約-0.38 dB/m。因此，為降低無線電干擾，可采取加大極間距離的措施。

3.4 可聽噪聲分析

《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50790-2013)推薦采用EPRI和BPA的計算公式。這里采用EPRI推薦公式計算可聽噪聲。JL/G2A-1250/70導(dǎo)線在不同極間距下，距正極導(dǎo)線對地投影外20 m處的可聽噪聲計算結(jié)果如表3所示，可聽噪聲變化趨勢詳見圖6。

圖6 可聽噪聲影響的計算結(jié)果

從以上計算結(jié)果可知，可聽噪聲隨極間距離的增大而逐漸減小，平均變化陡度約-0.5 dB/m。為降低可聽噪聲，可采取加大極間距離、增大導(dǎo)線截面等措施。

表3 不同極間距下可聽噪聲

注：導(dǎo)線最小對地距離取23 m。表3為好天氣，距正極性導(dǎo)線對地投影外20 m處。

4 極間距離控制值

4.1 電磁環(huán)境限值要求的最小極間距

直流線路的離子流密度、合成電場強度、可聽噪聲和無線電干擾都與極導(dǎo)線間距有關(guān)，地面離子流密度和地面合成電場強度一般靠合理選擇極導(dǎo)線高度加以控制，而控制可聽噪聲和無線電干擾首先需考慮選擇合理的極導(dǎo)線間距。采用大截面導(dǎo)線，取平均對地高度23 m時，在不同海拔滿足可聽噪聲不超過45 dB(A)，無線電干擾不超過58 dB(μV/m)的最小極間距離，見表4。

表4 不同海拔下直線塔電磁環(huán)境要求的最小極間距離

4.2 空氣間隙需要的最小極間距

特高壓直流線路采用V串，塔頭空氣間隙距離由操作過電壓控制。操作過電壓倍數(shù)取1.6 p.u.?？紤]均壓環(huán)到分裂導(dǎo)線中心的距離為1.3 m，導(dǎo)線對應(yīng)處塔身寬度3.6 m，并考慮最小空氣間隙距離，匯總表如表5所示。

表5 空氣間隙要求的最小極間距

4.3 絕緣子串長要求的最小極間距

根據(jù)目前±800 kV特高壓直流線路絕緣配合研究結(jié)論，并結(jié)合絕緣子金具組裝型式及塔身寬度的研究成果，計算得出絕緣子串長所要求的最小極間距?？紤]金具的長度0.9 m，聯(lián)板懸掛點到聯(lián)板中心0.25 m，端部塔身寬度3.6 m，絕緣子V串角度為90°時，最小極間距見表6。

表6 絕緣子串長要求的最小極間距離

5 結(jié) 論

通過對極間距離與電磁環(huán)境、空氣間隙、絕緣子串長及V串夾角的關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)直線塔極間距離主要由電磁環(huán)境、最小空氣間隙和絕緣子串長及V串夾角控制。每極導(dǎo)線采用6分裂JL/G2A-1250/70鋼芯鋁絞線時，直線塔極間距離主要受絕緣子串長及V串夾角控制；電磁環(huán)境及空氣間隙要求不控制極間距離。一般線路輕冰區(qū)的最小極間距離取值結(jié)論，按以上方式分析計算，匯總結(jié)論如表7所示。直線塔設(shè)計過程中，根據(jù)線路經(jīng)過的不同海拔和污區(qū)分布，可對直線塔的極間距取值進行取整簡化。

表7 直線塔最小極間距

注：此表采用直線塔絕緣子串V串夾角85°。

根據(jù)科研單位的試驗實測數(shù)據(jù)，結(jié)合大截面導(dǎo)線對極間距影響的計算分析結(jié)論，得出耐張塔的電磁環(huán)境按照導(dǎo)線表面電場強度增加近百分之三，極導(dǎo)線平均對地高度23 m，在不同極導(dǎo)線間距下(11～26 m)正極性導(dǎo)線對地投影外20 m處可聽噪聲50%值，按中國電科院推薦的方法修正計算耐張塔最小極間距。為了均衡掛點布置、方便鐵塔加工、簡化施工組裝，耐張塔最小極間距離可考慮統(tǒng)一取值，匯總統(tǒng)計值如表8所示。

表8 耐張塔最小極間距離

[1] 吳桂芳. ±800kV直流和1000kV交流線路同走廊時的最小接近距離研究[J].中國電力, 2007 (12)：22-26.

[2] GB/T 1179-2008，圓線同心絞架空導(dǎo)線[S].

[3] GB 50790-2013,±800kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 布春磊,周海鷹,江明.特高壓直流輸電線路大截面鋼芯鋁絞線選型研究[J].電力建設(shè), 2013,34(9):102-104.

[5] 萬建成,李健,陳媛,等.鋁合金芯鋁型絞線在大容量直流線路中的應(yīng)用[J].電力建設(shè), 2013,34(8):105-106.

The electrode spacing has important economic and social benefits, and it also affects the towerhead size, tower height, electromagnetic environment, investment and environmental protection. Based on the research and analysis on various factors for the electrode spacing values, the achievements of control factors, optimization research and economic results etc are proposed.

ultra high voltage (UHV); DC transmission line; electrode spacing; large cross-section

TM723

A

1003-6954(2015)01-0014-05

2014-10-28)

周 唯(1982)，碩士，工程師，從事輸電線路技術(shù)設(shè)計工作；

周 剛(1964)，本科，高級工程師，主要從事輸電規(guī)劃、研究、咨詢設(shè)計工作；

吳子怡(1981)，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)工程咨詢設(shè)計及造價設(shè)計工作。