±1 100 kV特高壓直流輸電線路導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

李曉麗，李先志(.國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 600；.西南電力設(shè)計院，四川 成都 600)

±1 100 kV特高壓直流輸電線路導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

李曉麗1，李先志2
(1.國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610021；2.西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021)

導(dǎo)線選型及分裂方式的確定是發(fā)展±1 100 kV特高壓直流輸電工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，對線路的可靠運行、環(huán)境保護和控制工程投資至關(guān)重要。采用國際公認的、經(jīng)過實際工程驗證且廣泛使用的計算分析方法，研究了±1 100 kV直流輸電線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)(導(dǎo)線分裂數(shù)、子導(dǎo)線截面、導(dǎo)線分裂間距、極導(dǎo)線對地高度和極導(dǎo)線間距)對合成電場、可聽噪聲和無線電干擾場強的影響；對不同的導(dǎo)線方案進行了經(jīng)濟性比較。根據(jù)電磁環(huán)境預(yù)測分析及經(jīng)濟比較結(jié)果，確定了±1 100 kV直流輸電線路的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。

±1 100 kV特高壓直流；電磁環(huán)境；導(dǎo)線選型

導(dǎo)線選擇是特高壓直流輸電工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，對線路可靠運行、環(huán)境保護和控制工程投資至關(guān)重要。而±1 100 kV特高壓線路在工程實踐中屬新的電壓等級，目前尚無標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)計運行經(jīng)驗可供參考。但根據(jù)現(xiàn)有±800 kV輸電線路研究結(jié)論[1,2]，并進行合理類推發(fā)現(xiàn)，決定±1 100 kV特高壓線路導(dǎo)線選擇的因素是電磁環(huán)境要求。因此，下面將主要從電磁環(huán)境要求出發(fā)，對采用不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)線時的電場、離子流密度、可聽噪聲和無線電干擾進行分析，并結(jié)合年費用計算等經(jīng)濟性比較。提出±1 100 kV直流輸電線路導(dǎo)線分裂數(shù)和子導(dǎo)線截面選擇建議。

1 電磁環(huán)境限值

±1 100 kV特高壓線路的電磁環(huán)境要求尚無規(guī)程規(guī)范可以執(zhí)行，本工程仍參照《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(報批稿)規(guī)定，電磁環(huán)境主要控制指標(biāo)為[3]：①一般非居民區(qū)線路下方最大地面合成場強的控制指標(biāo)為30 kV/m；鄰近民房的最大合成場強的控制指標(biāo)為25 kV/m。②線路下方離子流密度的控制指標(biāo)為一般地區(qū)：100 nA/m2；居民區(qū)：80 nA/m2。③直流磁場的控制指標(biāo)為10 mT。

表1 導(dǎo)線型號及特性一覽表

表2 導(dǎo)線分裂數(shù)組合一覽表

④無線電干擾的控制指標(biāo)：海拔1 000 m及以下地區(qū)，距直流架空輸電線路正極性導(dǎo)線對地投影外20 m處，80%時間，80%置信度，0.5 MHz頻率的無線電干擾不超過58 dB(μV/m)。⑤電暈可聽噪聲的控制指標(biāo)：海拔1 000 m及以下地區(qū)，距直流架空輸電線路正極性導(dǎo)線對地投影外20m處由電暈產(chǎn)生的可聽噪聲(L 50)不超過45 dB(A)；海拔高度大于1 000 m且線路經(jīng)過人煙稀少地區(qū)時，控制在50 dB(A)以下。

其中直流線路的磁場與地磁相當(dāng)，遠小于國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)建議的公眾暴露限值[4,5]；地面離子流密度計算值也遠小于限值。 在導(dǎo)線選型時，磁場和離子流密度兩個指標(biāo)不會起制約作用。

2 導(dǎo)線及分裂方式的初選

2.1 總截面的選取

特高壓直流線路所采用的導(dǎo)線，一般應(yīng)符合有效的國家電線產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。需要采用非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品或國外產(chǎn)品時，應(yīng)符合國際或生產(chǎn)國相同產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)行導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)《圓線同心絞架空導(dǎo)線》[6]，基于以上要求和系統(tǒng)確定的總截面等條件，按照中國現(xiàn)有導(dǎo)線生產(chǎn)的情況，選擇以下鋼芯鋁絞線導(dǎo)線進行比較，其特性如表1，各導(dǎo)線的分裂數(shù)組合列入表2。

2.2 分裂間距

本文考察近25年來政府機構(gòu)改革研究的成果情況，統(tǒng)計了歷年的CSSCI和核心期刊論文數(shù)量，其逐年變化趨勢如圖1所示。我國政府機構(gòu)改革的研究大致興起于20世紀(jì)末，第一篇以“政府機構(gòu)改革”為主題發(fā)表的文章是楊伯亞、孫明、陳春生（1992）的《在機構(gòu)改革中優(yōu)化政府行政協(xié)調(diào)職能》。本文通過分析改革與政府機構(gòu)的相應(yīng)配置和政府管理經(jīng)濟職能轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系，探究了如何在改革中優(yōu)化政府的行政協(xié)調(diào)職能。[2]這與在當(dāng)時第三次機構(gòu)改革即將開始，并且將重點放在政府機構(gòu)改革為了適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟體制上的大背景相契合。

導(dǎo)線分裂間距S的選取與子導(dǎo)線直徑d有關(guān)，并需考慮分裂導(dǎo)線的次檔距振蕩和電氣兩個方面的特性。然而兩者要求卻是矛盾的，防止次檔距振蕩要求分裂間距盡量大(S/d>13.80～18.0)，而電氣方面，對本項目而言則要求分裂間距盡量小，以降低表面場強進而降低電磁環(huán)境參數(shù)值(如圖1)。

圖1 分裂間距與導(dǎo)線表面場強的關(guān)系

由于±1 100 kV直流線路電磁環(huán)境影響較大，分裂間距選取時應(yīng)更多考慮電氣因素而取較小的值，次檔距振蕩則通過合理安裝阻尼間隔棒來解決。從運行經(jīng)驗來看，中國皖電東送、錫盟—南京等1 000 kV交流特高壓線路選擇的分裂間距為400 mm(8×630 mm2導(dǎo)線)，但由于本工程參選導(dǎo)線截面更大，大截面導(dǎo)線時分裂間距應(yīng)適當(dāng)增加。對大截面導(dǎo)線來說，寧東—山東±660 kV輸電線路分裂間距為450 mm(4×1 000 mm2導(dǎo)線)?；谝陨峡紤]，本工程導(dǎo)線分裂間距按表3選取。

3 電磁環(huán)境計算

在本節(jié)的各種計算中，導(dǎo)線采用雙極水平排列，絕緣子串為V串布置，為深入研究不同導(dǎo)線方案對技術(shù)經(jīng)濟的影響，掛線尺寸在合理范圍內(nèi)選取多種數(shù)值參與計算，極間距取24、26、28 m，一般地區(qū)最小對地高度按25、27、29 m(計算地面合成場強用)，對應(yīng)導(dǎo)線平均高取30、32、34 m(計算可聽噪聲和無線電干擾)。

表3 導(dǎo)線分裂間距及S/d值一覽表

3.1 地面合成場強計算

地面合成場強關(guān)系到線路附近居民的人身安全問題。美國Dalles試驗中心曾經(jīng)做過相關(guān)人體試驗，試驗表明，人在22 kV/m(±400 kV)電場下，頭皮有輕微刺痛感覺；在27 kV/m(±500 kV)電場下，頭發(fā)有刺激感，耳朵和毛發(fā)有輕微感覺；人體在32 kV/m(±600 kV)電場下，頭皮有強烈的刺痛感覺。因此，將合成場強和離子流密度限定在一定的范圍內(nèi)對環(huán)保具有重要的意義。

最小對地距離分別取25、27、29 m，極間距取24、26、28 m，計算各種導(dǎo)線的地面合成場強Es的計算結(jié)果見表4。

由表4可知，參選導(dǎo)線在海拔為0晴天條件下,合成場強小于30 kV/m，滿足限值要求。盡管海拔高度對合成場強、離子流密度的影響較大，但根據(jù)研究，合成電場強度隨海拔高度每升高1 000 m最大增加約4～5 kV/m，因此參選導(dǎo)線的合成場強，在海拔1 000 m也基本控制在30 kV/m。海拔1 000 m時，合成場強可能超過30 kV/m限值的，主要存在于表4中25 kV/m以上的導(dǎo)線方案，由于這些導(dǎo)線方案的導(dǎo)線表面場強也比較大，在滿足可聽噪聲限值方面也可能存在困難。

3.2 無線電干擾和可聽噪聲

3.2.1 無線電干擾計算方法

《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(報批稿)推薦的無線電干擾場強的計算方法是國際無線電干擾特別委員會CISPR的公式，試驗結(jié)果表明，CISPR計算方法具有較高的準(zhǔn)確度，采用CISPR公式進行無線電干擾場強的預(yù)估計算。

RI=38+1.6(gmax-24)+46logr+5logn+33log20D

(1)

式中，RI為輸電線路的無線電干擾水平值，dB；gmax為導(dǎo)線表面最大電位梯度，kV/cm；r為子導(dǎo)線的半徑，cm；D為距正極性導(dǎo)線的距離(適應(yīng)小于100 m)，m；n為分裂導(dǎo)線根數(shù)。

式(1)適用于0～500 m海拔，其后海拔每升高300 m，無線電干擾增加1 dB。式(1)計算值為好天氣，50%概率無線電干擾電平，換算至無線電干擾雙80%值還應(yīng)增加3 dB。

3.2.2 可聽噪聲計算方法

表4 地面合成場強計算結(jié)果(海拔0，晴天)

表5 海拔1 000 m時不同導(dǎo)線的可聽噪聲預(yù)估值/dB(A)

注：表中的數(shù)值為距正極導(dǎo)線對地投影外20 m處的值，下劃線加黑表示海拔修正后滿足要求的值。

關(guān)于導(dǎo)線電暈引起的可聽噪聲的計算方法，國際上有許多研究機構(gòu)進行過深入的研究，提出了各自的預(yù)測公式，但由于各自的實驗環(huán)境和條件不同，其預(yù)測公式的計算結(jié)果也存在差異?！丁?00 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(報批稿)推薦采用BPA及EPRI的兩種計算公式，這里采用EPRI計算公式。PdB=56.9+124logE25+25logd4.45+18logn2-

10logRp-0.02Rp+Kn

(2)

式中，PdB為輸電線路的可聽噪聲，dB(A)；E為導(dǎo)線表面最大場強，kV/cm；n為次導(dǎo)線分裂根數(shù)；Rp為距正極性導(dǎo)線的距離，m；n≥3時，Kn=0。

對于高海拔修正，按照采用中國電力科學(xué)研究院的最新研究結(jié)論推薦的0～4 300 m按0～5 dB線性修正方法進行高海拔修正所得計算值作為判據(jù)。

3.2.3 計算及比較

按照上述計算方法，各種導(dǎo)線的可聽噪聲(AN)及無線電干擾值(RI)計算結(jié)果列入表5、表6。

表5、表6中的計算結(jié)果表明，所有參選方案的無線電干擾均小于58 dB(μV/m)，而可聽噪聲值是否滿足45 dB(A)的要求，則隨導(dǎo)線和布置尺寸的不同存在顯著差異。故決定導(dǎo)線型式的因素是可聽噪聲。

各種導(dǎo)線方案的可聽噪聲值隨極間距和線高不同而變化，且極間距的影響比線高的影響更大。10×630和10×720在表中所有排列尺寸下均滿足可聽噪聲限值要求，而8×JL/G1A-800/55與9×JL/G1A-630/45兩方案在滿足可聽噪聲要求下，極間距達28m，對地均高達34m，明顯不經(jīng)濟，因此，這兩種導(dǎo)線方案首先被淘汰。在其余導(dǎo)線方案中，按最經(jīng)濟原則，選取滿足可聽噪聲條件下極間距和線高最小的布置尺寸(列入表6)，再進行年費用比較。

表6 按最經(jīng)濟原則確定的導(dǎo)線型式及其布置尺寸

4 年費用比較

表6中的導(dǎo)線均滿足電氣特性要求，要確定最優(yōu)的導(dǎo)線方案只能再通過經(jīng)濟性進行比較。年費用法為財務(wù)評價方法之一，能反映工程投資的合理性、經(jīng)濟性。年費用比較法是將參加比較的諸多方案在計算期內(nèi)的全部支出費用折算成等額年費用比較，年費用低的方案在經(jīng)濟上最優(yōu)。年費用包含初投資年費用、年運行維護費用、電能損耗費用及資金的時間價值(即利息)。年費用計算中難點在于估計各種導(dǎo)線方案對應(yīng)的本體投資。這里充分考慮了各種導(dǎo)線對鐵塔的外負荷，以及表6中不同導(dǎo)線對應(yīng)的極間距和塔高的不同對造價的影響，以便更為準(zhǔn)確地估計不同導(dǎo)線方案的本體投資。以10 mm冰區(qū)典型線段為例，各導(dǎo)線方案的年費用比較如圖2、圖3。 年損耗在3 500 h，年費用較低的導(dǎo)線方案是8×JL/G3A-1000/45、9×JL/G1A-800/55、9×JL/G2A-720/50導(dǎo)線等方案，最高的是8×JL/G1A-1120/90，9×JL/G2A-900/75導(dǎo)線。年損耗在4500h，年費用最低的導(dǎo)線方案是8×JL/G3A-1000/45，最高的是9×JL/G2A-900/75和10×JL/G1A-630/45導(dǎo)線。總體來看，年費用最低的是8×JL/G3A-1000/45。

圖2 導(dǎo)線年費用比較圖(3 500 h)

圖3 導(dǎo)線年費用比較圖(4 500 h)

5 結(jié) 論

±1 100 kV特高壓直流線路導(dǎo)線選擇的主要控制因素是可聽噪聲，按海拔1 000 m時45 dB(A)限值控制，有6種導(dǎo)線型式可供選擇。最終結(jié)合經(jīng)濟性比較，建議選擇8×JL/G3A-1000/45導(dǎo)線方式，分裂間距450 mm。

[1] 張文亮，陸家榆，鞠勇,等.±800 kV直流輸電線路的導(dǎo)線選型研究.中國電機工程學(xué)報[J].2007,27(27)：1-6.

[2] 梁明, 王永剛,周剛.±800 kV輸電線路按電暈條件的導(dǎo)線選擇.高電壓技術(shù)[J].2008,34(9)：1875-1879.

[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范(報批稿) [S].

[4] 陸家榆，鞠勇．±800 kV直流輸電線路電磁環(huán)境限值研究[J]．中國電力，2006，39(10)：37-42．

[5] 中華人民共和國國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).Q/GDW 145-2006，±800 kV直流架空輸電線路電磁環(huán)境控制值[S].

[6] GB/T 1179-2008，圓線同心絞架空導(dǎo)線[S].

Determination of conductor type selection and bundle structure is one of the key technologies for developing ±1 100 kV UHVDC transmission line projects, which is of vital importance to the reliable operation of transmission lines, the environmental protection and the control of project investment. Employing the internationally recognized, practically verified and widely used calculation and analysis methods, the influence of the structure parameters of ±1 100 kV UHVDC transmission lines, such as splitting number, sectional area of sub-conductors, splitting-wire spacing, conductor elevation to the ground and pole conductor distance, on total electric fields, audible noise and radio interference filed intensity is studied. The economic comparison is carried out with regard to different conductor schemes. Finally, the conductor structure of ±1 100 kV UHVDC transmission lines is determined on the basis of electromagnetic environment forecast analysis and economic comparison results.

±1 100 kV UHVDC；electromagnetic environment；conductor type selection

TM751

A

1003-6954(2015)02-0006-04

2014-10-27)

李曉麗(1983)，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)過電壓與接地研究；

李先志(1982)，碩士，工程師，主要從事送變電線路設(shè)計與研究。