高海拔交流特高壓線路基于電暈條件下的導(dǎo)線選型研究

，， ，(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

高海拔交流特高壓線路基于電暈條件下的導(dǎo)線選型研究

梁明，朱長(zhǎng)青，謝靜，戴嚴(yán)航
(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

導(dǎo)線選型研究是特高壓交流輸電工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。尤其在高海拔地區(qū)，由于空氣相對(duì)密度大大降低，導(dǎo)線選型研究對(duì)線路的可靠運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)和控制工程投資至關(guān)重要。根據(jù)1 000 kV特高壓交流輸電線路電磁環(huán)境的限值，采用經(jīng)過實(shí)際工程驗(yàn)證且廣泛使用的計(jì)算分析方法，研究了1 000 kV特高壓交流輸電線路采用多種分裂組合導(dǎo)線時(shí)其電場(chǎng)強(qiáng)度比值、可聽噪聲的海拔限值，同時(shí)結(jié)合導(dǎo)線年費(fèi)用計(jì)算推薦相應(yīng)海拔區(qū)段內(nèi)的導(dǎo)線選型。經(jīng)研究，在海拔1 500～2 000 m時(shí)，推薦采用8×JL/G2A-720/50導(dǎo)線；在海拔2 000～3 000 m時(shí)，推薦采用10×JL/G1A-630/45導(dǎo)線。

特高壓；高海拔；電暈條件；導(dǎo)線選型

0 引 言

特高壓輸電線路工程中導(dǎo)線的選擇對(duì)整個(gè)工程的造價(jià)影響極大，直接關(guān)系到整個(gè)線路工程的建設(shè)費(fèi)用以及建成后的運(yùn)行可靠性和運(yùn)行成本。目前已建和在建的1 000 kV交流特高壓輸電線路均在海拔2 000 m以下，研究表明，隨著海拔的增加，電暈產(chǎn)生的可聽噪聲和電暈損失已成為1 000 kV交流特高壓輸電線路選擇導(dǎo)線截面的控制因素。

隨著特高壓電網(wǎng)向西部的延伸，交流特高壓線路將不可避免地通過2 000 m以上高海拔地區(qū),而高海拔地區(qū)導(dǎo)線電暈更加嚴(yán)重,電磁環(huán)境惡化,導(dǎo)線選型困難，需要開展高海拔1 000 kV特高壓輸電線路導(dǎo)線選型研究，提出滿足電暈校核條件、電磁環(huán)境指標(biāo)要求同時(shí)經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的導(dǎo)線型式。

下面從電磁環(huán)境限值出發(fā)，對(duì)高海拔地區(qū)采用不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)線時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度、可聽噪聲、無(wú)線電干擾及電阻、電暈損耗進(jìn)行分析，并結(jié)合年費(fèi)用計(jì)算進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，提出了高海拔1 000 kV交流特高壓輸電線路導(dǎo)線截面積及分裂方式。探討出的計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)論可為特高壓交流輸電線路高海拔導(dǎo)線選型設(shè)計(jì)提供參考。

1 導(dǎo)線及分裂方式的初選

1.1 總截面的選取

特高壓交流線路所采用的導(dǎo)線，應(yīng)符合有效的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這里根據(jù)現(xiàn)行導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)《圓線同心絞架空導(dǎo)線》[1]，按照現(xiàn)有導(dǎo)線生產(chǎn)的情況，選擇表1所示鋼芯鋁絞線導(dǎo)線進(jìn)行比較，各導(dǎo)線分裂數(shù)組合見表2。

表1 導(dǎo)線參數(shù)

表2 導(dǎo)線分裂數(shù)組合

表3 導(dǎo)線分裂間距及S/d值

1.2 分裂間距

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特性兩個(gè)方面。各分裂導(dǎo)線組合分裂間距設(shè)置見表3。

2 電磁環(huán)境計(jì)算

目前，主要的1 000 kV特高壓交流輸電線路導(dǎo)線均采用水平排列，絕緣子串為IVI串布置，單回路鐵塔布置如圖1所示。

圖1 1 000 kV單回路IVI塔頭布置圖

2.1 工作場(chǎng)強(qiáng)與臨界場(chǎng)強(qiáng)的比值(Em/E0)

根據(jù)GB 50665-2011《1 000 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，并結(jié)合國(guó)標(biāo)中建議導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度(Em)不宜大于全面電暈電場(chǎng)強(qiáng)度(E0)的80%～85%的要求。

中國(guó)特高壓交流線路采用的計(jì)算公式[4]為

(1)

式中:Em0為臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，m為導(dǎo)線表面系數(shù)，對(duì)絞線一般可取0.82；δ為相對(duì)空氣密度；r0為導(dǎo)線半徑，cm。

導(dǎo)線表面最大工作場(chǎng)強(qiáng)Em取決于最高運(yùn)行電壓、子導(dǎo)線直徑、相導(dǎo)線分裂形式及相間距離等，目前常用的方法為逐次鏡像法[4]。

由上述計(jì)算方法分析，對(duì)于不同的導(dǎo)線組合方案，在不同海拔高度下，各導(dǎo)線的Em/E0值均不同，為滿足Em/E0值在80%～85%范圍內(nèi)的限值，各導(dǎo)線組合方案均存在不同的適用海拔范圍。

在滿足工作場(chǎng)強(qiáng)與臨界場(chǎng)強(qiáng)的比值(Em/E0=0.85)時(shí)，各導(dǎo)線組合方案適用海拔如圖2所示。

根據(jù)圖2可看出，6分裂900 mm2導(dǎo)線和8分裂500 mm2導(dǎo)線均不能滿足海拔3 000 m時(shí)(Em/E0)的限值要求。

圖2 各分裂導(dǎo)線組合適應(yīng)工作場(chǎng)強(qiáng)與臨界場(chǎng)強(qiáng)比值海拔范圍圖(m=0.85)

2.2 無(wú)線電干擾和可聽噪聲

2.2.1 無(wú)線電干擾計(jì)算方法

無(wú)線電干擾計(jì)算采用GB 15707-95《高壓交流架空送電線路無(wú)線電干擾限值》建議的公式。

(2)

式中：ND為距離線路邊線D處(D<100 m)0.5 MHz的RI電平，dB；E為線路邊導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度有效值，kV/m；r為單根導(dǎo)線半徑，cm；D為被干擾點(diǎn)到邊導(dǎo)線的距離，m。

80%時(shí)間及80%置信度的無(wú)線電干擾場(chǎng)強(qiáng)E80%、80%由E50%、50%值的基礎(chǔ)上增加6～12 db(μV/m)得到，這里取值為增加8 db(μV/m)[4]。

需要說明的是，近年來，中、短波頻段的無(wú)線電廣播收聽已不再成為公眾獲取信息的主要渠道，輸電線路無(wú)線電干擾指標(biāo)的好壞也基本不影響公眾的生活質(zhì)量。在多年的環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中已發(fā)現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)線路附近無(wú)線電干擾超過限值的情況，也沒有對(duì)百姓的無(wú)線電廣播收聽造成實(shí)際影響。目前，在輸變電工程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)中已不再納入無(wú)線電干擾因子。

2.2.2 可聽噪聲計(jì)算方法

這里采用BPA計(jì)算公式來進(jìn)行本工程的可聽噪聲預(yù)測(cè)[3]。

(3)

式中：SLA為A計(jì)權(quán)聲級(jí)；PWL(i)為i相導(dǎo)線的聲功率級(jí)；Ri為測(cè)點(diǎn)至被測(cè)i相導(dǎo)線的距離，m；Z為相數(shù)。

式(3)的PWL按式(4)計(jì)算：

PWL=-164.4+120×lgE+55×lgdeq

(4)

式中：E為導(dǎo)線的表面梯度，kV/cm；dep為等效直徑，按式(5)計(jì)算：

deq=0.58×n0.48×d(n>4)

(5)

式中：n為分裂根數(shù)；d為次導(dǎo)線直徑，mm。

2010年國(guó)家電網(wǎng)公司開展了“特高壓輸電線路設(shè)計(jì)深化研究”課題研究，根據(jù)中國(guó)特高壓交流試驗(yàn)示范工程和特高壓交流試驗(yàn)基地試驗(yàn)線段的可聽噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的比較，按現(xiàn)行的BPA公式得到的特高壓交流線路可聽噪聲計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏大約2 dB(A)，因此可對(duì)現(xiàn)有的可聽噪聲計(jì)算方法在原公式計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上減去2 dB(A)進(jìn)行修正。

中國(guó)已針對(duì)不同海拔高度(海拔高度400～3 330 m)的330 kV、750 kV線路做了大量的測(cè)試工作，并提出了適用于工程上的可聽噪聲海拔修正量，即海拔以1 000 m為基準(zhǔn)，海拔每增加1 000 m線路可聽噪聲增加約1.5～2.0 dB。由于目前特高壓輸電線路尚未開展相關(guān)海拔修正測(cè)試工作，這里根據(jù)750 kV線路測(cè)試結(jié)論進(jìn)行遞推，建議1 000 kV輸電線路的可聽噪聲海拔修正量為：海拔每增加1 000 m線路可聽噪聲增加值暫取2.2 dB(A)。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果比較

按GB 50665-2011《1 000 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求：濕導(dǎo)線可聽噪聲不大于55 dB(A)(海拔500 m推算)[2]限值；無(wú)線電干擾測(cè)量值不大于58 dB(μV/m)(海拔500 m推算)限值。

按上述規(guī)范的要求，各分裂導(dǎo)線方案按不同海拔修正值進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 各分裂導(dǎo)線適應(yīng)無(wú)線電干擾和可聽噪聲海拔范圍

由圖3可以看出，8分裂900 mm2導(dǎo)線及10分裂500 mm2和630 mm2導(dǎo)線均滿足海拔3 000 m的無(wú)線電干擾以及可聽噪聲要求值，而6分裂導(dǎo)線受無(wú)線電干擾限制，不適用于高海拔地區(qū)。

2.3 電能損耗

2.3.1 電阻電能損耗

電阻損耗是輸電線路運(yùn)行期間所導(dǎo)致的發(fā)熱損耗，通常與輸送功率、最大負(fù)荷損失小時(shí)數(shù)等相關(guān)。其計(jì)算公式為:

Q=(P/U×φ)2×R×t

(6)

式中：Q為電阻損耗；P為輸送功率；U為額定電壓；φ為功率因數(shù)；R為交流電阻；t為最大負(fù)荷損失小時(shí)數(shù)。

各分裂導(dǎo)線組合輸送功率為5 000 MW，按照最大負(fù)荷損失3 000 h、4 000 h、5 000 h進(jìn)行電阻損耗計(jì)算，結(jié)果見圖4。

圖4 各分裂導(dǎo)線電阻損耗對(duì)應(yīng)圖

2.3.2 電暈損耗計(jì)算

當(dāng)輸電線路導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度超過空氣擊穿強(qiáng)度時(shí)，鄰近導(dǎo)線附近的空氣產(chǎn)生電離形成電暈放電，將電能轉(zhuǎn)化為熱、光、可聽噪聲和無(wú)線電干擾等形式釋放，這種能量損失就是電暈損失。

在確定高海拔特高壓線路導(dǎo)線選型及分裂方式時(shí)，不僅要考慮導(dǎo)線的電阻損耗，還應(yīng)考慮不同導(dǎo)線結(jié)構(gòu)下的電暈損失。在高海拔地區(qū)，電暈造成的電能損失占總電能損失比例較高，已成為決定導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣的控制因素。

年平均電暈功率損失為導(dǎo)線在各種天氣條件下(好天、雪天、雨天、霧淞天)產(chǎn)生的電暈功率損失的總和，參考有關(guān)工程典型氣候情況[3]，這里1 000 kV交流輸電線路電暈損失計(jì)算采用氣候情況見表4。

由于電暈損失計(jì)算需依據(jù)(Em/E0)值[4]查詢計(jì)算曲線取得，但目前尚無(wú)特高壓交流線路電暈損失的計(jì)算曲線，故這里采用《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)中年平均電暈損失計(jì)算曲線[4]進(jìn)行估算，見表5。

由表5可看出：

1)隨著導(dǎo)線分裂數(shù)的減少，電暈損耗隨之增大，在總鋁截面積大致相當(dāng)?shù)那闆r下，6分裂導(dǎo)線電暈損耗約為8分裂導(dǎo)線電暈損耗的1.8～2.7倍。8分裂導(dǎo)線電暈損耗約為10分裂導(dǎo)線電暈損耗的1.25～1.8倍。

2)海拔每增加1 000 m，電暈損失增加2～5倍。

同時(shí)根據(jù)計(jì)算曲線[4],針對(duì)好天氣、雪天、雨天情況下，導(dǎo)線的(Em/E0)值在0.9、0.7、0.6時(shí)，對(duì)應(yīng)的電暈損失值出現(xiàn)突變，但該曲線對(duì)于所研究的特高壓高海拔條件下的適應(yīng)性需驗(yàn)證。另外，針對(duì)1 000 kV的電暈損失計(jì)算目前尚無(wú)成熟的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，因此特高壓電暈損失計(jì)算曲線尚需進(jìn)一步進(jìn)行研究、驗(yàn)證。

表4 電暈損失計(jì)算天氣數(shù)

表5 各分裂導(dǎo)線組合計(jì)算電暈損耗

3 年費(fèi)用比較

年費(fèi)用法為財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)方法之一，能反映工程投資的合理性和經(jīng)濟(jì)性。

年費(fèi)用最小法計(jì)算為[4]：

(6)

式中：FN為年費(fèi)用(平均分布在n年內(nèi))；u為折算年運(yùn)行費(fèi)用；r0為電力工程投資的回收率，按8%、10%計(jì)；n為經(jīng)濟(jì)使用年數(shù)，這里取值為30年；Z為折算到第m年的總投資，按式(7)進(jìn)行計(jì)算。

(7)

式中：m為施工年數(shù)，參考工程建設(shè)周期，這里取為2年；t為從開工這一年起到計(jì)算年的年數(shù)，參考工程建設(shè)周期，取值為1年。

在高海拔輸電線路電能損耗計(jì)算中包含電阻損耗與電暈損耗兩部分，在相同的輸送功率下電阻損耗僅與導(dǎo)線材料、運(yùn)行時(shí)間相關(guān)，相同運(yùn)行條件下，各導(dǎo)線方案電阻損耗為固定值。而如前面所述，電暈損耗則與輸電線路所處位置的天氣、海拔、運(yùn)行時(shí)間等相關(guān)，在全年相同的天氣條件和運(yùn)行時(shí)間下，各導(dǎo)線方案電暈損耗隨海拔高度增加而增大。這里年最小費(fèi)用比較法中同時(shí)考慮了輸電線路電阻損耗與電暈損耗所造成的費(fèi)用變化情況。

為了進(jìn)一步分析各種導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性，采用最小年費(fèi)用法對(duì)所選9種導(dǎo)線組合方案在海拔1 000～3 000 m時(shí)不同年損耗小時(shí)下的年費(fèi)用進(jìn)行了計(jì)算比較，如圖5至圖10所示。

圖5 年損耗2 000 h，海拔1 000 m年費(fèi)用比較

圖6 年損耗3 000 h,海拔1 000 m年費(fèi)用比較

圖7 年損耗2 000 h,海拔2 000 m年費(fèi)用比較

圖8 年損耗3 000 h,海拔2 000 m年費(fèi)用比較

圖9 年損耗2 000 h,海拔3 000 m年費(fèi)用比較

圖10 年損耗3 000 h,海拔3 000 m年費(fèi)用比較

可以看出，在年費(fèi)用比較方面，8分裂、10分裂導(dǎo)線優(yōu)勢(shì)明顯，其中：在海拔1 000 m以下，8分裂630 mm2導(dǎo)線年費(fèi)用最低；在海拔2 000 m時(shí)，8分裂720 mm2導(dǎo)線年費(fèi)用最低；海拔3 000 m時(shí)，10分裂630 mm2導(dǎo)線年費(fèi)用最低。6分裂導(dǎo)線受電暈損耗影響，其年費(fèi)用在各海拔中均較高。

同時(shí)8分裂500 mm2導(dǎo)線受電暈損耗影響，在海拔1 000 m以上時(shí)，其年費(fèi)用均為參選導(dǎo)線中的最大值。

經(jīng)比較計(jì)算，在不考慮電暈損耗的情況下，8分裂630 mm2導(dǎo)線的年費(fèi)用在各海拔范圍內(nèi)均為最低值。

4 結(jié) 論

上面對(duì)1 000 kV特高壓交流輸電線路各分裂導(dǎo)線組合在滿足電磁環(huán)境條件下的海拔限值進(jìn)行分析，其結(jié)果如下：

1)對(duì)于工作場(chǎng)強(qiáng)與臨界場(chǎng)強(qiáng)的比值(Em/E0)，10分裂導(dǎo)線滿足限值海拔均在4 000 m以上；8分裂導(dǎo)線中僅630 mm2截面限值海拔約為3 500 m，其余導(dǎo)線均在3 500 m海拔以上；6分裂導(dǎo)線滿足限值海拔最高為3 000 m。

2)鑒于環(huán)境影響評(píng)價(jià)中已不納入無(wú)線電干擾因子，建議無(wú)線電干擾不作為特高壓導(dǎo)線選型控制條件。

3)可聽噪聲限值條件下，10分裂導(dǎo)線滿足要求的極限海拔均在3 500 m以上；8分裂導(dǎo)線中僅500 mm2、630 mm2導(dǎo)線的極限海拔小于3 000 m，但仍超過海拔2 000 m，其余導(dǎo)線均超過3 000 m；6分裂導(dǎo)線最高極限海拔約為2 200 m。

4)結(jié)合電暈損耗在不同海拔下對(duì)各分裂導(dǎo)線組合方案的最小年費(fèi)用所產(chǎn)生的影響，在海拔1 000～3 000 m范圍內(nèi)，1 000 kV特高壓交流輸電線路在海拔1 500～2 000 m時(shí)，推薦采用8×JL/G2A-720/50導(dǎo)線；在海拔2 000～3 000 m時(shí)，推薦采用10×JL/G1A-630/45導(dǎo)線。

[1] GB/T 1179-2008，圓線同心絞架空導(dǎo)線[S].

[2] 鄔雄，萬(wàn)保權(quán)，路遙.1 000 kV級(jí)交流輸電線路電磁環(huán)境的研究[J].高電壓技術(shù)2006，32(12)：55-58.

[3] 黃春道，阮江軍，文武，等.特高壓交流輸電線路電磁環(huán)境研究[J].電網(wǎng)技術(shù)2007，31(1)：6-11.

[4] 國(guó)家電力公司東北電力設(shè)計(jì)院.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

The research of conductor selection is one of the key technologies in UHV AC transmission project. Especially in high altitude area, because the relative density of air is greatly reduced, the research of conductor selection is vital to the reliable operation of transmission line, the environmental protection and project investment. According to the limit value of electromagnetic environment in 1 000 kV UHV AC transmission line, the altitude limit of the electric field intensity ratio and audible noise is studied when multiple split composite conductors are applied to 1 000 kV UHV AC transmission line. At the same time, combined with the annual cost of conductors, the conductor selection related to the corresponding elevation is recommended. After the research, at the altitude of 1 500～2 000 m, it is recommended to use 8×JL/G2A-720/50 conductor, and at the altitude of 2 000～3 000 m, it is recommended to use 10×JL/G1A-630/45 conductor.

ultra-high voltage; high altitude; corona performance; conductor selection

TM721

A

1003-6954(2017)05-0039-05

梁 明(1973)，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事輸電線路設(shè)計(jì)工作；

朱長(zhǎng)青(1981)，高級(jí)工程師、工學(xué)碩士，從事架空輸電線路設(shè)計(jì)和研究工作；

謝 靜(1983)，高級(jí)工程師、工學(xué)碩士，從事架空輸電線路設(shè)計(jì)和研究工作；

戴嚴(yán)航(1991)，工程師、工學(xué)碩士，從事架空輸電線路設(shè)計(jì)工作。

2017-08-10)