750 kV同塔四回輸電工程中不同類型導(dǎo)線電暈損失的對(duì)比分析

宋晨銘， 黃世龍 ， 劉云鵬

(華北電力大學(xué), 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 保定 071003)

在特高壓架空輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)濟(jì)性是導(dǎo)線選型的重要指標(biāo)之一。目前中國(guó)西北地區(qū)輸電線路電壓等級(jí)主要為750 kV，線路所經(jīng)過(guò)地區(qū)為沙塵多發(fā)區(qū)域。常選用6×LGJ-400/50鋼芯鋁絞線，部分線路選用6×LGJ-500/45鋼芯鋁絞線，線路多采用兩條同塔雙回同走廊并行輸電。由于輸電距離長(zhǎng)，不可避免經(jīng)過(guò)大型城市地區(qū)，但電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃線經(jīng)過(guò)的城市土地資源緊張制約著電網(wǎng)的發(fā)展[1-2]。為節(jié)約土地資源，在城區(qū)將兩條同塔雙回線路采用同塔四回線路進(jìn)行過(guò)渡，出城后再拆分為兩條同塔雙回線路。以往導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性選型僅考慮6×LGJ-500/40輸電線路的電暈損失，對(duì)于其他型號(hào)導(dǎo)線研究較少。同時(shí)初期投資成本、電阻損耗也是影響經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。因此開(kāi)展750 kV同塔四回輸電工程采用不同類型的導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性評(píng)估有利于輸電線路的工程實(shí)際應(yīng)用。

高海拔、沙塵多發(fā)的復(fù)雜天氣等因素使線路產(chǎn)生電暈損失[3-4]，電暈損失是衡量輸電線路運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。在晴朗天氣情況下，超/特高壓輸電線路一般不會(huì)發(fā)生電暈放電[5]。但是在強(qiáng)降雨和風(fēng)沙天氣條件下，線路的起暈場(chǎng)強(qiáng)降低容易產(chǎn)生電暈損失，從而造成線路的經(jīng)濟(jì)損失以及危害線路的可靠運(yùn)行[6]。加拿大IREQ(Institute of Research Quebec)機(jī)構(gòu)對(duì)不同型號(hào)分裂導(dǎo)線的電暈損失研究發(fā)現(xiàn)：晴朗天氣電暈損失可以忽略不計(jì)，大雨條件線路的電暈損失是干燥條件下的數(shù)十倍[7]。美國(guó)BPA(Business Professionals of America) 公司針對(duì)500 kV電壓等級(jí)導(dǎo)線的電暈損失進(jìn)行海拔修正[8]。Peek[9-10]通過(guò)電暈籠試驗(yàn)提出了皮克公式，用來(lái)計(jì)算導(dǎo)線的起暈電壓，同時(shí)總結(jié)得出溫度一定，氣壓對(duì)導(dǎo)線的起暈場(chǎng)強(qiáng)的影響規(guī)律。Clade等[11]通過(guò)降雨量對(duì)導(dǎo)線電暈特性的影響研究中得出導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)在大雨、中雨和小雨分別為0.5、1、0.75。Kolcioton等[12]通過(guò)測(cè)量霧、晴天氣下765 kV輸電線路得出不同分裂間距、子導(dǎo)線半徑的分裂導(dǎo)線的電暈損失數(shù)據(jù)。Chartier等[13]研究得出電暈損失和降雨率及導(dǎo)線截面之間的關(guān)系。Sollerkvist等[14]通過(guò)試驗(yàn)得出400 kV輸電線路的電暈損失和最大電暈損失功率。

劉云鵬等[15]基于電暈籠試驗(yàn)得到1 000 kV電壓條件下8×LGJ-500/35輸電線路的電暈損失。文獻(xiàn)[16-17]通過(guò)對(duì)特高壓交流單回、同塔雙回線路進(jìn)行淋雨試驗(yàn)，得出不同降雨強(qiáng)度正常運(yùn)行電壓下單位輸電線路的電暈損失。文獻(xiàn)[18-20]通過(guò)沙塵模擬系統(tǒng)，得出沙塵條件與分裂導(dǎo)線起暈場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[21-22]通過(guò)電暈損失等效方法計(jì)算得出6×LGJ-500/45導(dǎo)線同塔四回750 kV六層橫擔(dān)輸電線路的年平均電暈損失功率和最大電暈損失功率。

依托750 kV同塔四回輸電工程，首先基于有限元仿真軟件和電暈籠內(nèi)導(dǎo)線的電暈試驗(yàn)，得出導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)最大平均有效場(chǎng)強(qiáng)，通過(guò)海拔修正和電暈損失等效系數(shù)計(jì)算得到輸電線路的電暈損失功率。然后計(jì)算不同天氣條件下輸電線路的電暈損失。最后對(duì)比兩種導(dǎo)線的運(yùn)行成本、電阻損耗和電暈損失，得到最優(yōu)導(dǎo)線選型。

1 線路參數(shù)

750 kV同塔四回輸電線線路設(shè)計(jì)容量2 300 MW，全長(zhǎng)20 km，海拔168.6～1 500 m，塔基平均距離450 m。采用六分裂導(dǎo)線，分裂間距400 mm，常用兩種導(dǎo)線參數(shù)如表1所示。地線型號(hào)為JLB20A-150，外徑為15.75 mm。

塔型為六層橫擔(dān)、四層橫擔(dān)兩種布置，六層橫擔(dān)采用I型絕緣子串懸掛，逆相序排列[23]。四層橫擔(dān)按照空間排列位置的不同有四種相序排列，采用V型絕緣子串懸掛。同塔四回輸電線路六層橫擔(dān)布置方式如圖1所示，四層橫擔(dān)第Ⅰ相序布置方式如圖2所示。

表1 導(dǎo)線參數(shù)

圖1 六層橫擔(dān)布置方式Fig.1 The arrangement of six layers cross arm

2 導(dǎo)線電暈損失功率計(jì)算

基于上述輸電線路參數(shù)，首先建立不同塔型及相序排列的六分裂導(dǎo)線模型，通過(guò)有限元仿真軟件計(jì)算各相子導(dǎo)線表面最大平均有效場(chǎng)強(qiáng)。基于可移動(dòng)電暈籠實(shí)驗(yàn)得到導(dǎo)線的電暈損失功率隨導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)變化的擬合曲線，最后通過(guò)電暈損失等效系數(shù)及海拔修正計(jì)算得到輸電線路的電暈損失功率。

圖2 四層橫擔(dān)第Ⅰ相序布置方式Fig.2 Phase Ⅰ sequence arrangement of four layers cross arm

2.1 導(dǎo)線表面最大有效場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

建立六層橫擔(dān)和四層橫擔(dān)仿真模型，利用有限元軟件計(jì)算各相導(dǎo)線表面最大有效場(chǎng)強(qiáng)。由于分裂導(dǎo)線存在集膚效應(yīng)以及線路之間電場(chǎng)耦合現(xiàn)象導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均勻，使用最大平均有效場(chǎng)強(qiáng)描述分裂導(dǎo)線的電場(chǎng)分布[24]，以四層橫擔(dān)A相為例，電場(chǎng)分布見(jiàn)圖3～圖5。各相子導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)的平均值Emax，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 四層橫擔(dān)布置A相電壓峰值時(shí)電場(chǎng)分布Fig.3 The electric field distribution when the A-phase voltage peak is arranged in the four-layer cross arm

圖4 四層橫擔(dān)布置A2相電壓峰值時(shí)電場(chǎng)分布Fig.4 The electric field distribution when the A2-phase voltage peak is arranged in the four-layer cross arm

圖5 四層橫擔(dān)A相峰值時(shí)A2相子導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.5 The electric field distribution of A2 sub-conductor when the A-phase voltage peak is arranged in the four-layer cross arm

2.2 電暈損失海拔修正

750 kV輸電工程地處高海拔地區(qū)，隨著海拔的增加，大氣壓強(qiáng)降低，導(dǎo)線電暈損失隨之增加，需要對(duì)導(dǎo)線的電暈損失進(jìn)行海拔修正[25]。通過(guò)可移動(dòng)電暈籠環(huán)境試驗(yàn)得出不同型號(hào)導(dǎo)線在各個(gè)模擬海拔點(diǎn)的電暈損失數(shù)據(jù)，分別將大雨和風(fēng)沙條件下測(cè)得的導(dǎo)線的電暈損失數(shù)據(jù)修正到海拔為340、750、1 250 m的電暈損失，結(jié)果如圖6、圖7所示。為后續(xù)各種型號(hào)輸電線路電暈損失數(shù)據(jù)提供了參考。

表2 輸電線路各相表面最大有效場(chǎng)強(qiáng)

圖6 大雨條件下導(dǎo)線電暈損失海拔修正Fig.6 The conductor corona loss altitude correction under heavy rain conditions

圖7 風(fēng)沙條件下導(dǎo)線電暈損失海拔修正Fig.7 The conductor corona loss altitude correction under windy and sand conditions

2.3 電暈損失功率計(jì)算

由于電暈籠和輸電線路構(gòu)型不同，在電暈籠中測(cè)得的導(dǎo)線的電暈損失功率與實(shí)際輸電線路存在一定的誤差。因此引入等效電暈損失概念，即在場(chǎng)強(qiáng)一定的情況下，電暈籠和輸電線路的導(dǎo)線具有相同的有效電暈損失。運(yùn)用電暈損失等效原理計(jì)算得到電暈等效修正系數(shù)[26]，線路的電暈損失功率計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：Pline為實(shí)際輸電線路導(dǎo)線電暈損失值(實(shí)際線路估算值)；Pcage為電暈籠測(cè)得的分裂導(dǎo)線電暈損失值；Kline為實(shí)際輸電線路電暈損失修正系數(shù)；Kcage為電暈籠測(cè)得分裂導(dǎo)線電暈損失修正系數(shù)。

相應(yīng)修正系數(shù)計(jì)算式為

(2)

3 不同天氣條件下輸電線路的電暈損失計(jì)算

基于有限元仿真軟件計(jì)算得到不同塔型布置方式及相序的導(dǎo)線最大平均有效場(chǎng)強(qiáng)Eavg。通過(guò)大雨和風(fēng)沙條件下導(dǎo)線電暈損失海拔修正，得到輸電線路年平均電暈損失Pavg。根據(jù)輸電線路所經(jīng)過(guò)區(qū)域的不同情況天氣小時(shí)數(shù)，計(jì)算得到不同天氣條件下輸電線路全年電暈損失。

氣象部門給出線路所經(jīng)地區(qū)天氣情況主要為晴天、雨天、雪天、霧天、風(fēng)沙五種天氣狀況，每種天氣對(duì)應(yīng)年平均小時(shí)數(shù)為5 123、2 328、418、840、51。分別計(jì)算不同天氣條件下線路的電暈損失，最后累加求和得到線路年電暈損失總量。

3.1 晴天條件下線路的電暈損失

一般輸電線路晴朗天氣下不起暈[27]，線路電暈損耗主要為絕緣子串泄漏損耗。晴朗天氣下每片絕緣子片損耗為4.68 W[27-28]。按照每串懸掛絕緣子片數(shù)為40，根據(jù)表2中線路的參數(shù)、平均一年5 123 h晴天，計(jì)算得出六層橫擔(dān)、四層橫擔(dān)線路的年晴天電暈損失總量W1，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 晴天電暈損失總量

3.2 雨雪霧天氣下線路的電暈損失

雨雪霧天氣會(huì)降低輸電線路的起暈場(chǎng)強(qiáng)，導(dǎo)致線路的電暈損失增大。不同程度的雨雪霧天氣對(duì)應(yīng)的線路的電暈損失不同。

根據(jù)降雨量將降雨強(qiáng)度分為大雨、中雨、小雨三個(gè)等級(jí)，各占雨天年小時(shí)數(shù)的1/3，對(duì)應(yīng)降雨率為7.6、2.6、0.5 mm/h。導(dǎo)線的電暈損失與降雨量的對(duì)數(shù)成正近似線性關(guān)系[29]，計(jì)算得到大、中、小雨的計(jì)算系數(shù)為1.35、1、0.65。相應(yīng)將雪天分為大雪、中雪、小雪三個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)等值降雨率為2.54、0.635、0.127 mm/h，計(jì)算系數(shù)取0.99、0.68、0.34，所求電暈損失的2倍作為雪天下的線路電暈損失值[30]。在此基礎(chǔ)之上，霧天條件下線路的電暈損失約為小雪天氣電暈損失的80%。

根據(jù)不同計(jì)算海拔高度和天氣條件下的線路電暈損失功率，由式(3)計(jì)算得到整條750 kV同塔四回輸電線路雨雪霧天氣的電暈損失總量W2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

W2=∑PijTijLij

(3)

式(3)中：Pij為第i段氣象條件j下的全相總電暈損失(氣象條件j包括大雨、中雨、小雨、大雪、中雪、小雪、霧，第i段包括海拔范圍340、750、1 250 m三段)，kW/km；Tj為不同氣象條件j的年平均小時(shí)數(shù)，h；Li為第i段線路長(zhǎng)度，km。

表4 雨、雪、霧天氣條件線路電暈損失總量

3.3 風(fēng)沙天氣下線路的電暈損失

風(fēng)沙條件輸電線路的電暈損失由強(qiáng)沙塵天氣電暈損失Wstrong和弱沙塵天氣電暈損失Wdust組成，弱沙塵天氣和強(qiáng)沙塵天氣各占風(fēng)沙天氣年小時(shí)數(shù)的一半。只有當(dāng)沙塵濃度達(dá)到一定程度時(shí)，輸電線路才會(huì)起暈，所以弱沙塵條件輸電線路的損耗和晴天相同，均為絕緣子串的泄露損耗。

強(qiáng)沙塵天氣會(huì)使導(dǎo)線的起暈場(chǎng)強(qiáng)降低，從而導(dǎo)致線路的電暈損失增大，根據(jù)圖3中風(fēng)沙條件導(dǎo)線的海拔修正電暈損失，計(jì)算強(qiáng)沙塵條件下電暈損失功率及全線年電暈損失總量W3見(jiàn)表5。

表5 風(fēng)沙條件線路電暈損失

3.4 線路總電暈損失

基于上述不同天氣條件下輸電線路的電暈損失計(jì)算，將其累加求和，可得到整條輸電線路全年的電暈損失總量Wsum為

Wsum=W1+W2+W3

(4)

將所求線路全年電暈損失總量Wsum除以全年小時(shí)數(shù)(8 760 h)和線路的總長(zhǎng)(20 km)得到線路年平均電暈損失功率Pavg(kW/km)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

(5)

式(5)中：Pavg為年平均電暈損失功率，kW/km；Wsum為線路全年電暈損失總量，kW·h；T為全年總小時(shí)數(shù)，h；L為線路總長(zhǎng)度，km。

表6 線路年平均電暈損失功率

由表6可以看出，從電暈損失角度來(lái)看，四層橫擔(dān)第Ⅱ相序排列下線路年平均電暈損失功率優(yōu)于其他情況。六層橫擔(dān)雖然電暈損失較大，但其所占空間較小、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)按照具體情況進(jìn)行選擇。

4 不同導(dǎo)線類型各項(xiàng)指標(biāo)及總成本對(duì)比

輸電線路運(yùn)行成本主要由線路電阻損耗、電暈損耗和線路的造價(jià)成本三個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。比較兩種導(dǎo)線750 kV同塔四回輸電線路最優(yōu)相序排列(四層橫擔(dān)第Ⅱ相序)各項(xiàng)成本指標(biāo)，結(jié)果如下。

4.1 電阻損耗功率對(duì)比

輸電線路的電阻損耗取決于線路的輸送容量、電壓等級(jí)和導(dǎo)線型號(hào)。電阻損耗的計(jì)算公式為

(6)

式(6)中：ΔP為輸電線路功率電阻總損耗功率；n為回路數(shù)；ΔP相為輸電線路每相損耗功率；I相為相電流；R為線路電阻;U為輸電線路額定電壓。

電阻損耗功率以輸電線路額定電壓750 kV運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算，兩種導(dǎo)線的電阻損耗對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 電阻損耗功率對(duì)比

在最優(yōu)相序排列下(四層橫擔(dān)第Ⅱ相序)，輸電線路的年平均電暈損失功率約為電阻損失的34%。在輸電線路電壓等級(jí)和輸送容量相同情況下，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-400/50輸電線路的電阻損耗高于LGJ-500/45，這是由于前者電阻率較高，導(dǎo)致電阻損耗較大。

4.2 電暈損失功率對(duì)比

通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，線路的電暈損失功率大小與導(dǎo)線的型號(hào)、輸電線路的排列分布、氣象條件、海拔高度等因素有關(guān)。將兩種導(dǎo)線六層橫擔(dān)和四層橫擔(dān)第Ⅱ相序排列的線路年平均電暈損失功率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 線路年平均電暈損失功率對(duì)比

通過(guò)表8可以看出，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-400/50輸電線路的電暈損失功率大于LGJ-500/45，布置方式為六層橫擔(dān)的輸電線路的電暈損失功率遠(yuǎn)大于四層橫擔(dān)。通過(guò)相序的優(yōu)化可以有效降低輸電線路的電暈損失，提高電網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在最優(yōu)相序排列下(四層橫擔(dān)第Ⅱ相序)單位長(zhǎng)度導(dǎo)線LGJ-500/45輸電線路的電暈損失為L(zhǎng)GJ-400/50的58.7%。

4.3 投資成本對(duì)比

在超高壓架空輸電線路中，架空線路建設(shè)成本一般占到工程總投資的32%～35%。合理選擇導(dǎo)線型號(hào)直接關(guān)系到線路工程的建設(shè)的費(fèi)用和運(yùn)行成本。四層橫擔(dān)第Ⅱ相序排列下，結(jié)合輸電線路平均年電暈損耗和電阻損耗，按照全年輸電線路運(yùn)行8 760 h、0.25元/(kW·h)電價(jià)、設(shè)計(jì)使用壽命40年，計(jì)算兩種導(dǎo)線單位千米年運(yùn)行成本Q如式(7)所示，單位千米兩種導(dǎo)線的投資成本對(duì)比見(jiàn)表9。

(7)

式(7)中：Q為導(dǎo)線單位千米年運(yùn)行成本，萬(wàn)元/km；Q1為單位千米導(dǎo)線造價(jià)成本，萬(wàn)元/km；Q2為單位千米導(dǎo)線年電阻損耗費(fèi)用，萬(wàn)元/km；Q3為單位千米導(dǎo)線年電暈損耗費(fèi)用，萬(wàn)元/km；C為輸電線路總造價(jià)，萬(wàn)元；n為輸電線路設(shè)計(jì)使用年限；P2為單位千米導(dǎo)線年電阻損耗，萬(wàn)kW·h；P3為單位千米導(dǎo)線年電暈損失，萬(wàn)kW·h；e為電價(jià)，0.25元/(kW·h)。

通過(guò)表9可以看出，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-500/45輸電線路單位公里年運(yùn)行成本為L(zhǎng)GJ 400/50的75.8%，前者等長(zhǎng)度導(dǎo)線造價(jià)較后者多出16.2%，使用較小直徑的導(dǎo)線會(huì)降低輸電線里的投資成本，但會(huì)導(dǎo)致較高的年電阻損耗和電暈損耗。綜合年運(yùn)行成本及經(jīng)濟(jì)性，擬推薦采用LGJ-500/45導(dǎo)線。

表9 投資成本對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)電暈損失等效原理及海拔修正計(jì)算得到6×LGJ-400/50輸電線路的年電暈損失，與6×LGJ-500/45輸電線路的電暈損失和運(yùn)行成本進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論。

(1)通過(guò)有限元仿真軟件得到導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-400/50時(shí)750 kV同塔四回輸電線路六層橫擔(dān)導(dǎo)線最大表面有效場(chǎng)強(qiáng)在13.03～16.77 kV/cm，四層橫擔(dān)各個(gè)相序下的表面最大平均有效場(chǎng)強(qiáng)在13.61～17.48 kV/cm。

(2)線路的運(yùn)行損耗主要為電阻損耗。電暈損耗約為電阻損耗的34%。從電暈損失角度來(lái)看，750 kV同塔四回輸電線路最優(yōu)布置方式為四層橫擔(dān)第Ⅱ相序排列。6×LGJ-500/45輸電線路單位公里造價(jià)相較于6×LGJ-400/50輸電線路多出16.2%。

(3)在輸送容量和電壓等級(jí)相同情況下，6×LGJ-400/50輸電線路電暈損耗和電阻損耗大于6×LGJ-500/45輸電線路。后者的單位公里年運(yùn)行成本為約為前者的75.8%，從經(jīng)濟(jì)性選型角度，推薦采用LGJ-500/45導(dǎo)線。