±800 kV特高压直流输电线路极间距离优化研究

第28卷 第1期 2012年1月 电网与清洁能源 Power System and Clean Energy Vol.28 No.1Jan. 2012 文章编号：1674-3814（2012）01-0049-05 中图分类号：TM753 文献标志码：粤 ±800 kV特高压直流输电线路极间距离优化研究 郝阳1，王中阳2，杨敏1，薛永锋1，李小亭1，许苗1 （1.西北电力设计院，陕西 西安 710075；2.国家电网西北规划评审中心，陕西 西安 710075） Research on Optimization of Space between Polar Conductors for 依800 kV UHVDC Transmission Line HAO Yang1, WANG Zhong-yang2, YANG Min1, XUE Yong-feng1, LI Xiao-ting1, XU Miao1 （1. Northwest Electric Power Design Institute, Xi’an 710075，Shaanxi，China；2.Northwest Planning and Evaluation Center of State Grid, Xi’an 710075，Shaanxi，China） ABSTRACT：This paper studies optimization of the space between polar conductors. Based on the calculation and analysis of the electromagnetic environment factors, such as the maximum electric field strength, the maximum ion current density, radio interference and audible noise in different spaces between polar conductors, it is found that the current 22 m space of the 依800 kV UHVDC Transmission Line can be reduced. Then, based on optimization of multiple factors such as electro-magnetic environment, air gap and arrangement of V type insulators and conductors on steel towers, the space between polar conductors is reduced from 22 m to 19 m. Substantial economical benefits of the space optimization is also described. KEY WORDS: UHVDC; space between polar conductors; electromagnetic environment; transmission line 摘要：对依800 kV特高压直流输电线路的极间距离优化进行 了研究，通过分析最大合成电场强度、最大离子流密度、无线 电干扰、可听噪声等电磁环境参数随线路极间距离的变化规 律，得出目前的依800 kV特高压直流输电线路22 m极间距离 具备优化空间，然后基于电磁环境、空气间隙、V串夹角、塔头 布置等多方面因素的优化，将极间距离由传统22 m优化至 19 m，并论述了极间距离优化的巨大经济效益。 关键词：特高压直流；极间距离；电磁环境；输电线路 采用特高压直流输电，对于实现更大范围的资 源优化配置，提高输电走廊的利用率和环境保护具 有十分重要的意义[1]。目前我国的特高压直流输电工 程中，依800 kV云广线、向上线已建成投运，依800 kV 锦苏线正在建设中，溪洛渡、糯扎渡送出正在开展 设计，后续还有多条直流工程均规划采用依800 kV 特高压直流输电。 在特高压直流输电线路设计中，极间距离是一 个非常重要的参数，直接影响到线路电磁环境和工 程造价。在输送容量较小的情况下，电磁环境往往 是控制导线选型和极间距离的参数，但是，随着直 流线路输送容量的不断提高和经济电流密度的 降低，按照输送容量选取的导线分裂型式，校验 电磁环境时往往不再控制，甚至离限值要求还有一 定裕度，极间距具备优化空间。因此开展依800 kV直 流输电线路极间距离优化研究，对于有效降低工程 投资具有重要的现实意义。 1 电磁环境限值 目前我国依800 kV特高压直流输电线路规定的 电磁环境限值如下[2-4]： 1）在一般非居民区直流架空输电线路下地面 合成电场强度不超过30 kV/m。线下地面离子电流 密度不超过100 nA/m2。 2）距直流架空输电线路正极性导线对地投影 外20 m处由电晕产生的0.5 MHz无线电干扰场强 80%//80%值（即在80%时间，具有80%置信度不超过 的值），海拔1 000 m及以下地区不超过58 dB（滋V/m）。 3）距直流架空输电线路正极性导线对地投 影外20 m处由电晕产生的可听噪声50%值不超过 45 dB（A）；海拔高度大于1 000 m且线路经过人烟 稀少地区，不超过50 dB（A）。 4）直流线路的磁场与地磁相当，远小于 ICNIRP建议的公众暴露限值，无需规定其限值。 2 系统条件及计算模型和方法 2.1 系统条件 参照依800 kV锦苏线、依800 kV溪洛渡送出工程 智能电网 Smart Grid 资料[5-6]，本文采用的系统条件如下： 系统标称电压 依800 kV 系统最高运行电压 依816 kV 系统输送功率 7 200 MW 最大负荷利用小时数 3 500耀4 500 h 2.2 导地线布置 先基于依800 kV锦苏线的典型导地线布置进行 计算，见图1。 标称场强、合成场强和离子流密度计算用导线 高度取18 m，无线电干扰和可听噪声计算用导线高 度取23 m，极间距离取22 m，海拔高度为1 000 m。 2.3 计算方法 直流输电线路下的空间电场由两部分合成：一 部分是由导线所带电荷产生的静电场，又称为标称 电场；另一部分是空间电荷产生的电场。这两部分 电场的向量迭加，称为合成电场。同时，空间电荷在 电场作用下运动，形成离子电流。合成电场和离子 电流的计算相当复杂，目前有3种计算方法：解析 法、半经验公式法和有限元法[7]。本文选用美国电力 科学研究院（EPRI）在直流输电线路模型上进行大 量模拟试验的基础上提出的方法，分析合成电场和 离子流密度。 直流输电线路无线电干扰的计算公式主要是 根据试验线路和已运行的实际线路大量测量而得 到的。美国电力科学研究院（EPRI）和国际无线电干 扰特别委员会（CISPR）均提出了直流输电线路无线 电干扰的估算公式，试验结果表明，CISPR计算方法 具有较高的准确度。本文采用CISPR公式进行无线 电干扰场强的预估计算。可听噪声的常见预测公式 有美国邦维尔电力局（BPA）推荐公式、美国电力科 学研究院（EPRI）推荐公式。本文采用EPRI的预估公 式进行可听噪声预估计算[3-5]。 3 极间距离与电磁环境分析 线路极间距离的变化直接影响电磁环境参数， 下面分析地表最大合成电场强度、最大离子流密 度、无线电干扰、可听噪声随线路极间距离的变化 规律，如表1所示。 从表1可以看出，最大合成电场强度、最大离子 流密度、无线电干扰、可听噪声随线路极间距离的 减小而逐渐增大。 下面统计已建依800 kV直流工程的数据，依800 kV 云广线、向上线、锦苏线极间距离及电磁环境参数 见表2[5,8-9]。 郝阳，等：依800 kV特高压直流输电线路极间距离优化研究 Vol.28 No.1 图1 典型导地线布置（单位：mm） Fig. 1 Typical conductor and earth wire arrangement（unit:mm） 极间距离/m 最大合成电场 强度/（kV·m-1） 最大离子流密 度/（nA·m-2） 无线电干扰/ （dB（滋V·m-1）） 可听噪声/ （dB（A）） 18 -25.78 -72.58 47.78 41.54 20 -25.43 -67.52 47.00 40.48 22 -25.16 -63.44 46.34 39.58 表1 电磁环境参数随极间距离的变化 Tab. 1 Relation of electromagnetic environment parameters and space between polar conductors 参数 云广线 向上线 锦苏线 输送容量/MW 5 000 6 400 7 200 单极电流/A 3 125 4 000 4 500 电流密度/（A·mm-2） 0.829 0.912 0.863 导线型式 6伊630 6伊720 6伊900 极间距离/m 22 22 22 合成场强/（kV·m-1） -29.35 -27.65 -25.16 离子流密度/（nA·m-2） -89.30 -78.24 -63.44 无线电干扰/（dB(滋V·m-1）） 47.65 46.99 46.34 可听噪声/dB（A） 42.77 41.36 39.58 表2 已建工程极间距离及电磁环境参数 Tab. 2 Space between polar conductors and electromagnetic environment parameters in established projects 智能电网 Smart Grid 50 从表2可以看出，由于锦苏线采用了更大截面 的导线 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，在极间距离和对地距离相同的情况 下，锦苏线合成场强比云广线、向上线分别小了 16.7%、9.9%，离子流密度比云广线、向上线分别小 了40.8%、23.3%，无线电干扰比云广线、向上线分别 小了2.8%、1.4%，可听噪声比云广线、向上线分别小 了8.1%、4.5%。因此可以推断，锦苏线的电磁环境明 显优于云广线和向上线。 云广线和向上线已建成投运，其测试的电磁环 境参数满足限值要求。由此可见，对于输送容量控 制导线型号的工程，在不改变导线方案、对地距离、 分裂根数、分裂半径的基础上，可以适当缩小导线 极间距离，在满足电磁环境限值要求的前提下，缩 短铁塔横担长度，降低工程投资。 4 极间距离优化 直流输电线路导线按V串布置时，极间距离与 电磁环境、空气间隙、V串夹角、塔头布置等因素密 切相关。根据第3节的分析，从电磁环境控制角度来 说，极间距离具备一定压缩的空间，下面再从其他 几个方面来分析，综合确定最小极间距离。 4.1 塔头布置优化 1）电磁环境限值要求的最小极间距离。表3给 出了依800 kV直流线路采用6伊900 mm2导线，且极导 线平均对地高度23 m时，在不同海拔满足可听噪声 不超过45 dB（A），无线电干扰也不超过58 dB（滋V/m） 所需的最小极导线间距。 2）空气间隙要求的最小极间距离。根据《依800 kV 直流输电线路设计技术规程》，本文采用的空气间 隙见表4。 由于线路采用V串，塔头空气间隙距离由操作 过电压控制；考虑均压环到分裂导线中心的距离为 1.3 m，导线对应处塔身宽度3.6 m,并考虑最小空气 间隙距离,极导线最小间距如表5所示[10]。 3）绝缘子串长要求的最小极间距离。根据依800 kV 级和依1 000 kV级污秽外绝缘研究成果，并结合复合 绝缘子表面弱憎水性对污闪电压影响的最新研究 成果，伞型采用一大二小伞型，复合绝缘子串长如 表6所示[10]。 注：表中复合绝缘子串长考虑钢脚和钢帽部分的金具长度按 0.54 m计。 根据典型的气象条件及杆塔规划，计算出的V 串夹角如表7所示[11]。 注：风速为离地10 m高10 min平均最大风速。 第28卷 第1期 电网与清洁能源 海拔/m 极间距/m 无线电干/dB 可听噪声/dB（A） 500 13 52.0 44.87 1 000 15 52.3 44.64 表3 电磁环境限值要求的最小极导线间距 Tab. 3 Electromagnetic environment limits required space between polar conductors 标称电压/kV 800 海拔/m 500 1 000 工作电压 2.1 2.3 操作过电压（1.6 pu） 5.3 5.7 雷电过电压 暂不予规定 暂不予规定 表4 空气间隙 Tab. 4 Electrical clearance m 海拔/m 500 1 000 极间距离/m 16.4 17.2 表5 空气间隙要求的最小极间距离 Tab. 5 Electrical clearance required space between polar conductors m 直流盐密/（mg·cm-2） 海拔/m 500 1 000 0.05 8.00 8.51 0.08 9.01 9.59 0.15 9.95 10.60 表6 不同海拔及污区下的复合绝缘子串长 Tab. 6 Length of composite insulator under different altitude and polluted area m 导线型号 风速/（m·s-1） Kv 摇摆角/（毅）压偏角/（毅）V串夹角/（毅） 6伊LGJ- 900/40 27 0.75 38.37 5 66.70.65 42.38 5 74.8 30 0.75 44.35 6 76.7 0.65 48.4 6 84.8 表7 典型气象条件、杆塔规划下的V串夹角 Tab. 7 V-string angle in typical meteorological conditions and tower type 智能电网 Smart Grid 51 从表7可以看出，在典型气象条件、杆塔规划情 况下，采用6伊LGJ-900/40导线方案时，最大V串夹角 仅为84.8毅，因此可根据风速按照80毅耀85毅绘制间隙 圆进行塔头设计。 考虑金具的长度0.9 m，联板悬挂点到联板中心 0.225 m，绝缘子V串角度为80毅耀90毅，端部塔身宽度 3.6 m，极导线最小间距如表8所示。 注：表中极间距离分别按V串角度为80毅和85毅计算。 根据以上分析，极间距主要由污秽绝缘子串长 决定。图2给出了根据电磁环境、最小空气间隙和绝 缘子最小串长确定的不同海拔下的最小极间距离。 从图2中可以看出，在海拔1 000 m以下时，极间距选 择主要是污秽决定的绝缘子串长控制。 对于27 m/s典型气象区，按照V串夹角80毅，优化 后绝缘子串长11.5 m（其中，复合绝缘子长度10.6 m） 绘制间隙圆，得到的典型塔头布置如图7所示。 从图3可以看出，塔头优化布置后，依800 kV直 流输电线路最小极间距离可以缩小为19 m（V串夹 角80毅）。结合表1可以看出，极间距离19 m时电磁环 境满足限制要求。 下面以ZT1塔42 m呼高为例，将极间距离优化后与 优化前的相关数据对照列于表9。 从表9可以看出，极间距离优化后，极间距离减 少了3 m，减少约13.6%；导线横担长度减少了3.2 m， 减少约15.8%；地线横担长度减少了1.0 m，减少约 7.1%；单基塔重减少3.8 t，约降低11.4%。 4.2 经济效益分析 1）本体投资分析。以典型气象条件（27 m/s风、 10 mm冰）、典型导线方案（6伊LGJ-900/40）为例， 依800 kV直流输电线路极间距离优化前后塔重及工 程本体投资对比如表10所示。 从表10可以看出，极间距离优化后，每千米塔 材减少13.7 t，节约12.2%；单位千米线路本体投资 减少24.8万元，节约9.6%：可见极间距离优化，对于 降低工程投资效果明显，效益巨大，对后续依800 kV 表8 复合绝缘子串长要求的最小极间距离 Tab. 8 Length of composite insulator required space between polar conductors m 直流盐密/（mg·cm-2） 海拔/m 500 1 000 0.05 15.49/16.08 16.15/16.76 0.08 16.79/17.44 17.54/18.22 0.15 18.00/18.71 18.83/19.59 图2 不同海拔下的最小极间距离控制条件 Fig. 2 The space between polar conductors under different altitude 图3 典型塔头布置（单位：mm） Fig. 3 Typical conductors arrangement in tower 极间距离/m 导线横担 长度/m 地线横担 长度/m 单基塔重/t 百分比系数/% 22.0 20.3 14.6 33.2 100 19.0 17.1 13.0 29.4 88.6 表9 极间距离和塔重对照表 Tab. 9 Tower weight comparison of different space between polar conductors 极间距离/m 塔重/（t·km-1） 塔重百分 比豫 本体造价/万元 造价百分 比/% 22.0 112.3 100.0 259.5 100.0 19.0 98.6 87.8 234.7 90.4 表10 塔重及线路本体投资对比表 Tab. 10 Tower weight and project investment comparison of different space between polar conductors 郝阳，等：依800 kV特高压直流输电线路极间距离优化研究 Vol.28 No.1 智能电网 Smart Grid 52 第28卷 第1期 电网与清洁能源 直流线路的建设具有重要的借鉴意义。 2）走廊宽度。根据《依800 kV直流输电线路设计 技术规程》依800 kV直流输电线路走廊宽度如下。 极导线外7 m内不得有住人房屋；7 m以外建筑 物按地面未畸变合成电场应不超过15 kV/m控制， 即地面未畸变合成电场大于15 kV/m的应拆迁[3]。 通过第3节计算可知，在由地面合成场强控制 的走廊边缘，无线电干扰和可听噪声值均低于限值 要求，对走廊宽度没有控制作用。如果将边导线外 7 m处以内不得有住人房屋的走廊定义为线路走廊 的核心区，将湿导线合成场强15 kV/m控制的范围 定义为线路走廊宽度，则不同极间距下水平排列直 流线路的走廊宽度如表11。 注：走廊宽度为1 000 m海拔的值。 由表11可知，极导线间距采用22 m时线路走廊 宽度为75 m，采用19 m时线路走廊宽度为72 m，极 间距离优化后线路走廊宽度减少3 m，节约走廊约 4%，由此而减少的房屋拆迁数量将非常可观。 当然，极间距离的减少会带来电晕损耗的增 加，因此在具体工程中应根据实际情况，采用全寿 命周期费用分析来综合确定极间距离和导线方案。 5 结论 1）对于输送容量控制导线型式的依800 kV直流 输电线路，电磁环境往往不控，极间距离具备优化 空间。 2）在一定的极间距离范围内，依800 kV直流输 电线路的最大合成电场强度、最大离子流密度、无 线电干扰、可听噪声随线路极间距离的减小而逐渐 增大。 3）从电磁环境、空气间隙、V串夹角、塔头布 置等多方面综合考虑，1 000 m海拔时，水平排列 的依800 kV直流线路极间距离可由传统的22 m最小 减至19 m，更高海拔线路可适当增大极间距离。 4）典型气象条件、典型导线方案条件下，依800 kV 直流线路极间距离优化后，每千米塔材减少13.7 t， 节约12.2%；单位千米线路本体投资减少24.8万元， 节约9.6%。 5）依800 kV直流线路导线极间距离优化为19 m 后，线路走廊宽度由75 m减少至72 m，减少了3 m， 节约走廊约4%。 参考文献 [1] 刘振亚.特高压电网[M]. 北京:中国经济出版社,2005. 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[11] 张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].2版. 北京: 中国电力出版社,2002. ——————————————————— 收稿日期：2011-08-18。 作者简介： 郝 阳（1980—），男，硕士，工程师，从事高压输电线路设计 工作。 （编辑 冯露） 极间距/m 导线 核心区/m 走廊宽度/m 19 6伊LGJ原900/40 33（19+14） 72 22 6伊LGJ原900/40 36（22垣14） 75 表11 依800 kV直流线路走廊宽度 Tab. 11 Corridor width of 依800 kV DC line 智能电网 Smart Grid 53