超高海拔±800 kV直流輸電線路直線塔極間距選擇

柏曉路,王艷君,崔戎艦,吳墨非,陳 媛,呂健雙

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司, 武漢 430071;2. 三峽大學,湖北 宜昌 443002)

0 引言

西藏自治區可開發的能源豐富,水能可開發量約1.4×108kW[1],太陽能可開發量約7×108kW,風能可開發量約1.8×108kW,水電和新能源開發潛力巨大[2],藏電外送的需求也日益迫切。

西藏自治區位于青藏高原西南部,平均海拔在4 000 m以上,素有“世界屋脊”之稱。超高海拔是西藏自治區的最大特征之一,超高海拔給藏區特高壓直流輸電線路工程的絕緣、電磁、防雷等帶來巨大挑戰[3],我國目前設計的特高壓直流輸電線路海拔最高已達4 000 m,但對4 000 m以上甚至5 000 m海拔的特高壓直流輸電技術研究相對較少。

在特高壓直流輸電線路工程投資中,桿塔投資占比較大,而超高海拔地區的桿塔尺寸更大,其投資占比也將更大。根據以往的工程設計經驗[4-5],極間距增加10%,塔質量增加約5%。在滿足工程絕緣配置和電磁干擾的前提下,盡可能減小極間距是控制特高壓直流輸電線路工程造價的關鍵所在。

結合超高海拔±800 kV特高壓直流輸電線路電磁環境和絕緣配合的研究成果,對直線塔極間距取值進行分析和研究,可為后續超高海拔特高壓直流輸電線路的設計提供參考。

1 基本設計條件

參照超高海拔±800 kV特高壓直流輸電線路典型設計方案,基本計算條件為:額定電壓為±800 kV;系統輸送功率為8 000 MW;操作過電壓倍數為1.4～1.6;導線型號為6×JL1/G2A-1 250/100(輕中冰區)、6×JL1/G2A-1 000/80或6×JLHA4/G2A-1 000/80(重冰區);基本設計風速為27～30 m/s;覆冰厚度為10～40 mm;海拔高度為3 500～5 000 m。

導線采用雙極水平排列,絕緣子串采用V串布置,極導線和地線布置見圖1。

圖1 桿塔極導線和地線布置

2 極間距選擇邊界條件

2.1 電磁環境限值

2.1.1 合成電場和離子流密度

在一般非居民區,直流輸電線路下地面合成電場強度限值為30 kV/m,其他合成電場強度和離子流密度限值詳見表1。當線路鄰近民房時,濕導線情況下房屋所在地面的未畸變合成電場限值為15 kV/m。

表1 合成電場強度和離子流密度限值

2.1.2 直流磁場

Q/GDW 145-2006《±800 kV直流架空輸電線路電磁環境控制值》規定直流輸電線路電流產生的磁感應強度限值為10 mT,實際上,直流線路的磁感應強度遠小于該限值,一般不作為設計的控制條件。

2.1.3 無線電干擾

在海拔1 000 m及以下地區,直流架空輸電線路正極性導線對地投影外20 m處,80%時間,80%置信度,0.5 MHz頻率的無線電干擾不應超過58 dB(μV/m);海拔高度大于1 000 m時,無線電干擾限值按照3 dB(μV/m)/1 000 m線性修正。

2.1.4 可聽噪聲

海拔1 000 m及以下地區,直流架空輸電線路正極性導線對地投影外20 m處,電暈產生的可聽噪聲[12]不應超過45 dB(A);海拔高度大于1 000 m且線路經過人煙稀少地區時,由電暈產生的可聽噪聲不應超過50 dB(A)。

2.2 絕緣子串長和V串夾角

絕緣子串長和V串夾角對±800 kV直流輸電線路直線塔的極間距有較大影響,應根據超高海拔±800 kV直流輸電線路絕緣配置的研究結論,計算要求的最小極間距。

2.3 空氣間隙

±800 kV直流線路直線塔極間距還應滿足塔頭空氣間隙的要求,線路的空氣間隙值見表2,表中A為海拔3 500 m、B為海拔4 000 m、C為海拔4 500 m、D為海拔5 000 m。結合超高海拔±800 kV直流輸電線路空氣間隙的研究結論,計算得到空氣間隙所要求的最小極間距。

表2 ±800 kV直流輸電線路空氣間隙值 單位:m

3 極間距研究

3.1 電磁環境要求的最小極間距

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和直線塔的極導線間距有關。根據電磁環境的計算結論,選擇地面離子流密度和地面合成電場強度控制極導線高度和可聽噪聲控制極導線間距。圖2為采用6×1 000 mm2和6×1 250 mm2導線時,在不同極間距下正極性導線對地投影外20 m處可聽噪聲值,可聽噪聲按照中國電力科學研究院得出的海拔0～4 300 m真型和模擬試驗結論進行修正。

圖2 導線對地投影外20 m處的可聽噪聲

超高海拔地區一般為人煙稀少地區,按照50 dB(A)的限值考慮,采用6×1 000 mm2導線時,在不同海拔滿足可聽噪聲限值的最小極間距為16～18 m;采用6×1 250 mm2導線時,電磁環境限值不控制極間距。

3.2 絕緣子串長要求的最小極間距

根據±800 kV直流線路絕緣配合的研究結果,輕中冰區懸垂絕緣子串采用復合絕緣子,重冰區懸垂絕緣子串采用外傘型盤式絕緣子。

絕緣子串的金具部分長度取1.16～2.24 m,聯板懸掛點到聯板中心水平距離取0.25 m,導線對應處塔身寬度取3.8～4.4 m,桿塔示意圖見圖3。

圖3 桿塔示意圖

絕緣子串長要求的最小極間距按式(1)計算:

D1=[L1×sin(θ/2)+d1]×2+H

(1)

式中:D1為絕緣子串長要求的最小極間距;L1為絕緣子串長度;θ為V串夾角度數;d1為聯板懸掛點至聯板中心水平距離;H為塔身寬度。

根據設計基本風速取值和桿塔規劃情況,輕中冰區絕緣子V串角度取85°～95°,重冰區絕緣子V 串角度取75°,輕中冰區和重冰區的極導線最小間距見表3、表4。

表3 輕中冰區絕緣子串長要求的最小極間距

表4 重冰區絕緣子串長要求的最小極間距

由表3、表4可知,絕緣子串V串夾角對極間距離的影響明顯,絕緣子串V 串夾角越大,相應的極間距越大。

3.3 空氣間隙要求的最小極間距

±800 kV直流線路操作過電壓倍數標幺值一般為1.4～1.6,根據工程實際操作過電壓分布曲線,考慮按標幺值1.52和1.60操作過電壓倍數進行差異化設計,帶電作業間隙是塔頭間隙的控制條件。

均壓環到分裂導線中心的距離取1.5 m,導線對應處塔身寬度取3.8～4.4 m,考慮帶電作業間隙的桿塔示意圖見圖4。

圖4 考慮帶電作業間隙的桿塔示意圖

空氣間隙需要的最小極間距按式(2)計算:

D2=(L2+d2)×2+H

(2)

式中:D2為空氣間隙需要的最小極間距;L2為最小帶電作業間隙距離;d2為均壓環到分裂導線中心距離。

僅考慮空氣間隙的因素,±800 kV直流線路操作過電壓倍數標幺值分別為1.52、1.60時,對應的極導線最小間距見表5。

表5 空氣間隙要求的最小極間距

4 極間距選擇

直線塔極間距主要由電磁環境、最小空氣間隙和絕緣子串長及V串夾角控制。

直線塔極間距與電磁環境限值、空氣間隙、絕緣子串長及V串夾角的關系見圖5。

圖5 不同海拔下的最小極導線間距

由圖5可知,輕中冰區直線塔的極間距受空氣間隙、絕緣子串長及V串夾角影響較大,進行桿塔規劃和設計時,需統籌考慮操作過電壓倍數、海拔和污穢等級;而重冰區直線塔的極間距主要由絕緣子串長控制,可按海拔和分級進行桿塔規劃和設計。

綜合考慮極間距與電磁環境、空氣間隙、絕緣子串長及V串夾角的關系,±800 kV直流線路直線塔典型V串夾角下最小極間距取值見表6—表8。

表6 輕中冰區直線塔最小極間距(標幺值1.52)

表7 輕中冰區直線塔最小極間距(標幺值1.60)

表8 重冰區直線塔最小極間距

5 結論

結合超高海拔±800 kV特高壓直流輸電線路的電磁環境和絕緣配置研究成果,對直線塔極間距進行深入分析和研究,得出結論如下。

1) 電磁環境對超高海拔±800 kV特高壓直流線路的極間距選擇基本無影響。

2) 超高海拔輕中冰區直線塔的極間距受空氣間隙、絕緣子串長及V串夾角影響較大,進行桿塔規劃和設計時,須統籌考慮操作過電壓倍數、海拔和污穢等級。V串夾角取85°時,其極間距取值為22.6～25.2 m。

3) 超高海拔重冰區直線塔的極間距主要由絕緣子串長控制,可按海拔和分級進行桿塔規劃和設計,其極間距取值為24.42～28.74 m。

4) 由于電磁環境對極間距選擇基本無影響,耐張塔的極間距考慮對相鄰直線塔偏角影響即可,后續可在直線塔極間距研究結論的基礎上深化研究。