±800 kV特高壓直流輸電線路極間距優(yōu)化

劉文勛，趙全江，李健，馬凌，黃欲成，于躍

(中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市，430071)

0 引言

±800 kV特高壓直流輸電線路雙極導(dǎo)線一般采用水平方式排列，其極間距離是綜合考慮電磁環(huán)境、絕緣子串長(zhǎng)度、絕緣子串夾角、空氣間隙等因素而確定的。我國(guó)已建成的云南—廣東±800 kV直流輸電線路、向家壩—上海±800 kV直流輸電線路以及正在建設(shè)的錦屏—蘇南±800 kV直流輸電線路的雙極導(dǎo)線極間距均按不小于22 m設(shè)計(jì)。隨著±800 kV特高壓直流輸電線路關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步深化研究以及大截面導(dǎo)線的研制和成功應(yīng)用，能否減小±800 kV線路的極間距離已成為大家所關(guān)注的主要問題之一［6］。

極間距是影響塔重指標(biāo)的重要因素，極間距越大，桿塔橫擔(dān)越長(zhǎng)，相同導(dǎo)線荷載下對(duì)桿塔產(chǎn)生的力矩越大，塔材指標(biāo)也就越高。從極間距對(duì)塔重敏感性分析可知，極間距縮減10%，塔重減少約6%。因此，縮小極間距對(duì)降低塔重、節(jié)省工程投資具有重要意義。

本文結(jié)合±800 kV特高壓直流輸電線路的典型設(shè)計(jì)條件，研究極間距優(yōu)化的可行性和技術(shù)路線，為后續(xù)特高壓直流輸電線路的設(shè)計(jì)提供參考。

1 極間距優(yōu)化邊界條件分析

1.1 極間距變化對(duì)電磁環(huán)境的影響

電磁環(huán)境問題是特高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)的首要問題［1］，極間距越小，極導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)越大，則無線電干擾、可聽噪聲越大。以6×JL/G3A－900/40導(dǎo)線為例，當(dāng)電壓為±816 kV、對(duì)地距離取18 m時(shí)，計(jì)算出不同極間距下的導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)、地面合成場(chǎng)強(qiáng)、無線電干擾及可聽噪聲，如表1所示。

表1 不同極間距的線路電磁環(huán)境計(jì)算結(jié)果Tab.1 Results of electromagnetic environment of different polarity distances

由表1可知，隨著極間距的縮小，導(dǎo)線表面最大標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)增大，從而無線電干擾和可聽噪聲增大，地面合成場(chǎng)最大值有所降低［3］。同時(shí)可以看出，采用6×JL/G3A－900/40導(dǎo)線時(shí)，滿足電磁環(huán)境要求時(shí)的最小極間距可較22 m大幅縮減，僅為16.5 m左右。

此外，通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，隨著導(dǎo)線截面的增大，相同極間距情況下的無線電干擾、可聽噪聲等指標(biāo)也會(huì)有所改善，滿足電磁環(huán)境指標(biāo)的最小極間距也會(huì)隨導(dǎo)線截面增大而減小［7］。

1.2 合成絕緣子串長(zhǎng)優(yōu)化

特高壓直流線路合成絕緣子長(zhǎng)度選擇一般采用污耐壓法，即根據(jù)試驗(yàn)得出的閃絡(luò)梯度，考慮污穢成分、上下表面污穢不均勻、灰密等因素的修正，并考慮絕緣配合安全裕度得出合成絕緣子長(zhǎng)度。

由于人工污穢閃絡(luò)電壓曲線是以純NaCl為人工污穢得到的，而實(shí)際污穢有相當(dāng)多的導(dǎo)電成分是溶解度、導(dǎo)電性差很多的CaSO4。根據(jù)NGK提供的污穢成分校正經(jīng)驗(yàn)公式可知，隨著石膏的比例增大，耐污壓有所提高，當(dāng)石膏:鹽=4:1時(shí)，耐污壓提高20%;石膏:鹽 =10:1，耐污壓提高30%;石膏:鹽 =20:1，則耐污壓提高40%。可見，按人工污穢試驗(yàn)結(jié)果選擇的絕緣子長(zhǎng)度，在污穢成分方面，污耐壓水平是有一定的安全裕度的［4］。

計(jì)算合成絕緣子串長(zhǎng)的另一重要參數(shù)是絕緣配合安全裕度。目前合成絕緣子污耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是基于合成絕緣子完全親水性的，而憎水性狀況下的污閃電壓遠(yuǎn)高于親水性的污閃電壓。實(shí)際運(yùn)行中合成絕緣子出現(xiàn)完全親水性的可能性不大。盤式絕緣子安全裕度取3σ，考慮到合成絕緣子在積污特性方面優(yōu)于盤式絕緣子，因此，建議合成絕緣子安全裕度取2σ。輕、中、重污區(qū)的合成絕緣子長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果如表2所示。建議合成絕緣子長(zhǎng)度在輕、中、重污區(qū)分別取 8.5，9.4，10.6 m。

表2 合成絕緣子長(zhǎng)度Tab.2 Comparison of composite insulator string lengthsm

1.3 空氣間隙

±800 kV直流線路直線塔一般采用V型絕緣子串，空氣間隙主要受操作過電壓間隙控制。根據(jù)已建特高壓直流線路沿線過電壓的計(jì)算分析和現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定［5］，空氣間隙如表3所示。

表3 空氣間隙值［2］Tab.3 Different air gaps

2 主要邊界條件對(duì)極間距的敏感性分析

2.1 空氣間隙和絕緣子串長(zhǎng)

在電磁環(huán)境滿足要求的前提下，桿塔極間距是由空氣間隙和絕緣子串長(zhǎng)2方面控制條件決定的。綜合不同污穢條件的絕緣子串長(zhǎng)和不同操作過電壓及海拔條件的空氣間隙，進(jìn)行塔頭布置，可以得出極間距的控制條件，如表4所示。

表4 空氣間隙和絕緣子串長(zhǎng)對(duì)極間距的影響Tab.4 Effect of air gap and insulator string length on polarity distance

由表4可見，極間距同時(shí)受空氣間隙和絕緣子串長(zhǎng)控制，空氣間隙越小，串長(zhǎng)越長(zhǎng)，極間距越可能受串長(zhǎng)控制，相反極間距更可能受空氣間隙控制。

2.2 V型串夾角對(duì)極間距的敏感性分析

V型串夾角的取值也會(huì)影響導(dǎo)線相對(duì)塔身的位置。V型串夾角取的較大，能夠滿足較小的搖擺角系數(shù)，但極間距隨之放大，而且可能造成對(duì)上橫擔(dān)間隙不足;V型串夾角取的較小，則可以縮小極間距，但桿塔定位受到一定限制，同時(shí)也加長(zhǎng)了等效串長(zhǎng)，降低了導(dǎo)線對(duì)地高度。

V型串夾角受到氣象條件、導(dǎo)線型號(hào)及桿塔使用條件影響，一般來說，導(dǎo)線截面越大、搖擺角系數(shù)越大，V型串夾角越大。當(dāng)空氣間隙為6.3 m時(shí)，分析V型串夾角變化對(duì)極間距的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 V串夾角對(duì)極間距的影響Tab.5 Effect of V style insulator string angle on polarity distance

由表6可知，V型串夾角越大，極間距越大，同時(shí)等效垂直串長(zhǎng)越短，在同樣的對(duì)地距離下，要求的桿塔呼高越低;但是當(dāng)塔頭主要由空氣間隙控制時(shí)，縮小V型串夾角對(duì)極間距影響甚微。

3 極間距優(yōu)化實(shí)例

以溪洛渡—浙西±800 kV直流輸電線路工程為例進(jìn)行極間距優(yōu)化。

氣象區(qū):風(fēng)速27 m/s，輕中冰;

海拔:1000 m以下;

導(dǎo)線型號(hào):6×JL/G3A－900/40;

操作空氣間隙:6.3 m;

絕緣子串:V型合成絕緣子串，污穢不均勻系數(shù)取1.065，灰密校正系數(shù)取1.14，污穢成分的校正系數(shù)取1.0，安全裕度取2σ時(shí)，串長(zhǎng)計(jì)算值為10.6 m;

V型串夾角:桿塔搖擺角系數(shù)取0.65時(shí)，夾角計(jì)算值為85°。

根據(jù)以上邊界條件對(duì)桿塔進(jìn)行塔頭設(shè)計(jì)及塔材布置，可將±800 kV直流輸電線路最小極間距從22 m縮為20 m，如圖1所示。

圖1 極間距優(yōu)化后的塔頭示意圖Fig.1 Tower head of optimized polarity distance

4 可放檔距校核

按照規(guī)程規(guī)定，直流輸電線路的水平線間距離應(yīng)符合如下要求:

式中:D為導(dǎo)線水平線間距離，m;ki為懸垂絕緣子串系數(shù)，V型絕緣子串ki=0;Lk為懸垂絕緣子串長(zhǎng)度，m;U為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV;fc為導(dǎo)線最大弧垂，m;kf為系數(shù)，1000 m 以下檔距取0.65，1000～2000 m取0.8～1.0;A 為增大系數(shù)，10～15 mm 覆冰取 0，20～30 mm 覆冰取 0.5 m，40 mm 及以上覆冰取1.0 m。

由式(1)計(jì)算可知，極間距縮為20 m后的線路最大可放檔距大于1.3 km，可以滿足實(shí)際工程排位的檔距要求。

5 極間距優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性分析

極間距大小直接影響著桿塔的塔重及基礎(chǔ)指標(biāo)，以溪洛渡—浙西 ±800 kV直流輸電線路工程JC27152型轉(zhuǎn)角耐張塔為例進(jìn)行計(jì)算，極間距優(yōu)化后的桿塔指標(biāo)比較如表6所示。

表6 極間距優(yōu)化后的桿塔指標(biāo)Tab.6 Tower indicators of optimized polarity distance

從表6可知，極間距從22 m縮為20 m后，JC27152型轉(zhuǎn)角耐張塔質(zhì)量減少3.13 t，基礎(chǔ)鋼筋減少了0.1 t，基礎(chǔ)混凝土減少了1.4 m3，桿塔單基費(fèi)用可節(jié)約3.8萬元，本體投資可節(jié)約7.6萬元/km。對(duì)于長(zhǎng)距離輸電的特高壓直流輸電線路來說，優(yōu)化極間距具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

本文參考已(在)建±800 kV特高壓直流輸電線路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合±800 kV特高壓直流輸電線路關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步深化研究以及大截面導(dǎo)線成功應(yīng)用的成果，對(duì)極間距進(jìn)行優(yōu)化研究，主要結(jié)論如下:

(1)極間距是影響塔重指標(biāo)的重要因素，極間距縮減10%，塔重可減少約6%。

(2)電磁環(huán)境是影響極間距的重要因素，導(dǎo)線截面越大，允許的最小極間距越小，采用6×JL/G3A－900/40時(shí)，滿足電磁環(huán)境要求時(shí)的最小極間距可較22 m大幅縮減。

(3)安全裕度取2σ時(shí)，合成絕緣子在輕、中、重污區(qū)的長(zhǎng)度分別取8.5，9.4，10.6 m。

(4)以溪洛渡—浙西±800 kV直流輸電線路工程為例進(jìn)行極間距優(yōu)化，結(jié)果表明特高壓直流線路在輕、中冰區(qū)將極間距從22 m縮小為20 m是可行的。優(yōu)化后的基本塔單基本體費(fèi)用可節(jié)約3.8萬元，本體投資可節(jié)約7.6萬元/km。對(duì)長(zhǎng)距離輸電的特高壓直流輸電線路來說，具有較為明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］DL/T 1088—2008±800 kV特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

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