500 kV雙回路垂直排列緊湊型線路應(yīng)用分析

羅映波，侯為

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力勘測設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410007)

500 kV雙回路垂直排列緊湊型線路應(yīng)用分析

羅映波，侯為

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力勘測設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410007)

通過500 kV雙回路垂直排列緊湊型線路電氣性能計(jì)算分析，提出在城鎮(zhèn)規(guī)劃地區(qū)和房屋密集地區(qū)采用垂直排緊湊型線路的建議。該措施可有效降低地面電場強(qiáng)度，縮小線路走廊寬度，減少房屋拆遷面積，提高線路輸送容量，利于保護(hù)環(huán)境，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

輸電線路；走廊；雙回路；垂直排列；緊湊型線路

目前國內(nèi)500 kV雙回路大多采用垂直排列鼓型塔 (圖1(a))，少量采用水平排列緊湊型塔(圖1(b))。考慮到垂直排列能夠減少占地面積，緊湊型能夠縮小相間距離的優(yōu)點(diǎn)，建議在城鎮(zhèn)規(guī)劃地區(qū)和房屋密集地區(qū)采用垂直排列緊湊型塔(圖1(c))，可以有效減少房屋拆遷面積。2014年500 kV雙回路垂直排列緊湊型線路在湖南長沙地區(qū)得到首次應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

文獻(xiàn)〔1〕指出，緊湊型線路直線塔相同回路的三相導(dǎo)線應(yīng)布置在同一塔窗內(nèi)，三相導(dǎo)線宜采用等邊倒三角對稱布置，500 kV緊湊型導(dǎo)線相間距離不宜小于6.7 m，分裂導(dǎo)線宜采用等邊對稱布置，分裂導(dǎo)線外接圓直徑不宜小于0.75 m。由于緊湊型線路相間距離遠(yuǎn)小于常規(guī)線路，因此需要通過電氣性能、風(fēng)偏擺動、脫冰跳躍、覆冰舞動等計(jì)算分析，使其滿足電磁環(huán)境規(guī)定要求，合理確定其適應(yīng)范圍和使用條件。

圖1 3種塔不同排列型式

1 線路走廊寬度分析

500 kV常規(guī)雙回路兩則導(dǎo)線水平距離為24 m，其走廊寬度為34 m，水平排列緊湊型線路的走廊寬度與其基本相同。以湖南長沙地區(qū)星沙—星城500 kV雙回路垂直排列緊湊型線路為例，線路長度22.84 km，設(shè)計(jì)覆冰15 mm，設(shè)計(jì)風(fēng)速30 m/s，由于雙回路V型絕緣子串長度增加，相間距離取7.5 m，走廊寬度為17.5 m，比常規(guī)線路減少16.5 m。該地區(qū)拆房單價為3 100元/m2，按常規(guī)雙回路架設(shè)，拆房面積為2 800 m2/km。按垂直排列緊湊型架設(shè)，拆房面積為1650 m2/km，可以減少拆房費(fèi)用356萬元/km。

常規(guī)雙回路導(dǎo)線采用4×LGJ－500/45，鐵塔重量為189.59 t/km。垂直排列緊湊型導(dǎo)線采用6× LGJ－300/40，鐵塔重量為228.73 t/km。兩者技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1，可知垂直排列緊湊型線路可以降低工程造價316.66萬元/km，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

表1 3種塔型技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

由于緊湊型線路鐵塔費(fèi)用超過常規(guī)線路約40萬元/km，因此當(dāng)緊湊型線路減少拆房費(fèi)用約達(dá)40萬元/km時，為了保護(hù)環(huán)境，減少房屋拆遷，采用緊湊型線路是合理的。

2 風(fēng)偏擺動距離計(jì)算

導(dǎo)線在風(fēng)力的作用下處于擺動狀態(tài)，簡稱風(fēng)偏擺動。文獻(xiàn)〔2〕指出，緊湊型線路檔距中央相對相最小空氣間隙工頻過電壓為2.2 m，操作過電壓為4.6 m。當(dāng)不能滿足相間電氣間隙要求時，需要在檔距中央安裝相間間隔棒。

當(dāng)采用V型絕緣子串時，可以限制導(dǎo)線在鐵塔窗口中的風(fēng)偏擺動，但在檔距中間仍會發(fā)生擺動，其最大風(fēng)偏擺動發(fā)生在導(dǎo)線弧垂最大處。由于水平兩相導(dǎo)線受風(fēng)作用時間不同，風(fēng)力先吹到一側(cè)的導(dǎo)線，然后經(jīng)過一段時間吹到另一側(cè)導(dǎo)線，由此造成導(dǎo)線之間靠近，簡稱單相風(fēng)偏擺動，當(dāng)風(fēng)力同時吹到兩相導(dǎo)線時，會造成兩相導(dǎo)線不同期擺動，簡稱異相風(fēng)偏擺動，如圖2所示。理論和實(shí)測證明，異相風(fēng)偏擺動小于單相風(fēng)偏擺動，導(dǎo)線風(fēng)偏擺動圍繞平均風(fēng)偏角震蕩，采用不同期風(fēng)偏角表示。根據(jù)國內(nèi)外廣泛采用的德國霍尼斯格林(Homisgrinde)試驗(yàn)基地長期測量的風(fēng)偏角數(shù)據(jù)〔3〕，不同風(fēng)速的實(shí)測風(fēng)偏角度見表2。

圖2 風(fēng)偏不同期擺動

表2 導(dǎo)線風(fēng)偏擺動角度測量數(shù)據(jù)

平均風(fēng)偏角為φm＝(101°－83°)/4＝4.5°，風(fēng)偏角與風(fēng)速的關(guān)系為φi＝(Vi/Vm)/φm。

導(dǎo)線風(fēng)偏擺動計(jì)算結(jié)果見表3和表4，可知檔距在700 m及以下時，要求的相間距離均小于7.5 m，可以滿足電氣間隙規(guī)定要求。當(dāng)檔距大于700 m時需在檔距中央裝設(shè)相間間隔棒。

設(shè)計(jì)大風(fēng) (風(fēng)速30 m/s)時單相風(fēng)偏擺動計(jì)算公式:

風(fēng)速15 m/s時操作過電壓時單相風(fēng)偏擺動計(jì)算公式:D＝fmsin2.3°＋4.6＋0.75

表3 風(fēng)速30 m/s時單相風(fēng)偏擺動 m

表4 風(fēng)速15 m/s時單相風(fēng)偏擺動 m

3 脫冰跳躍距離計(jì)算

導(dǎo)線在覆冰脫落時處于跳躍狀態(tài)，簡稱脫冰跳躍。設(shè)計(jì)規(guī)程指出，設(shè)計(jì)覆冰大于10 mm地區(qū)的緊湊型線路，應(yīng)驗(yàn)算導(dǎo)線不同期脫冰對線間距離的影響，以滿足工頻運(yùn)行電壓對相間絕緣的要求，相對相間隙取2.2 m。

脫冰跳躍計(jì)算模型如圖3所示，上導(dǎo)線各檔均覆冰，下導(dǎo)線中間檔脫冰，相臨檔全部覆冰。考慮連續(xù)五檔，各檔400 m，上導(dǎo)線覆冰100% ，下導(dǎo)線脫冰50%。在發(fā)生脫冰跳躍時，各檔導(dǎo)線應(yīng)力各不相同，需要采用迭代法〔4〕計(jì)算如下。

圖3 脫冰跳躍多檔導(dǎo)線計(jì)算模型

導(dǎo)線脫冰跳躍高度計(jì)算式:

式中 σ為導(dǎo)線水平應(yīng)力 (MPa)；r為導(dǎo)線比載(N/m·mm2)；l為檔距 (m)；h為導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高差 (m)；β為導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高差角 (°)；λ為懸垂絕緣子串長度 (m)；G為懸垂絕緣子串重量(N)；S為導(dǎo)線截面 (mm2)；Δf為脫冰前后導(dǎo)線弧垂差 (m)。

緊湊型每相導(dǎo)線采用7.5-7.5-7.5 m等邊倒三角型排列，相導(dǎo)線水平距離為3.75 m，相導(dǎo)線垂直距離為6.5 m，導(dǎo)線脫冰率取50%，脫冰跳躍靜態(tài)距離和動態(tài)距離計(jì)算結(jié)果見表5和表6，能夠滿足2.2 m的電氣間隙要求。

不同期脫冰導(dǎo)線相間靜態(tài)距離計(jì)算公式:

表5 不同期脫冰導(dǎo)線相間靜態(tài)距離 m

不同期脫冰導(dǎo)線相間動態(tài)距離計(jì)算公式:

表6 不同期脫冰導(dǎo)線相間動態(tài)距離 m

4 覆冰舞動距離計(jì)算

湖南省的覆冰舞動記錄表明，大跨越舞動幅值較大，一般線路舞動幅值較小，舞動幅值為導(dǎo)線弧垂的20%左右，冰厚為5 mm，氣溫為－5℃，風(fēng)速為10 m/s。導(dǎo)線舞動運(yùn)動軌跡為橢圓形，如圖4所示，橢圓形長軸A為舞動幅值，短軸B為長軸的0.4倍，橢圓形夾角取5°，向上舞動幅值為長軸的0.8倍，向下舞動幅值為長軸的0.2倍。通過作圖法測出覆冰舞動相間距離見表7，可知當(dāng)檔距在500 m及以下時可以滿足2.2 m的電氣間隙要求，大于500 m需在檔距中央安裝相間間隔棒。

表7 覆冰舞動導(dǎo)線相間距離 m

5 電磁環(huán)境計(jì)算分析

根據(jù)文獻(xiàn) 〔5〕可知，500 kV交流線路要求房屋位置離地1.5m處的地面電場強(qiáng)度不超過4kV/m，距離線路邊相導(dǎo)線20 m處的可聽噪聲不超過55 dB (A)，距離邊相導(dǎo)線20 m處頻率0.5 MHz時的無線電干擾限值不超過55 dB。電磁環(huán)境計(jì)算方法如下，計(jì)算結(jié)果見表8，可知垂直排列緊湊型線路的電場環(huán)境指標(biāo)優(yōu)于常規(guī)線路，特別是地面電場強(qiáng)度遠(yuǎn)小于常規(guī)線路，更加適合城市規(guī)劃地區(qū)或房屋密集地區(qū)。

采用電位系數(shù)法計(jì)算導(dǎo)線電荷，根據(jù)麥克斯韋方程[ui]＝[aij]×[qi]，其中[ui]為對地電壓矩陣 (kV)，[αij]為電位系數(shù)矩陣 (F/m)，[qi]為等效電荷矩陣 (C/m)。

導(dǎo)線表面最大場強(qiáng)Em(kV/cm):

導(dǎo)線電暈臨界場強(qiáng)Eo(kV/cm):

地面合成電場強(qiáng)度Em(kV/m):

水平方向地面場強(qiáng):

垂直方向地面場強(qiáng):

無線電干擾:

可聽噪聲:

表8 電磁環(huán)境計(jì)算結(jié)果

6 耐雷水平比較

雷擊桿塔時耐雷水平計(jì)算方法如下，計(jì)算結(jié)果如表9所示，可知垂直排列緊湊型線路的耐雷水平高于常規(guī)線路，有利線路運(yùn)行安全。

表9 耐雷水平計(jì)算結(jié)果

7 結(jié)論

對于500kV雙回同塔輸電線路，在城市規(guī)劃區(qū)和房屋密集區(qū)，采用垂直排列緊湊型線路是合理的，其相間距離為7.5 m，線路走廊寬度為17.5 m，減小線路走廊寬度48%，可以有效減少房屋拆遷面積。垂直排列緊湊型線路直線塔重量大于常規(guī)線路約40 t/km，當(dāng)常規(guī)線路拆房費(fèi)用高于垂直排列緊湊型線路拆除費(fèi)用40萬元/km時，建議優(yōu)先采用垂直排列緊湊型線路。

垂直排列緊湊型線路的環(huán)境保護(hù)指標(biāo)和耐雷水平均優(yōu)于常規(guī)線路，2014年首次在湖南長沙地區(qū)500 kV星沙—星城線路應(yīng)用，降低工程造價316.66萬元/km，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。由于緊湊型線路相間距離遠(yuǎn)小于常規(guī)線路，對于15 mm覆冰地區(qū)，當(dāng)檔距大于700 m時需在檔距中央安裝相間間隔棒；對于覆冰舞動地區(qū)，當(dāng)檔距超過500 m時需在檔距中央安裝相間間隔棒。

〔1〕DL/T5217—2005 220 kV～500 kV緊湊型架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 〔S〕.北京:中國電力出版社，2005.

〔2〕中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范 〔S〕.北京:中國計(jì)劃出版社，2010.

〔3〕劉繼.電氣裝置的過電壓保護(hù) 〔M〕.北京:電力工業(yè)出版社，1982.

〔4〕張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊 〔M〕.北京:中國電力出版社，2003.

〔5〕中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.HJ24—2014環(huán)境影響評價導(dǎo)則(輸變電工程)〔S〕.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2014.

Application analysis of 500 kV double circuit vertical arrangement compact transmission line

LUO Ying-bo，HOU Wei
(China Energy Engineering Group Co.Ltd，Hunan Electric Power Design Institute，Changsha 410007，China)

The calculation result of electrical properties for the 500kV double circuit vertical arrangement compact transmission line is analyzed in this paper.The suggestion of using vertical arrangement compact line in the town planning area and the housing concentrated area is presented，which can effectively reduce the electric field intensity on ground surface，narrow the line corridor width，decrease the demolition of housing area， improve the line transmission capacity.The measure is conductive to environmental protection with good economic efficiency and social benefits.

transmission line；corridor；double circuit；vertical arrangement；compact transmission line

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.003

TM726

B

1008-0198(2015)01-0011-04

2014-11-14