750 kV同塔四回輸電工程中不同類型導線電暈損失的對比分析

宋晨銘， 黃世龍 ， 劉云鵬

(華北電力大學, 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室， 保定 071003)

在特高壓架空輸電線路設計時，經濟性是導線選型的重要指標之一。目前中國西北地區輸電線路電壓等級主要為750 kV，線路所經過地區為沙塵多發區域。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，不可避免經過大型城市地區，但電網建設規劃線經過的城市土地資源緊張制約著電網的發展[1-2]。為節約土地資源，在城區將兩條同塔雙回線路采用同塔四回線路進行過渡，出城后再拆分為兩條同塔雙回線路。以往導線經濟性選型僅考慮6×LGJ-500/40輸電線路的電暈損失，對于其他型號導線研究較少。同時初期投資成本、電阻損耗也是影響經濟性的指標。因此開展750 kV同塔四回輸電工程采用不同類型的導線經濟性評估有利于輸電線路的工程實際應用。

高海拔、沙塵多發的復雜天氣等因素使線路產生電暈損失[3-4]，電暈損失是衡量輸電線路運行可靠性和經濟性的重要因素之一。在晴朗天氣情況下，超/特高壓輸電線路一般不會發生電暈放電[5]。但是在強降雨和風沙天氣條件下，線路的起暈場強降低容易產生電暈損失，從而造成線路的經濟損失以及危害線路的可靠運行[6]。加拿大IREQ(Institute of Research Quebec)機構對不同型號分裂導線的電暈損失研究發現：晴朗天氣電暈損失可以忽略不計，大雨條件線路的電暈損失是干燥條件下的數十倍[7]。美國BPA(Business Professionals of America) 公司針對500 kV電壓等級導線的電暈損失進行海拔修正[8]。Peek[9-10]通過電暈籠試驗提出了皮克公式，用來計算導線的起暈電壓，同時總結得出溫度一定，氣壓對導線的起暈場強的影響規律。Clade等[11]通過降雨量對導線電暈特性的影響研究中得出導線表面粗糙系數在大雨、中雨和小雨分別為0.5、1、0.75。Kolcioton等[12]通過測量霧、晴天氣下765 kV輸電線路得出不同分裂間距、子導線半徑的分裂導線的電暈損失數據。Chartier等[13]研究得出電暈損失和降雨率及導線截面之間的關系。Sollerkvist等[14]通過試驗得出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[16-17]通過對特高壓交流單回、同塔雙回線路進行淋雨試驗，得出不同降雨強度正常運行電壓下單位輸電線路的電暈損失。文獻[18-20]通過沙塵模擬系統，得出沙塵條件與分裂導線起暈場強之間的關系。文獻[21-22]通過電暈損失等效方法計算得出6×LGJ-500/45導線同塔四回750 kV六層橫擔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導線的電暈試驗，得出導線表面場強最大平均有效場強，通過海拔修正和電暈損失等效系數計算得到輸電線路的電暈損失功率。然后計算不同天氣條件下輸電線路的電暈損失。最后對比兩種導線的運行成本、電阻損耗和電暈損失，得到最優導線選型。

1 線路參數

750 kV同塔四回輸電線線路設計容量2 300 MW，全長20 km，海拔168.6～1 500 m，塔基平均距離450 m。采用六分裂導線，分裂間距400 mm，常用兩種導線參數如表1所示。地線型號為JLB20A-150，外徑為15.75 mm。

塔型為六層橫擔、四層橫擔兩種布置，六層橫擔采用I型絕緣子串懸掛，逆相序排列[23]。四層橫擔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布置方式如圖1所示，四層橫擔第Ⅰ相序布置方式如圖2所示。

表1 導線參數

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

2 導線電暈損失功率計算

基于上述輸電線路參數，首先建立不同塔型及相序排列的六分裂導線模型，通過有限元仿真軟件計算各相子導線表面最大平均有效場強?；诳梢苿与姇灮\實驗得到導線的電暈損失功率隨導線表面場強變化的擬合曲線，最后通過電暈損失等效系數及海拔修正計算得到輸電線路的電暈損失功率。

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

2.1 導線表面最大有效場強計算

建立六層橫擔和四層橫擔仿真模型，利用有限元軟件計算各相導線表面最大有效場強。由于分裂導線存在集膚效應以及線路之間電場耦合現象導致電場分布不均勻，使用最大平均有效場強描述分裂導線的電場分布[24]，以四層橫擔A相為例，電場分布見圖3～圖5。各相子導線表面最大場強的平均值Emax，結果見表2。

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

圖4 四層橫擔布置A2相電壓峰值時電場分布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A相峰值時A2相子導線場強分布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，隨著海拔的增加，大氣壓強降低，導線電暈損失隨之增加，需要對導線的電暈損失進行海拔修正[25]。通過可移動電暈籠環境試驗得出不同型號導線在各個模擬海拔點的電暈損失數據，分別將大雨和風沙條件下測得的導線的電暈損失數據修正到海拔為340、750、1 250 m的電暈損失，結果如圖6、圖7所示。為后續各種型號輸電線路電暈損失數據提供了參考。

表2 輸電線路各相表面最大有效場強

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

圖7 風沙條件下導線電暈損失海拔修正Fig.7 The conductor corona loss altitude correction under windy and sand conditions

2.3 電暈損失功率計算

由于電暈籠和輸電線路構型不同，在電暈籠中測得的導線的電暈損失功率與實際輸電線路存在一定的誤差。因此引入等效電暈損失概念，即在場強一定的情況下，電暈籠和輸電線路的導線具有相同的有效電暈損失。運用電暈損失等效原理計算得到電暈等效修正系數[26]，線路的電暈損失功率計算公式為

(1)

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

相應修正系數計算式為

(2)

3 不同天氣條件下輸電線路的電暈損失計算

基于有限元仿真軟件計算得到不同塔型布置方式及相序的導線最大平均有效場強Eavg。通過大雨和風沙條件下導線電暈損失海拔修正，得到輸電線路年平均電暈損失Pavg。根據輸電線路所經過區域的不同情況天氣小時數，計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地區天氣情況主要為晴天、雨天、雪天、霧天、風沙五種天氣狀況，每種天氣對應年平均小時數為5 123、2 328、418、840、51。分別計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為40，根據表2中線路的參數、平均一年5 123 h晴天，計算得出六層橫擔、四層橫擔線路的年晴天電暈損失總量W1，結果見表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

雨雪霧天氣會降低輸電線路的起暈場強，導致線路的電暈損失增大。不同程度的雨雪霧天氣對應的線路的電暈損失不同。

根據降雨量將降雨強度分為大雨、中雨、小雨三個等級，各占雨天年小時數的1/3，對應降雨率為7.6、2.6、0.5 mm/h。導線的電暈損失與降雨量的對數成正近似線性關系[29]，計算得到大、中、小雨的計算系數為1.35、1、0.65。相應將雪天分為大雪、中雪、小雪三個等級，對應等值降雨率為2.54、0.635、0.127 mm/h，計算系數取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%。

根據不同計算海拔高度和天氣條件下的線路電暈損失功率，由式(3)計算得到整條750 kV同塔四回輸電線路雨雪霧天氣的電暈損失總量W2，計算結果見表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的年平均小時數，h；Li為第i段線路長度，km。

表4 雨、雪、霧天氣條件線路電暈損失總量

3.3 風沙天氣下線路的電暈損失

風沙條件輸電線路的電暈損失由強沙塵天氣電暈損失Wstrong和弱沙塵天氣電暈損失Wdust組成，弱沙塵天氣和強沙塵天氣各占風沙天氣年小時數的一半。只有當沙塵濃度達到一定程度時，輸電線路才會起暈，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。

強沙塵天氣會使導線的起暈場強降低，從而導致線路的電暈損失增大，根據圖3中風沙條件導線的海拔修正電暈損失，計算強沙塵條件下電暈損失功率及全線年電暈損失總量W3見表5。

表5 風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除以全年小時數(8 760 h)和線路的總長(20 km)得到線路年平均電暈損失功率Pavg(kW/km)，計算結果見表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為全年總小時數，h；L為線路總長度，km。

表6 線路年平均電暈損失功率

由表6可以看出，從電暈損失角度來看，四層橫擔第Ⅱ相序排列下線路年平均電暈損失功率優于其他情況。六層橫擔雖然電暈損失較大，但其所占空間較小、成本較低等優點，實際工程應用時應按照具體情況進行選擇。

4 不同導線類型各項指標及總成本對比

輸電線路運行成本主要由線路電阻損耗、電暈損耗和線路的造價成本三個指標構成。比較兩種導線750 kV同塔四回輸電線路最優相序排列(四層橫擔第Ⅱ相序)各項成本指標，結果如下。

4.1 電阻損耗功率對比

輸電線路的電阻損耗取決于線路的輸送容量、電壓等級和導線型號。電阻損耗的計算公式為

(6)

式(6)中：ΔP為輸電線路功率電阻總損耗功率；n為回路數；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運行狀態計算，兩種導線的電阻損耗對比見表7。

表7 電阻損耗功率對比

在最優相序排列下(四層橫擔第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和輸送容量相同情況下，導線型號為LGJ-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，導致電阻損耗較大。

4.2 電暈損失功率對比

通過上述研究可以發現，線路的電暈損失功率大小與導線的型號、輸電線路的排列分布、氣象條件、海拔高度等因素有關。將兩種導線六層橫擔和四層橫擔第Ⅱ相序排列的線路年平均電暈損失功率進行對比，結果見表8。

表8 線路年平均電暈損失功率對比

通過表8可以看出，導線型號為LGJ-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的輸電線路的電暈損失功率遠大于四層橫擔。通過相序的優化可以有效降低輸電線路的電暈損失，提高電網建設及運行的經濟性。在最優相序排列下(四層橫擔第Ⅱ相序)單位長度導線LGJ-500/45輸電線路的電暈損失為LGJ-400/50的58.7%。

4.3 投資成本對比

在超高壓架空輸電線路中，架空線路建設成本一般占到工程總投資的32%～35%。合理選擇導線型號直接關系到線路工程的建設的費用和運行成本。四層橫擔第Ⅱ相序排列下，結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行8 760 h、0.25元/(kW·h)電價、設計使用壽命40年，計算兩種導線單位千米年運行成本Q如式(7)所示，單位千米兩種導線的投資成本對比見表9。

(7)

式(7)中：Q為導線單位千米年運行成本，萬元/km；Q1為單位千米導線造價成本，萬元/km；Q2為單位千米導線年電阻損耗費用，萬元/km；Q3為單位千米導線年電暈損耗費用，萬元/km；C為輸電線路總造價，萬元；n為輸電線路設計使用年限；P2為單位千米導線年電阻損耗，萬kW·h；P3為單位千米導線年電暈損失，萬kW·h；e為電價，0.25元/(kW·h)。

通過表9可以看出，導線型號為LGJ-500/45輸電線路單位公里年運行成本為LGJ 400/50的75.8%，前者等長度導線造價較后者多出16.2%，使用較小直徑的導線會降低輸電線里的投資成本，但會導致較高的年電阻損耗和電暈損耗。綜合年運行成本及經濟性，擬推薦采用LGJ-500/45導線。

表9 投資成本對比

5 結論

通過電暈損失等效原理及海拔修正計算得到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行成本進行對比，得到如下結論。

(1)通過有限元仿真軟件得到導線型號為LGJ-400/50時750 kV同塔四回輸電線路六層橫擔導線最大表面有效場強在13.03～16.77 kV/cm，四層橫擔各個相序下的表面最大平均有效場強在13.61～17.48 kV/cm。

(2)線路的運行損耗主要為電阻損耗。電暈損耗約為電阻損耗的34%。從電暈損失角度來看，750 kV同塔四回輸電線路最優布置方式為四層橫擔第Ⅱ相序排列。6×LGJ-500/45輸電線路單位公里造價相較于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行成本為約為前者的75.8%，從經濟性選型角度，推薦采用LGJ-500/45導線。