750 kV緊湊型輸電線路導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化

郭琳霞,龔有軍

(1.廣東省電力工業(yè)學(xué)校,廣州市,510520;2.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣州市,510663)

0 引言

高電壓等級(jí)緊湊型輸電線路由于電壓等級(jí)高、相間距離短,其電磁環(huán)境一般不夠友好。由于子導(dǎo)線之間的互相影響,子導(dǎo)線在等圓周排列方式下的表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布并不均勻?？拷鄬?dǎo)線幾何中心的子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較高,而遠(yuǎn)離相導(dǎo)線幾何中心的子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較低。

導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻性增大了導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度,不利于控制線路由于電暈產(chǎn)生的無(wú)線電干擾與可聽(tīng)噪聲。蘇聯(lián)曾對(duì)330和500 kV緊湊型線路的子導(dǎo)線排列方式進(jìn)行了優(yōu)化[1],國(guó)內(nèi)也在 220和330 kV線路上采用了倒梯形的排列方式以優(yōu)化導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度[2],并對(duì) 500 kV緊湊型線路的子導(dǎo)線優(yōu)化排列進(jìn)行了探討[3],但是還未曾對(duì)八分裂及以上線路的子導(dǎo)線的優(yōu)化排列進(jìn)行探討。本文對(duì)某750 kV單回緊湊型線路的子導(dǎo)線排列方式進(jìn)行優(yōu)化,并分析了優(yōu)化排列方式對(duì)電氣參數(shù)的影響,所得結(jié)論可以為我國(guó)超高壓緊湊型輸電線路的建設(shè)提供一定的參考。

1 導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算方法

假設(shè)n條對(duì)地平行的架空導(dǎo)線,和大地構(gòu)成一個(gè)多導(dǎo)線系統(tǒng),則每根導(dǎo)線 i的對(duì)地電位ui與該導(dǎo)線上的線電荷密度qi的關(guān)系如式(1)所示。

式中:ui為導(dǎo)線i的對(duì)地電位;qi為導(dǎo)線i的電荷密度;Pij為導(dǎo)線i與導(dǎo)線j的互電位系數(shù);Pii為導(dǎo)線i的自電位系數(shù)。

式中:hi為導(dǎo)線i的平均對(duì)地高度;ri為導(dǎo)線i的半徑; Dij為導(dǎo)線i與導(dǎo)線j的鏡像之間的距離;dij為導(dǎo)線i與j之間的距離;ε0為真空介電常數(shù)。

將式(1)寫(xiě)成矩陣形式,即

式中:P為電位系數(shù)矩陣;U為子導(dǎo)線的電壓列矩陣; Q為子導(dǎo)線的電荷列矩陣,導(dǎo)線上的電荷Q=P-1U。

求出導(dǎo)線的等效線電荷后,按下式即可求得導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度[4]。

式中:qi、qj、ri、dij、ε0的意義與前相同;π為圓周率; φi-φj的意義如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線i表面任1點(diǎn)p處場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算示意圖Fig.1 Diagram of electric field intensity calculation at p point of ith conductor surface

2 導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化方法

2.1 目標(biāo)函數(shù)

為了直觀地表示子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻度,引入式(6)作為目標(biāo)函數(shù)。

式中:Emax為相導(dǎo)線的最大表面電場(chǎng)強(qiáng)度;Emin為相導(dǎo)線的最小表面電場(chǎng)強(qiáng)度;Eaver為相導(dǎo)線的平均表面電場(chǎng)強(qiáng)度。

目標(biāo)函數(shù)f的值越小,子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布就越均勻。

2.2 邊界條件

當(dāng)子導(dǎo)線之間的距離與導(dǎo)線直徑之比在 10左右時(shí),可能出現(xiàn)嚴(yán)重的次檔距振蕩,對(duì)金具造成磨損甚至造成事故[5]。除了減小線路的檔距之外,減弱線路次檔距振蕩的方法就是將子導(dǎo)線之間的距離增大至導(dǎo)線直徑的 15～18倍[6]。根據(jù)資料,目前國(guó)際上已經(jīng)投運(yùn)的 750 kV線路中,分裂間距最短為320mm,子導(dǎo)線直徑為27 mm,分裂間距與導(dǎo)線直徑之比為 11[7]。因此,綜合工程實(shí)際運(yùn)用情況與避免子導(dǎo)線次檔距振蕩的要求,在優(yōu)化過(guò)程中,子導(dǎo)線之間的距離應(yīng)大于350mm。

此外,由于750 kV緊湊型輸電線路的電壓等級(jí)高、相間距離相對(duì)較小,導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度較大;加之線路所處地區(qū)海拔較高,導(dǎo)線起暈場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較低,線路電暈損失較大[8-10]。因此,考慮到控制線路電暈損失的要求,參考Q/GDW 179—2008《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》,750 kV緊湊型輸電線路導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度與電暈起始場(chǎng)強(qiáng)之比不得大于0.88。

2.3 優(yōu)化方法

子導(dǎo)線遠(yuǎn)離相導(dǎo)線中心將減小其他子導(dǎo)線對(duì)其自身的屏蔽,從而增大該子導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度,降低與之相鄰的子導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度;反之,子導(dǎo)線靠近相導(dǎo)線中心則會(huì)增大其他子導(dǎo)線對(duì)其自身的屏蔽,降低該子導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度,增大與之相鄰的子導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度。因此,對(duì)于表面電場(chǎng)強(qiáng)度高于線路平均電場(chǎng)強(qiáng)度的子導(dǎo)線,可以讓其相對(duì)靠近導(dǎo)線的中心,增大其他子導(dǎo)線對(duì)其的屏蔽;對(duì)于表面電場(chǎng)強(qiáng)度低于平均場(chǎng)強(qiáng)的子導(dǎo)線,可讓其相對(duì)遠(yuǎn)離子導(dǎo)線的中心,減小其他子導(dǎo)線對(duì)其的屏蔽。

3 工程應(yīng)用

3.1 750 kV緊湊型輸電線路導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布

相導(dǎo)線采用倒等三角形排列方式,相間距離10m,最下相導(dǎo)線平均對(duì)地高度19.67 m;每相導(dǎo)線采用8× LGJ-400/35,分裂間距400mm,導(dǎo)線弧垂15 m;地線采用2根GJ-90,地線間距11m。計(jì)算得到空間各子導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖 2所示,圖 2中電場(chǎng)強(qiáng)度單位為kV/cm?？梢?jiàn),子導(dǎo)線等圓周排列方式下的導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布很不均勻,以邊相導(dǎo)線為例,子導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的最大值為17.11 kV/cm,最小值為14.99 kV/cm,前者比后者大14.14%。

圖2 導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖Fig.2 Electric-field intensity distribution of sub-conductor surface

3.2 優(yōu)化方案

750 kV緊湊型輸電線路導(dǎo)線采用 8×LGJ-400/35,對(duì)子導(dǎo)線的排列方式進(jìn)行優(yōu)化,得到如圖 3所示的優(yōu)化方案示意圖。其中,距離標(biāo)記是子導(dǎo)線之間的距離,mm;角度標(biāo)記是各子導(dǎo)線與相導(dǎo)線中心之間的連線的夾角。優(yōu)化排列后,相導(dǎo)線中心的位置不變。

圖3 子導(dǎo)線優(yōu)化排列示意圖Fig.3 Optimized arrangement of sub-conductors

圖4為子導(dǎo)線均勻排列示意圖,圖 5給出了圖 4所示子導(dǎo)線均勻排列與圖 3所示子導(dǎo)線優(yōu)化排列情況下的導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布對(duì)比情況。從圖 5可以看出,在子導(dǎo)線均勻排列方式下,邊線導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻度為15.31%,中相導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻度為12.8%;在優(yōu)化排列方案下,邊相導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻度為 1.58%,中相導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻度為 0.67%?？梢?jiàn),通過(guò)改變子導(dǎo)線的排列方式,可大幅度降低導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布的不均勻度。

4 對(duì)電氣參數(shù)的影響

表1給出了子導(dǎo)線優(yōu)化方案與均勻排列方案的電氣參數(shù)比較?？梢钥闯?子導(dǎo)線優(yōu)化排列后線路下方的工頻電場(chǎng)的變化較小,幅度不到 3%,且均小于10 kV/m,符合國(guó)家關(guān)于 750 kV線路地面電場(chǎng)的相關(guān)規(guī)定[11]。這是因?yàn)?子導(dǎo)線優(yōu)化排列改變的是子導(dǎo)線之間的相互位置,不是以增大線路導(dǎo)線束的等效半徑為目的,也就不會(huì)顯著增大線路的等效對(duì)地電容。因此,子導(dǎo)線優(yōu)化排列對(duì)地面電場(chǎng)的影響不大。此外,子導(dǎo)線排列方式優(yōu)化前后電暈損失基本不變,主要是由于優(yōu)化排列主要的目的是減小不同子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度之間的差異,對(duì)線路的導(dǎo)線表面平均場(chǎng)強(qiáng)影響很小。

通過(guò)優(yōu)化子導(dǎo)線的排列方式,改變它們之間互相影響的程度,可以降低導(dǎo)線表面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度,大幅度優(yōu)化子導(dǎo)線的場(chǎng)強(qiáng)分布。其中,表面電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻度可由原來(lái)的約15%降為約1.5%,減小了1個(gè)數(shù)量級(jí)。由此帶來(lái)了電暈電磁環(huán)境的改善。優(yōu)化后,線路的無(wú)線電干擾下降了1.6 dB,可聽(tīng)噪聲下降了2.5 dB。考慮到分貝的定義,線路的無(wú)線電干擾強(qiáng)度與可聽(tīng)噪聲強(qiáng)度分別下降了31%與 44%。

表1 子導(dǎo)線優(yōu)化前后的電氣參數(shù)對(duì)比Tab.1 Contrast of electric parameters before and after optim ization

5 與其他優(yōu)化措施的比較

在子導(dǎo)線均勻排列方式下,將750 kV緊湊型輸電線路的無(wú)線電干擾與可聽(tīng)噪聲分別降低 1.6與2.5 dB所需采取的技術(shù)措施及其經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比如表2所示。可見(jiàn),相對(duì)于增大子導(dǎo)線直徑、減小分裂間距與增加導(dǎo)線對(duì)地高度等措施,子導(dǎo)線優(yōu)化排列可在不損失線路自然功率、不增大工程一次投資的情況下降低線路的無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲,具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是多分裂導(dǎo)線的優(yōu)化排列的還未見(jiàn)有應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道,且需要研制相應(yīng)的特殊金具。因此,在采用子導(dǎo)線優(yōu)化排列方式之前,還應(yīng)對(duì)導(dǎo)線束的力學(xué)特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

表2 不同優(yōu)化方案的比較Tab.2 Comparison of various optim ization schemes

6 結(jié)論

(1)子導(dǎo)線優(yōu)化排列后,可大幅度降低導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻度,線路的無(wú)線電干擾強(qiáng)度與可聽(tīng)噪聲強(qiáng)度分別降低31%與44%。

(2)子導(dǎo)線優(yōu)化排列后,線路的電抗、電容、電暈損失、地面電場(chǎng)和自然功率基本不變。

(3)相比其他改善線路電磁環(huán)境的措施,子導(dǎo)線優(yōu)化排列可在不損失自然功率,不增大一次投資的情況下改善線路的電磁環(huán)境,但是其力學(xué)特性還有待深入研究。

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