±1 100 kV換流站直流母線導(dǎo)體選型與布置研究

駱 玲，丁曉飛，邢 毅，包維瀚，李龍才，楊 倫

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

±1 100 kV換流站直流母線導(dǎo)體選型與布置研究

駱 玲，丁曉飛，邢 毅，包維瀚，李龍才，楊 倫

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

±1 100 kV特高壓直流輸電工程在工程應(yīng)用中屬于新的電壓等級(jí)，對(duì)于換流站內(nèi)直流母線的選型與布置在參考±800 kV換流站的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的研究分析。針對(duì)±1 100 kV直流極線戶(hù)內(nèi)布置的方案，對(duì)3種備選直流管母線 (6063G-Φ400/380、6063G-Φ450/430、6063G-Φ500/480)進(jìn)行了電磁環(huán)境的校核計(jì)算，并結(jié)合目前±1 100 kV設(shè)備外形對(duì)導(dǎo)體的布置提出了推薦意見(jiàn)。研究結(jié)果表明：3種備選管母在對(duì)地高度15 ～25 m的范圍內(nèi)均不起暈，地面離子流密度以及磁感應(yīng)強(qiáng)度滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求；在對(duì)地高度不小于18 m時(shí)，3種管母線地面合成場(chǎng)強(qiáng)均小于25 kV/m；管母線跨距不大于15 m的布置形式能滿(mǎn)足管母線的破壞應(yīng)力及撓度要求。綜合考慮運(yùn)行的安全可靠性以及工程的經(jīng)濟(jì)性，推薦采用6063G-Φ400/380管母線作為±1 100 kV直流母線，并建議管母線對(duì)地高度不小于18 m，且管母線跨距不大于15 m。

±1 100 kV換流站；直流母線；電磁環(huán)境；機(jī)械受力；管母跨距

0 引 言

換流站內(nèi)直流母線的選型與布置對(duì)直流母線周?chē)碾姶怒h(huán)境有較大的影響[1-4]。合理的母線導(dǎo)體選型與布置方案既要確保工程的安全可靠運(yùn)行，也要兼顧運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

鋁合金管母線在±800 kV特高壓換流站中已經(jīng)有成熟應(yīng)用，而目前±1 100 kV特高壓直流輸電工程在工程應(yīng)用中屬于新的電壓等級(jí)[2,5]，考慮±1 100 kV設(shè)備制造水平[6-8]以及運(yùn)行的安全可靠性，直流極線設(shè)備按戶(hù)內(nèi)布置方案考慮。針對(duì)±1 100 kV戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)布置方案，對(duì)直流母線的選型與布置開(kāi)展詳細(xì)研究。

1 直流母線導(dǎo)體電磁環(huán)境分析

由于支撐管母線具有初始起暈場(chǎng)強(qiáng)高、占地面積較省、接線清晰等特點(diǎn)，±1 100 kV換流站直流場(chǎng)母線仍推薦采用支撐管母線。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，在滿(mǎn)足通流要求的前提下選擇管母線導(dǎo)體6063G-Φ400/380、6063G-Φ450/430、6063G-Φ500/480進(jìn)行比較。

1.1 電磁環(huán)境限值要求

±1 100 kV導(dǎo)體電磁環(huán)境要求暫無(wú)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范可執(zhí)行，下面參照DL/T 1088-2008 《±800 kV特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值》以及中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)展的人在直流電場(chǎng)下的穩(wěn)態(tài)感受試驗(yàn)研究結(jié)論，確定±1 100 kV換流站直流母線電磁環(huán)境的控制指標(biāo)如下[9-10]：

1)為了將換流站的地面合成電場(chǎng)在較大范圍內(nèi)控制在不超過(guò)30 kV/m，由單根管母線產(chǎn)生的地面合成電場(chǎng)需控制在20～25 kV/m；

2)由管母線產(chǎn)生的線下地面離子流密度限值建議為100 nA/m2；

3)直流磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的控制指標(biāo)為10 mT。

1.2 導(dǎo)體起暈場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算

導(dǎo)體電暈是在導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)某一臨界值后才開(kāi)始產(chǎn)生，這一臨界值通常稱(chēng)為電暈臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，或起始電暈電場(chǎng)強(qiáng)度。皮克(F.W.Peek)最早開(kāi)始研究線路電暈，并給出了適用于交流線路電暈起始電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式，經(jīng)修改，得到適用于直流線路電暈起始場(chǎng)強(qiáng)的判據(jù)如下[11-12]：

(1)

式中：m為反映導(dǎo)體表面狀況的粗糙系數(shù)；r為導(dǎo)體半徑，cm；δ為相對(duì)空氣密度[12](標(biāo)準(zhǔn)情況下取1)。

(2)

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101.3 kPa；P為換流站的實(shí)際大氣壓，kPa；t0為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，20 ℃；t為換流站的實(shí)際溫度，℃。

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下3種外徑導(dǎo)體的起暈場(chǎng)強(qiáng)如表1所示。

表1 導(dǎo)體起暈電場(chǎng)強(qiáng)度

1.3 導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算

采用國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE 及國(guó)際無(wú)線電干擾委員會(huì) CISPR 推薦的馬克特-門(mén)格爾法[13-14]計(jì)算導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度。

1)用麥克斯韋電位系數(shù)法決定等效導(dǎo)線上的總電荷

[Q]=[P]-1[U]

(3)

式中:[Q]為導(dǎo)線上的電荷矩陣；[U]為導(dǎo)線上的電壓矩陣；[P]為電位系數(shù)矩陣，它們可以直接用鏡像法求得。

2)忽略子導(dǎo)線間的相互影響，并認(rèn)為總電荷平均分配在每根子導(dǎo)線上，即每根導(dǎo)線的電荷為Q/n。則子導(dǎo)線表面平均表面電場(chǎng)強(qiáng)度由式(4)計(jì)算：

(4)

式中:ε為空氣介電常數(shù)；n為導(dǎo)線分裂根數(shù)，對(duì)于管母線n=1；d為子導(dǎo)線直徑，cm；對(duì)于管母線，d即為管母直徑。

3)對(duì)于分裂導(dǎo)線，由于屏蔽效應(yīng)，實(shí)際表面場(chǎng)強(qiáng)在分裂導(dǎo)線外部要更大些，而在內(nèi)部則小些。計(jì)算分裂導(dǎo)線的平均最大表面電場(chǎng)強(qiáng)度如式(5)所示：

(5)

式中，D為通過(guò)分裂導(dǎo)線束各子導(dǎo)線中心的圓的直徑，cm。對(duì)于管母線而言，最大表面電場(chǎng)強(qiáng)度與導(dǎo)線平均表面電場(chǎng)強(qiáng)度相等。

根據(jù)式(3)～式(5)計(jì)算直流母線在距地高度15～25 m條件下，不同導(dǎo)體的表面最大場(chǎng)強(qiáng)如圖1～圖3所示。

圖1 φ400/380管母線導(dǎo)體表面最大電場(chǎng)

圖2 φ450/430管母線導(dǎo)體表面最大電場(chǎng)

由圖1～圖3可知：3種外徑的管母線在15～25 m的對(duì)地高度下，導(dǎo)體表面最大電場(chǎng)均小于其起暈場(chǎng)強(qiáng)，不起暈；相同高度時(shí)，導(dǎo)體外徑越大，導(dǎo)體表面平均最大電場(chǎng)強(qiáng)度越?。煌粚?dǎo)體，高度越高，導(dǎo)體表面平均最大電場(chǎng)強(qiáng)度越小。

圖3 φ500/480管母線導(dǎo)體表面最大電場(chǎng)

1.4 地面合成場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

直流導(dǎo)體下的電場(chǎng)有兩種極限情況，一種是沒(méi)有電暈時(shí)，僅由導(dǎo)線上電荷決定的靜電場(chǎng)或標(biāo)稱(chēng)電場(chǎng)；另一種是飽和電暈時(shí)，僅由空間電荷決定電場(chǎng)，此時(shí)電暈已發(fā)展得相當(dāng)嚴(yán)重，線下電場(chǎng)僅取決于極間距離和對(duì)地距離，導(dǎo)線本身尺寸已不影響線下電場(chǎng)。

如前所述的導(dǎo)體表面最大場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算中，按15～25 m的對(duì)地高度，備選導(dǎo)體表面電場(chǎng)均小于起暈電場(chǎng)，導(dǎo)體表面理論上不會(huì)有電暈情況發(fā)生，故導(dǎo)體下方地面電場(chǎng)以直流導(dǎo)體電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)為主，空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)相對(duì)于直流導(dǎo)體電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)較小。

文獻(xiàn)[15]中指出：“…未提供頻率低于1 Hz的電場(chǎng)強(qiáng)度限值，因?yàn)樗鼘?shí)際上屬于靜電場(chǎng)，對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)因表面電荷而引起煩惱的感覺(jué)不會(huì)發(fā)生在25 kV/m場(chǎng)強(qiáng)之下，引起緊張或煩惱的火花放電應(yīng)該避免”。 因此，在確定直流導(dǎo)體電場(chǎng)的限值時(shí)，除考慮人在直流電場(chǎng)下的直接感受外，還應(yīng)考慮可能引起的暫態(tài)電擊。所以由直流場(chǎng)導(dǎo)體產(chǎn)生的地面合成電場(chǎng)值應(yīng)控制在25 kV/m以下。

根據(jù)靜電場(chǎng)理論，由于在換流站中實(shí)際直流場(chǎng)正負(fù)極線相距200 m以上，忽略相反極性線及避雷線的影響，考慮電荷對(duì)無(wú)窮大地面場(chǎng)強(qiáng)情況時(shí)，使用鏡像法計(jì)算地面合成電場(chǎng)，結(jié)果如圖4～圖6所示。

由于備選管母線均不起暈，地面合成場(chǎng)強(qiáng)即地面標(biāo)稱(chēng)場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)比以上3種備選管母地面標(biāo)稱(chēng)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果，要滿(mǎn)足地面標(biāo)稱(chēng)場(chǎng)強(qiáng)值不大于25 kV/m，則：

1)采用φ400/380管母線時(shí)高度不應(yīng)小于17.3 m；

2)采用φ450/430管母線時(shí)高度不應(yīng)小于17.6 m；

3)采用φ500/480管母線時(shí)高度不應(yīng)小于18 m。

圖4 φ400/380管母地面合成場(chǎng)強(qiáng)

圖5 φ450/430管母地面合成場(chǎng)強(qiáng)

圖6 φ500/480管母地面合成場(chǎng)強(qiáng)

1.5 離子流密度計(jì)算

由于備選管母線電暈起始場(chǎng)強(qiáng)均大于表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度，因此，不會(huì)產(chǎn)生飽和電暈情況。此時(shí)地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度主要為標(biāo)稱(chēng)電場(chǎng)，地面離子電流密度幾乎為零，滿(mǎn)足管母線產(chǎn)生的線下地面離子流密度限值不大于100 nA/m2的要求。

1.6 磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)恒定磁場(chǎng)理論，考慮過(guò)負(fù)荷情況，采用安培環(huán)路定律，計(jì)算導(dǎo)體正下方磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

(6)

式中:B為導(dǎo)體在地面磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；μ為磁導(dǎo)系數(shù)，取4π×10-7T·m/A；H為導(dǎo)體的對(duì)地高度，m；I為導(dǎo)體電流，A。

從式(6)可以看出，導(dǎo)體的外徑不影響地面磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果。因此，備選管母線磁感應(yīng)強(qiáng)度與對(duì)地高度的變化計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 導(dǎo)體磁感應(yīng)強(qiáng)度

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，備選管母線6063G-φ400/380、6063G-φ450/430、6063G-φ500/480布置在對(duì)地高度15～25 m情況下，均滿(mǎn)足地面磁感應(yīng)強(qiáng)度小于10 mT的要求。

2 直流母線導(dǎo)體機(jī)械受力計(jì)算

±1 100 kV直流極線及設(shè)備在戶(hù)內(nèi)布置，不考慮大風(fēng)、覆冰的工況，不考慮采用阻尼線。由于戶(hù)內(nèi)設(shè)備散熱差，特別是直流極線平波電抗器正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，戶(hù)內(nèi)需加裝空調(diào)及風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)速為7 m/s。

經(jīng)向設(shè)備廠家調(diào)研，±1 100 kV極線主要設(shè)備均壓環(huán)外徑如表3所示。

表3 極線主要設(shè)備均壓環(huán)尺寸

根據(jù)極母線的集中荷載分布情況，考慮最嚴(yán)重的情況：在同一管母線跨中懸掛安裝光CT及避雷器(光CT重量約0.6 t，避雷器重量約3.2 t，另計(jì)及金具共4 t)。避雷器、光CT及支柱絕緣子均壓環(huán)外徑共8.2 m，考慮設(shè)備吊裝時(shí)為避免設(shè)備均壓環(huán)間的碰撞，設(shè)備布置需要滿(mǎn)足一定的間距。支撐管母線的支柱絕緣子暫按間距15 m布置，則15 m為一跨。下面按15 m管線為一跨，兩跨連續(xù)計(jì)算受力情況。

6063G系列管母線的破壞應(yīng)力為179.928 MPa。根據(jù)上述工況及荷載條件，分別計(jì)算3種管母線受力如表3～表5所示。

表4 φ400/380管母線受力計(jì)算結(jié)果

注：k為載荷短期作用時(shí)硬導(dǎo)體的安全系數(shù)[15]

表5 φ450/430管母線受力計(jì)算結(jié)果

注：k為載荷短期作用時(shí)硬導(dǎo)體的安全系數(shù)[15]

表6 φ500/480管母線受力計(jì)算結(jié)果

注：k為載荷短期作用時(shí)硬導(dǎo)體的安全系數(shù)[16]

由表4～表6可知，3種備選管母線在實(shí)際運(yùn)行工況下，要求管母線最小破壞應(yīng)力均小于管母實(shí)際的破壞應(yīng)力；最大擾度滿(mǎn)足規(guī)程規(guī)范要求[15]：不大于0.5D(D為管母直徑)。

如按跨距16 m布置，兩跨連續(xù)計(jì)算，φ400/380管母線要求最小破壞應(yīng)力達(dá)182.868 MPa，超出管母線的實(shí)際限制；φ450/430、φ500/480管母線破壞應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)±1 100 kV直流母線3種備選管母φ400/380、φ450/430、φ500/480在對(duì)地高度15～25 m的范圍內(nèi)，導(dǎo)體下方的合成場(chǎng)強(qiáng)、離子流密度以及磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合±1 100 kV極線設(shè)備布置的實(shí)際情況確定直流母線的最大跨距，其結(jié)果如下：

1)3種備選導(dǎo)體均不起暈且地面離子流密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)程規(guī)范要求。

2)φ500/480管母，對(duì)地高度不小于18 m；φ450/430管母，對(duì)地高度不小于17.6 m；φ400/380管母，對(duì)地高度不小于17.3 m：均能滿(mǎn)足地面合成場(chǎng)強(qiáng)滿(mǎn)足不大于25 kV/m的要求。

3)根據(jù)目前所調(diào)研的±1 100 kV設(shè)備均壓環(huán)外徑，綜合考慮設(shè)備布置安裝方式，計(jì)算出能滿(mǎn)足3種管母破壞應(yīng)力及撓度要求的最大管母跨距為15 m。

±1 100 kV直流母線合理的選型與布置方案既要確保工程的安全可靠運(yùn)行也要兼顧運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，直徑越小的管母經(jīng)濟(jì)性越高。因此推薦φ400/380管母作為±1 100 kV直流母線，結(jié)合目前設(shè)備外形，建議管母對(duì)地高度18 m，且支撐管母的支柱絕緣子間距15 m為經(jīng)濟(jì)技術(shù)最優(yōu)方案?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的布置情況合理調(diào)整支撐管母的支柱絕緣子間距，但不應(yīng)大于15 m。

[1] 萬(wàn)保權(quán)，張小武，張廣洲，等. ±800 kV云廣線換流站母線電暈特性試驗(yàn)研究[J]. 高電壓技術(shù)，2008，34(9)：1788-1791.

[2] 李先志，梁明，李澄宇，等. ±1 100 kV特高壓直流輸電線路按電磁環(huán)境條件的導(dǎo)線設(shè)計(jì)[J]. 高電壓技術(shù)，2012，38(12)：3284-3291.

[3] 柏曉路，李健，等. ±1 100 kV特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境研究[J].中國(guó)電力，2014，47(10)：24-29.

[4] hartier V L，Stearns R D.Formulas for Predicting Audible Noise from Overhead High Voltage AC and DC Lines[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1981，l00(1)：121-130.

[5] 魏曉光，宗文志，王高勇，等.±1 100 kV特高壓直流換流閥外絕緣操作沖擊放電試驗(yàn)及海拔校正研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(12)：1996-2003.

[6] 張猛，王國(guó)金，張?jiān)氯A，等. ±1 100 kV特高壓干式平波電抗器絕緣設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析[J]. 高電壓技術(shù)，2015，41(5)：1760-1768.

[7] 周沛洪，何慧雯，戴敏，等.±1 100 kV直流換流站避雷器布置、參數(shù)和設(shè)備絕緣水平的選擇[J]. 高電壓技術(shù)，2014，40(9)：2871-2884.

[8] 聶定珍，馬為民，余世峰，等.±1 000 kV/±1 100 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站的絕緣配合[J]. 高電壓技術(shù)，2012，38(12)：3156-3160.

[9] 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.

[10] 陸家榆，鞠勇.±800 kV直流輸電線路電磁環(huán)境限值研究[J]. 中國(guó)電力, 2006,39(10):37-42.

[11] Moyo N.M.，Ijumba N.M.，Britten A.C. Investigating Contributing Factors to HVDC Corona Noise[C]. PES 2005 Conference and Exposition in Africa, Proceedings of the Inaugural IEEE, 2005:428-432.

[12] J.G.Anderson. Transmission Line Reference Book：345 kV and Above[M].Electric Power Research Institute,1975.

[13] H.Anis，A.Zeitoun，M EI-Ragheb, et al. Field Calculations around Non-standard Electrodes Using Regression and Their Spherical Equivalence[J]. IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems,1977,96(6):1721-1730.

[14] Maruvada P. Sarma ，W. Janischewskyj.Electrostatic Field of A System of Parallel Cylindrical Conductors[J]. IEEE Trans．on Power Apparatus and Systems，1969,88(7):1069-1079.

[15] No Authors Listed. Guidelines for Limiting Exposure to Time-varying Electric, Magnetic, and Elctromagnetic Fields (up to 300 GHz)[J]. International Commision on Non-Ionizing Radiation Protection. Health Physics,1998,74(4):494-522.

[16] DL/T 5222-2005，導(dǎo)體和電器選擇技術(shù)規(guī)定[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2005．

駱 玲(1986)，工學(xué)碩士，從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

丁曉飛(1975)，工學(xué)學(xué)士、高級(jí)工程師，從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

邢 毅(1983)，工學(xué)碩士，從事特高壓變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

包維瀚(1989)，工學(xué)碩士，從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

李龍才(1982)，工學(xué)學(xué)士、高級(jí)工程師,從事特高壓變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

楊 倫(1965)，工學(xué)學(xué)士、高級(jí)工程師，從事變電站電氣設(shè)計(jì)及管理工作。

±1 100 kV UHVDC transmission projects belong to a new voltage level in engineering applications, and the selection and arrangement of DC polar bus can refer to ± 800 kV converter station, which needs a further research and analysis. For the indoor layout scheme of ±1 100 kV polar line, the checking calculation is carried out for electromagnetic environment of three tube buses (6063G-Φ500/480, 6063G-Φ450/430 and 6063G-Φ400/380), and the recommendations are given for the arrangement of tube bus combined with the current ± 1 100 kV equipment size. The results indicate that, for these three alternative tube buses, corona would not appear when their height above ground is between 15～25 meters as well as the ground ion current density and magnetic induction would meet the requirements of relevant standards and regulations. The earth resultant electric field of each bus should be less than 25 kV/m when their height above ground is more than 18 m. Besides, the requirements of failure stress and deflection would be met when the conductor span is less than 15 m. Therefore, considering the safety and reliability of operation and the engineering economics, 6063G-Φ400/380 tube bus is recommended as ± 1 100 kV polar bus, and it is also recommended that the height should be more than 18 m and the layout span of bus should be less than 15m.

±1 100 kV converter station; DC polar bus; electromagnetic environment; mechanical force; span of tube bus

科技項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(GWJYYKJXM[2014]002)

TM85

A

1003-6954(2017)03-0021-05

2017-01-07)