±1500 kV特高壓直流輸電線路直線塔極間距選擇

柏曉路，呂健雙，劉利林，周成均，張瑚

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責任公司，廣東 廣州 510663)

為滿足長距離和大容量的輸電需求，國內特高壓直流輸電技術迅猛發(fā)展[1-7]。隨著國家 “一帶一路”的建設，我國特高壓直流輸電技術向國外輸出步伐加快，未來電網(wǎng)向跨國、跨洲聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展。從超遠距離和超大容量輸電、減小輸電走廊等方面考慮，均有向更高電壓等級輸電技術發(fā)展的需求。在現(xiàn)有直流電壓等級基礎上外推，選定±1500 kV為更高的直流輸電電壓等級[8-9]?！?500 kV輸電技術是一個全新的設計領域，國內外沒有成熟的設計經(jīng)驗，開展±1500 kV直流輸電線路直線塔極間距研究，可為±1500 kV直流輸電線路的建設提供基礎性支撐。在直流輸電線路的本體造價中，桿塔投資占比較大。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，極間距縮減10%，塔重減少約5%。在保證線路安全運行的前提下，盡可能減小極間距是控制直流輸電線路塔重指標和工程造價的關鍵。結合目前±1500 kV特高壓直流輸電線路的研究成果，對±1500 kV直流線路直線塔極間距進行深入研究，為后續(xù)特高壓直流輸電線路的設計提供參考。

1 基本計算條件

參照±1500 kV特高壓直流輸電線路工程的典型設計方案[10]，基本計算條件為額定電壓±1500 kV,系統(tǒng)輸送功率24 GW,操作過電壓倍數(shù)1.3～1.5,導線為10×JL1/G3A-1250/70,基本設計風速27 m/s，覆冰厚度10 mm，海拔高度0～1000 m。

導線采用雙極水平排列，絕緣子串為V串布置，極導線和地線布置尺寸詳見圖1。

2 極間距選擇的邊界條件

2.1 電磁環(huán)境限值

2.1.1 合成電場和離子流密度

一般非居民區(qū)，直流架空輸電線路下地面合成電場強度不應超過30 kV/m，其他合成電場強度和離子流密度限值見表1。

圖1 桿塔布置

表1 合成電場強度和離子流密度限值

2.1.2 直流磁場

國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)導則對直流磁場給出一般公眾的磁場暴露參考水平(1 Hz以下)為40 mT，直流磁場對人的影響比交流磁場小的多?！丁?00 kV直流架空輸電線路電磁環(huán)境控制值》Q/GDW145-2006中規(guī)定直流架空輸電線路電流產生的磁感應強度不應超過10 mT。直流線路的場強值遠小于限值。

2.1.3 無線電干擾

在海拔1 km及以下地區(qū)，直流架空輸電線路正極性導線對地投影外20 m處，80%時間，80%置信度，0.5 MHz頻率的無線電干擾不應超過58 dB(μV/m)。

2.1.4 可聽噪聲

海拔1 km及以下地區(qū)，直流架空輸電線路正極性導線對地投影外20 m處，電暈產生的可聽噪聲[11](L50)不應超過45 dB(A)；在海拔高度大于1 km且線路經(jīng)過人煙稀少地區(qū)時，由電暈產生的可聽噪聲不應超過50 dB(A)。

2.2 絕緣子串串長和V串夾角

絕緣子串串長和V串夾角對±1500 kV直流輸電線路直線塔的極間距有較大影響，需根據(jù)±1500 kV直流輸電線路絕緣配置的研究結論，計算要求的最小極間距。

2.3 空氣間隙

±1500 kV直流線路直線塔極間距還需滿足塔頭空氣間隙的要求，見表2。結合±1500 kV直流輸電線路空氣間隙的研究結論，計算得到空氣間隙所要求的最小極間距。

表2 ±1500 kV直流輸電線路空氣間隙值

3 極間距研究

3.1 電磁環(huán)境要求的最小極間距

直流線路的離子流密度、合成電場強度、可聽噪聲和無線電干擾都和直線塔的極導線間距緊密相關，一般來說，地面離子流密度和地面合成電場強度一般控制極導線高度的選擇，可聽噪聲和無線電干擾控制極導線間距的選擇。

圖2和圖3給出了采用10×JL1/G3A-1250/70導線時，在不同極間距下正極性導線對地投影外20 m處可聽噪聲和無線電干擾值，表中結果對應極導線平均對地高度為39 m。

圖2 正極性導線對地投影外20 m處的可聽噪聲

采用10×JL1/G3A-1250/70導線，極導線平均對地高度39 m時，在不同海拔滿足可聽噪聲和無線電干擾限值的最小極間距離為32 m。

圖3 正極性導線對地投影外20 m處的無線電干擾

3.2 絕緣子串長要求的最小極間距

根據(jù)±1500 kV直流線路絕緣配合的研究結果，懸垂絕緣子串宜采用復合絕緣子，其推薦參數(shù)如表3所示。

表3 復合絕緣子長度和爬距值

輕污區(qū)和中污區(qū)考慮合并桿塔規(guī)劃，不同污區(qū)的絕緣子串長可由金具調節(jié)。

絕緣子串的金具部分長度取1.8 m，聯(lián)板懸掛點到聯(lián)板中心水平距離取0.3 m，導線對應處塔身寬度取5.4 m，串長控制的最小極間距如圖4所示。

圖4 串長控制的最小極間距

絕緣子串長要求的最小極間距按極間距=(絕緣子串長×sin(V串夾角/2)+聯(lián)板懸掛點至聯(lián)版中心水平距離)×2+塔身寬度的公式計算。根據(jù)設計基本風速取值和桿塔規(guī)劃情況，絕緣子V 串角度為85°～95°，極導線最小間距見表4。

表4 復合絕緣子串長要求的最小極間距

由表4可知，絕緣子串V串夾角對極間距的影響明顯，絕緣子串V 串夾角越大，相應的極間距越大。

3.3 空氣間隙要求的最小極間距

均壓環(huán)到分裂導線中心的距離取1.5 m，導線對應處塔身寬度取5.4 m，考慮最小空氣間隙距離，空氣間隙要求的最小極間距如圖5所示。

圖5 空氣間隙要求的最小極間距

空氣間隙需要的最小極間距按極間距=(最小空氣間隙距離+均壓環(huán)到分裂導線中心距離)×2+塔身寬度來計算。

僅考慮空氣間隙的因素，±1500 kV直流線路操作過電壓倍數(shù)分別為1.3 p.u.,1.4 p.u.,1.5 p.u.時，對應的極導線最小間距分別為32 m,33.6 m,37.2 m。

4 極間距選擇

直線塔極間距離主要由電磁環(huán)境、最小空氣間隙和絕緣子串長及V串夾角控制。

直線塔極間距離與電磁環(huán)境限值、空氣間隙、絕緣子串長及V串夾角的關系見圖6。

綜合考慮極間距與電磁環(huán)境、空氣間隙、絕緣子串長及V串夾角的關系，±1500 kV直流線路直線塔典型V串夾角下最小極間距取值見表5。

(a)V串夾角85°

(b)V串夾角90°

(c)V串夾角95°

表5 直線塔最小極間距

5 結 論

(1)±1500 kV特高壓直流線路的極間距受電磁環(huán)境、空氣間隙、絕緣子串長及V串夾角控制，與操作過電壓倍數(shù)和污穢等級相關。

(2)在海拔1 km以下污穢較重的平丘區(qū)段，操作過電壓倍數(shù)在1.4 p.u.以下時，最小極間距可取35.7 m；操作過電壓倍數(shù)在1.5 p.u.以下時，最小極間距可取37.2 m。

(3)操作過電壓倍數(shù)從1.3 p.u.增加到1.4 p.u.時極間距變化不大,操作過電壓倍數(shù)從1.4 p.u.增加到1.5 p.u.時,極間距增加較多,全線可按操作過電壓倍數(shù)為1.4 p.u.以下和1.4 ～1.5 p.u.兩種情況分別規(guī)劃桿塔極間距，有利于降低工程造價。