±1500 kV特高压直流输电线路直线塔极间距选择

柏晓路，吕健双，刘利林，周成均，张瑚

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.南方电网能源发展研究院有限责任公司，广东 广州 510663)

为满足长距离和大容量的输电需求，国内特高压直流输电技术迅猛发展[1-7]。随着国家 “一带一路”的建设，我国特高压直流输电技术向国外输出步伐加快，未来电网向跨国、跨洲联网方向发展。从超远距离和超大容量输电、减小输电走廊等方面考虑，均有向更高电压等级输电技术发展的需求。在现有直流电压等级基础上外推，选定±1500 kV为更高的直流输电电压等级[8-9]。±1500 kV输电技术是一个全新的设计领域，国内外没有成熟的设计经验，开展±1500 kV直流输电线路直线塔极间距研究，可为±1500 kV直流输电线路的建设提供基础性支撑。在直流输电线路的本体造价中，杆塔投资占比较大。根据以往工程经验，极间距缩减10%，塔重减少约5%。在保证线路安全运行的前提下，尽可能减小极间距是控制直流输电线路塔重指标和工程造价的关键。结合目前±1500 kV特高压直流输电线路的研究成果，对±1500 kV直流线路直线塔极间距进行深入研究，为后续特高压直流输电线路的设计提供参考。

1 基本计算条件

参照±1500 kV特高压直流输电线路工程的典型设计方案[10]，基本计算条件为额定电压±1500 kV,系统输送功率24 GW,操作过电压倍数1.3～1.5,导线为10×JL1/G3A-1250/70,基本设计风速27 m/s，覆冰厚度10 mm，海拔高度0～1000 m。

导线采用双极水平排列，绝缘子串为V串布置，极导线和地线布置尺寸详见图1。

2 极间距选择的边界条件

2.1 电磁环境限值

2.1.1 合成电场和离子流密度

一般非居民区，直流架空输电线路下地面合成电场强度不应超过30 kV/m，其他合成电场强度和离子流密度限值见表1。

图1 杆塔布置

表1 合成电场强度和离子流密度限值

2.1.2 直流磁场

国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)导则对直流磁场给出一般公众的磁场暴露参考水平(1 Hz以下)为40 mT，直流磁场对人的影响比交流磁场小的多。《±800 kV直流架空输电线路电磁环境控制值》Q/GDW145-2006中规定直流架空输电线路电流产生的磁感应强度不应超过10 mT。直流线路的场强值远小于限值。

2.1.3 无线电干扰

在海拔1 km及以下地区，直流架空输电线路正极性导线对地投影外20 m处，80%时间，80%置信度，0.5 MHz频率的无线电干扰不应超过58 dB(μV/m)。

2.1.4 可听噪声

海拔1 km及以下地区，直流架空输电线路正极性导线对地投影外20 m处，电晕产生的可听噪声[11](L50)不应超过45 dB(A)；在海拔高度大于1 km且线路经过人烟稀少地区时，由电晕产生的可听噪声不应超过50 dB(A)。

2.2 绝缘子串串长和V串夹角

绝缘子串串长和V串夹角对±1500 kV直流输电线路直线塔的极间距有较大影响，需根据±1500 kV直流输电线路绝缘配置的研究结论，计算要求的最小极间距。

2.3 空气间隙

±1500 kV直流线路直线塔极间距还需满足塔头空气间隙的要求，见表2。结合±1500 kV直流输电线路空气间隙的研究结论，计算得到空气间隙所要求的最小极间距。

表2 ±1500 kV直流输电线路空气间隙值

3 极间距研究

3.1 电磁环境要求的最小极间距

直流线路的离子流密度、合成电场强度、可听噪声和无线电干扰都和直线塔的极导线间距紧密相关，一般来说，地面离子流密度和地面合成电场强度一般控制极导线高度的选择，可听噪声和无线电干扰控制极导线间距的选择。

图2和图3给出了采用10×JL1/G3A-1250/70导线时，在不同极间距下正极性导线对地投影外20 m处可听噪声和无线电干扰值，表中结果对应极导线平均对地高度为39 m。

图2 正极性导线对地投影外20 m处的可听噪声

采用10×JL1/G3A-1250/70导线，极导线平均对地高度39 m时，在不同海拔满足可听噪声和无线电干扰限值的最小极间距离为32 m。

图3 正极性导线对地投影外20 m处的无线电干扰

3.2 绝缘子串长要求的最小极间距

根据±1500 kV直流线路绝缘配合的研究结果，悬垂绝缘子串宜采用复合绝缘子，其推荐参数如表3所示。

表3 复合绝缘子长度和爬距值

轻污区和中污区考虑合并杆塔规划，不同污区的绝缘子串长可由金具调节。

绝缘子串的金具部分长度取1.8 m，联板悬挂点到联板中心水平距离取0.3 m，导线对应处塔身宽度取5.4 m，串长控制的最小极间距如图4所示。

图4 串长控制的最小极间距

绝缘子串长要求的最小极间距按极间距=(绝缘子串长×sin(V串夹角/2)+联板悬挂点至联版中心水平距离)×2+塔身宽度的公式计算。根据设计基本风速取值和杆塔规划情况，绝缘子V 串角度为85°～95°，极导线最小间距见表4。

表4 复合绝缘子串长要求的最小极间距

由表4可知，绝缘子串V串夹角对极间距的影响明显，绝缘子串V 串夹角越大，相应的极间距越大。

3.3 空气间隙要求的最小极间距

均压环到分裂导线中心的距离取1.5 m，导线对应处塔身宽度取5.4 m，考虑最小空气间隙距离，空气间隙要求的最小极间距如图5所示。

图5 空气间隙要求的最小极间距

空气间隙需要的最小极间距按极间距=(最小空气间隙距离+均压环到分裂导线中心距离)×2+塔身宽度来计算。

仅考虑空气间隙的因素，±1500 kV直流线路操作过电压倍数分别为1.3 p.u.,1.4 p.u.,1.5 p.u.时，对应的极导线最小间距分别为32 m,33.6 m,37.2 m。

4 极间距选择

直线塔极间距离主要由电磁环境、最小空气间隙和绝缘子串长及V串夹角控制。

直线塔极间距离与电磁环境限值、空气间隙、绝缘子串长及V串夹角的关系见图6。

综合考虑极间距与电磁环境、空气间隙、绝缘子串长及V串夹角的关系，±1500 kV直流线路直线塔典型V串夹角下最小极间距取值见表5。

(a)V串夹角85°

(b)V串夹角90°

(c)V串夹角95°

表5 直线塔最小极间距

5 结 论

(1)±1500 kV特高压直流线路的极间距受电磁环境、空气间隙、绝缘子串长及V串夹角控制，与操作过电压倍数和污秽等级相关。

(2)在海拔1 km以下污秽较重的平丘区段，操作过电压倍数在1.4 p.u.以下时，最小极间距可取35.7 m；操作过电压倍数在1.5 p.u.以下时，最小极间距可取37.2 m。

(3)操作过电压倍数从1.3 p.u.增加到1.4 p.u.时极间距变化不大,操作过电压倍数从1.4 p.u.增加到1.5 p.u.时,极间距增加较多,全线可按操作过电压倍数为1.4 p.u.以下和1.4 ～1.5 p.u.两种情况分别规划杆塔极间距，有利于降低工程造价。