超高海拔±800 kV直流输电线路直线塔极间距选择

柏晓路,王艳君,崔戎舰,吴墨非,陈 媛,吕健双

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司, 武汉 430071;2. 三峡大学,湖北 宜昌 443002)

0 引言

西藏自治区可开发的能源丰富,水能可开发量约1.4×108kW[1],太阳能可开发量约7×108kW,风能可开发量约1.8×108kW,水电和新能源开发潜力巨大[2],藏电外送的需求也日益迫切。

西藏自治区位于青藏高原西南部,平均海拔在4 000 m以上,素有“世界屋脊”之称。超高海拔是西藏自治区的最大特征之一,超高海拔给藏区特高压直流输电线路工程的绝缘、电磁、防雷等带来巨大挑战[3],我国目前设计的特高压直流输电线路海拔最高已达4 000 m,但对4 000 m以上甚至5 000 m海拔的特高压直流输电技术研究相对较少。

在特高压直流输电线路工程投资中,杆塔投资占比较大,而超高海拔地区的杆塔尺寸更大,其投资占比也将更大。根据以往的工程设计经验[4-5],极间距增加10%,塔质量增加约5%。在满足工程绝缘配置和电磁干扰的前提下,尽可能减小极间距是控制特高压直流输电线路工程造价的关键所在。

结合超高海拔±800 kV特高压直流输电线路电磁环境和绝缘配合的研究成果,对直线塔极间距取值进行分析和研究,可为后续超高海拔特高压直流输电线路的设计提供参考。

1 基本设计条件

参照超高海拔±800 kV特高压直流输电线路典型设计方案,基本计算条件为:额定电压为±800 kV;系统输送功率为8 000 MW;操作过电压倍数为1.4～1.6;导线型号为6×JL1/G2A-1 250/100(轻中冰区)、6×JL1/G2A-1 000/80或6×JLHA4/G2A-1 000/80(重冰区);基本设计风速为27～30 m/s;覆冰厚度为10～40 mm;海拔高度为3 500～5 000 m。

导线采用双极水平排列,绝缘子串采用V串布置,极导线和地线布置见图1。

图1 杆塔极导线和地线布置

2 极间距选择边界条件

2.1 电磁环境限值

2.1.1 合成电场和离子流密度

在一般非居民区,直流输电线路下地面合成电场强度限值为30 kV/m,其他合成电场强度和离子流密度限值详见表1。当线路邻近民房时,湿导线情况下房屋所在地面的未畸变合成电场限值为15 kV/m。

表1 合成电场强度和离子流密度限值

2.1.2 直流磁场

Q/GDW 145-2006《±800 kV直流架空输电线路电磁环境控制值》规定直流输电线路电流产生的磁感应强度限值为10 mT,实际上,直流线路的磁感应强度远小于该限值,一般不作为设计的控制条件。

2.1.3 无线电干扰

在海拔1 000 m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);海拔高度大于1 000 m时,无线电干扰限值按照3 dB(μV/m)/1 000 m线性修正。

2.1.4 可听噪声

海拔1 000 m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[12]不应超过45 dB(A);海拔高度大于1 000 m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 绝缘子串长和V串夹角

绝缘子串长和V串夹角对±800 kV直流输电线路直线塔的极间距有较大影响,应根据超高海拔±800 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

±800 kV直流线路直线塔极间距还应满足塔头空气间隙的要求,线路的空气间隙值见表2,表中A为海拔3 500 m、B为海拔4 000 m、C为海拔4 500 m、D为海拔5 000 m。结合超高海拔±800 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 ±800 kV直流输电线路空气间隙值 单位:m

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有关。根据电磁环境的计算结论,选择地面离子流密度和地面合成电场强度控制极导线高度和可听噪声控制极导线间距。图2为采用6×1 000 mm2和6×1 250 mm2导线时,在不同极间距下正极性导线对地投影外20 m处可听噪声值,可听噪声按照中国电力科学研究院得出的海拔0～4 300 m真型和模拟试验结论进行修正。

图2 导线对地投影外20 m处的可听噪声

超高海拔地区一般为人烟稀少地区,按照50 dB(A)的限值考虑,采用6×1 000 mm2导线时,在不同海拔满足可听噪声限值的最小极间距为16～18 m;采用6×1 250 mm2导线时,电磁环境限值不控制极间距。

3.2 绝缘子串长要求的最小极间距

根据±800 kV直流线路绝缘配合的研究结果,轻中冰区悬垂绝缘子串采用复合绝缘子,重冰区悬垂绝缘子串采用外伞型盘式绝缘子。

绝缘子串的金具部分长度取1.16～2.24 m,联板悬挂点到联板中心水平距离取0.25 m,导线对应处塔身宽度取3.8～4.4 m,杆塔示意图见图3。

图3 杆塔示意图

绝缘子串长要求的最小极间距按式(1)计算:

D1=[L1×sin(θ/2)+d1]×2+H

(1)

式中:D1为绝缘子串长要求的最小极间距;L1为绝缘子串长度;θ为V串夹角度数;d1为联板悬挂点至联板中心水平距离;H为塔身宽度。

根据设计基本风速取值和杆塔规划情况,轻中冰区绝缘子V串角度取85°～95°,重冰区绝缘子V 串角度取75°,轻中冰区和重冰区的极导线最小间距见表3、表4。

表3 轻中冰区绝缘子串长要求的最小极间距

表4 重冰区绝缘子串长要求的最小极间距

由表3、表4可知,绝缘子串V串夹角对极间距离的影响明显,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

±800 kV直流线路操作过电压倍数标幺值一般为1.4～1.6,根据工程实际操作过电压分布曲线,考虑按标幺值1.52和1.60操作过电压倍数进行差异化设计,带电作业间隙是塔头间隙的控制条件。

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3.8～4.4 m,考虑带电作业间隙的杆塔示意图见图4。

图4 考虑带电作业间隙的杆塔示意图

空气间隙需要的最小极间距按式(2)计算:

D2=(L2+d2)×2+H

(2)

式中:D2为空气间隙需要的最小极间距;L2为最小带电作业间隙距离;d2为均压环到分裂导线中心距离。

仅考虑空气间隙的因素,±800 kV直流线路操作过电压倍数标幺值分别为1.52、1.60时,对应的极导线最小间距见表5。

表5 空气间隙要求的最小极间距

4 极间距选择

直线塔极间距主要由电磁环境、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5。

图5 不同海拔下的最小极导线间距

由图5可知,轻中冰区直线塔的极间距受空气间隙、绝缘子串长及V串夹角影响较大,进行杆塔规划和设计时,需统筹考虑操作过电压倍数、海拔和污秽等级;而重冰区直线塔的极间距主要由绝缘子串长控制,可按海拔和分级进行杆塔规划和设计。

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,±800 kV直流线路直线塔典型V串夹角下最小极间距取值见表6—表8。

表6 轻中冰区直线塔最小极间距(标幺值1.52)

表7 轻中冰区直线塔最小极间距(标幺值1.60)

表8 重冰区直线塔最小极间距

5 结论

结合超高海拔±800 kV特高压直流输电线路的电磁环境和绝缘配置研究成果,对直线塔极间距进行深入分析和研究,得出结论如下。

1) 电磁环境对超高海拔±800 kV特高压直流线路的极间距选择基本无影响。

2) 超高海拔轻中冰区直线塔的极间距受空气间隙、绝缘子串长及V串夹角影响较大,进行杆塔规划和设计时,须统筹考虑操作过电压倍数、海拔和污秽等级。V串夹角取85°时,其极间距取值为22.6～25.2 m。

3) 超高海拔重冰区直线塔的极间距主要由绝缘子串长控制,可按海拔和分级进行杆塔规划和设计,其极间距取值为24.42～28.74 m。

4) 由于电磁环境对极间距选择基本无影响,耐张塔的极间距考虑对相邻直线塔偏角影响即可,后续可在直线塔极间距研究结论的基础上深化研究。