交流750 kV紧凑型输电线路导线选型及分裂方式研究

2010-05-12席晓丽谭海龙张小力刘宝林

电网与清洁能源 2010年6期

席晓丽，高振，谭海龙，张小力，杨林，刘宝林

（1.西北电力设计院，西安 710075；2.延安市供电局，陕西延安 716000）

0 引言

随着电力工业的发展，输电线路走廊问题日益严峻。采用紧凑型线路可有效改善走廊拥挤问题，同时提高输电能力，改善电磁环境，降低单位容量输电成本。

导线是输电线路最主要的部件之一，它对线路输送容量、传输性能、环境问题(电晕、无线电干扰、噪声等)及技术经济指标都有很大影响。输电线路投资中，架线工程投资占较大比例，加上导线方案变化引起的杆塔和基础工程量的变化，对整个工程造价影响极其巨大，直接关系到整个工程的建设费及建成后的技术特性和运行成本。因此，对导线电气、机械和经济性等都提出了严格要求[1-2]。

1 国内外研究现状

1）国外情况。从20世纪70年代开始，美国、前苏联、巴西、意大利就相继开始紧凑型输电技术的研究。意大利曾于20世纪80年代末在1000 kV特高压示范工程中建成了一条长2 km的紧凑型工业性试验线路；从1984年至今，巴西先后建成并投运了2000多km的500 kV紧凑型线路。

2）国内情况。我国对紧凑型输电技术的研究起步相对较晚。20世纪80年代初，“七五”科技攻关完成了500 kV紧凑型拉 “V”塔和紧凑型柔索塔的研究。1994年投运第一条紧凑型输电线路220 kV安定—廊坊线。1999年，建成第一条500 kV紧凑型线路昌平—房山线，相导线呈倒等边三角形布置，相间距离6.7 m，提高自然功率约34%。近年来，紧凑型输电技术在我国500 kV输电线路上得到了广泛的推广应用，河南—河北200多km，内蒙—河北2条各200 km，南网天广四回300 km，东北500多km，还有河南、湖南、山东等省都相继建设了500 kV紧凑型输电线路，见参考文献[3]。

2 导线选型原则

导线选型除了要按经济电流密度选择外，还要按电晕、无线电干扰和可听噪声等条件进行校验，并按年费用最小法进行经济分析。

根据以往工程设计经验及参考文献[4]中相关规定，紧凑型线路电磁环境应达到常规型线路的一般水平。导线表面工作场强与起晕场强的比值控制在0.80～0.85；距送电线路边相导线投影外20 m处、80%时间、80%置信度、频率0.5 MHz时的无线电干扰限值在55～58 dB，湿导线条件下的可听噪声限值在55～58 dB。为平衡三相线路参数，紧凑型线路导线选型时，应尽量做到每相电荷平衡，每根子导线电荷基本平衡。

3 导线选型及排列方式研究

导线选型首先要根据电流密度确定所用导线铝截面。不同国家、不同时期的电流密度都将不同，文中电流密度取0.7 ～1.0 A/mm2作为导线初选的参考值。根据GB 1179-1983《铝绞线及钢芯铝绞线》和GB 1179-1999《圆线同心绞架空导线》，结合以往750 kV输电线路设计经验，提出以下7种导线进行型号选择，导线参数见表1。

表1 导线参数

3.1 导线载流量及最大输送容量

根据《110 kV～750 kV架空输电线路设计规程》，钢芯铝绞线按照＋70℃进行载流量验算。正常每相流过的电流为2431 A；事故时每相流过的电流为4052 A，功率因数0.95，最大负荷利用小时数4000 h。通过计算，参加比对的7种导线均满足输送容量的要求。

3.2 导线排列结构、相分裂根数及布置

紧凑型线路的一个主要问题，就是选择适当的相导线排列方式、分裂根数n、子导线的合理布置和导线束的排列结构。布置方案的确定直接影响到导线表面场强、线路走廊、线路自然功率、无线电干扰强度和地面场强等诸多方面。

3.2.1 相导线排列结构

对相导线按等边三角形、等边倒三角形、等腰三角形、等腰倒三角形和常规水平排列布置5个方案进行电气计算，从而得出最优的相导线排列方式，计算结果见表2。

表2 不同导线排列方式下导线电气性能

计算结果表明：

1）正等边与倒等边、正等腰与倒等腰三角形的自然输送功率分别基本相当。水平排列时输送功率最小。

2）等腰三角形的电磁环境略优于等边三角形排列，但均满足限值要求。

3）倒（等边、等腰）三角形的电磁环境与电晕损耗均优于正（等边、等腰）三角形。

4）倒三角排列线路走廊比正三角减少近15 m。在山区，铁塔高度受边线控制，倒三角形边线相对较高，能有效减小塔高和对树木的砍伐。倒三角形结构上便于三相布置在同一塔窗内，且绝缘子串组装方式较正三角形的简单。我国已建成或在建的紧凑型单回路线路都采用倒三角形布置。因此，单回路相导线推荐采用倒三角排列。

5）在倒三角形布置中，因下导线“V”串夹角的不同，可布置成等边或等腰三角形。倒等边三角形方案较倒等腰三角形自然输送功率大52 MW左右。相导线推荐采用倒等边三角排列方案。

对于紧凑型线路，子导线布置方式和导线排列结构对自然功率、导线表面场强、电荷不平衡度、无线电干扰水平、可听噪声、线路走廊等电气性能都有影响。根据500 kV紧凑型研究经验，紧凑型由于压缩相间距离而要在750 kV普通线路基础上增加分裂根数，以达到电磁环境要求，因此分裂根数要大于6分裂；7分裂需要重新研制配套金具；8分裂方案的自然传输功率最大，电磁环境最好。综上，下面仅对8分裂结构进行子导线排列方式和导线排列结构的分析。

3.2.2 子导线的布置方式

相导线采用8分裂结构，子导线的布置方式拟定4种方式：外接圆1，顶部1根导线；外接圆2，顶部2根导线；外接横椭圆（长轴在水平方向，长短轴比2∶1）；外接竖椭圆（长轴在垂直方向，长短轴比2∶1）；如图1所示。

图1 各种子导线布置方式示意图

经对上述3种方案进行计算，得出电荷不均匀度结果见表3。

子导线外接圆方案与外接椭圆方案的子导线表面场强、线路走廊、无线电干扰水平、可听噪声和电晕损失相当，外接椭圆方案子导线电荷不均匀程度远大于外接圆方案（最大不均匀度达到22.52%），故推荐外接圆方案。外接圆2方案电荷不均匀度略优于外接圆1方案，因此从电荷不均匀度方面考虑推荐外接圆2方案。

3.2.3 导线分裂间距

从电气方面看，有一个最佳分裂间距。在最佳分裂间距时，导线的表面电场强度最小，但是限制次档距振荡要求的分裂间距与最佳电气性能要求的分裂间距是矛盾的。我国500 kV交、直流线路采用的s/d的比值为15.0～18.7，国内750 kV输电线路工程s/d值也在15.0以下；从国外经验看，美国345～750 kV线路，无论导线截面大小基本上均采用18.0。

子导线不同分裂间距的线路自然功率和电磁环境是不同的，以下拟订3种不同分裂间距的布置方案进行计算，结果见表4。

表3 电荷不均匀度

表4 不同分裂间距下导线电气性能

计算表明，在相导线型号、分裂根数和相间距离一致的情况下，增加导线分裂间距，线路自然功率、无线电干扰、可听噪声和电晕损失均有所增加。综合考虑，在满足电磁环境限值的前提下，从提高输送功率的角度出发，推荐分裂间距为400 mm。

3.2.4 小结

三相水平排列难以提高自然输送功率，一般不采用。三角形排列方式，具有几何均距小、三相导线对称度好、线路通道窄的优点，国内外建设的紧凑型线路基本采用三角形排列方式，所以推荐按倒三角形排列方式进行相导线布置规划。子导线排列推荐外接圆方案。

3.3 导线电晕

设计超高压输电线路时，线路的电晕特性是重点考虑的问题之一。电晕特性的优劣可通过以下因素进行考查：电晕损耗、无线电干扰、可听噪声、电视干扰、臭氧量等。

起晕场强采用修正Peek公式计算，见式（1）；导线表面场强采用麦克斯韦方程法确定，见式（2），计算结果见表5。

表5 各种导线方案起晕场强、表面场强、E m/E0

从表5看出，单根导线直径越小，起晕场强越高。海拔高度越高，起晕场强越低。导线电晕特性优劣最终取决于导线表面工作场强与导线临界场强的比值，Em/E0宜小于0.85。前3种导线已不能满足表面最大场强小于0.88 E0的要求。

3.4 电晕损失及电能损耗

年平均电晕功率损失为导线在各种天气条件下（好天、雪天、雨天、雾淞天）产生的电晕功率损失总和，计算公式见参考文献[5]。电晕损耗、电阻损耗及电晕损耗占电阻损耗的比值见表6。

由表6看出，相同分裂根数，直径越小，电晕损失越大。各种导线中，8×JL/G3A-450/32的电晕损耗最小，其次是8×LGJ-400/50和LGJ-310/50。导线的起晕场强、工作场强和电晕损失跟不同表面粗糙系数有很大关系，选择优质导线对工程本身有着重大意义。电阻损耗主要与一相导线的总截面有关，同时受最大负荷利用小时数影响。8×LGJK-310/50的电阻损耗最大，8×JL/G3A-450/32的电阻损耗最小。随着最大负荷利用小时数的降低，电晕损耗占电阻损耗的比重在增大。

表6 电阻、电晕损耗及所占比例值

3.5 无线电干扰

无线电干扰是导线电晕的主要派生效应之一，直接反映了输电线路对附近无线电设施的影响程度。采用激发函数法计算，高海拔按照每升高300 m，干扰值增加1 dB修正，计算结果见表7。

表7 各方案无线电干扰 dB

由表7看出，随着分裂根数增多，直径增大，无线电干扰水平降低。在海拔2000 m处时，6、7分裂导线已经不满足58 dB要求。

3.6 可听噪声

超高压架空输电线路上电晕所产生的可听噪声强度取决于导线的几何特征、电压和天气条件。750 kV紧凑型线路的可听噪声必须与无线电噪声一起加以考虑，并且在许多情况下它对导线选择起着更为重要的作用。坏天气条件下的可听噪声水平是衡量架空输电线路整体噪声水平的一个特征量。我们用“湿导线可听噪声”水平来表征上述自然天气条件下的高压输电线路可听噪声水平，计算方法见参考文献[6]，计算结果见表8。

表8 湿导线情况下的可听噪声 dB

由表8看出：随着分裂根数的增加，湿导线的可听噪声逐渐变小。2000 m海拔时，6×JL/G2A-500/35已不满足58 dB的要求；海拔2500 m时，6、7分裂其余导线也均不满足58 dB的要求，8分裂导线可听噪声有明显优势。通过以上比较，机械特性、经济性比较只考虑8分裂的3种导线。

3.7 线路造价分析

导线费用在输电线路造价中占有较大比重，导线选型对杆塔和基础的费用影响较大。因此进行造价分析是十分必要的。

1）导线用量差价、导线型号对杆塔高度影响、过载能力、耐张串强度比较。线路长度按单km计算，各种导线方案的使用量见表9。不同导线的弛度不同，则同样高度的杆塔的使用档距不同，其结果将导致线路中杆塔基数的差异，最终影响线路造价。在进行导线弛度计算时，安全系数取2.5，平均运行张力为导线破坏张力的25%，各种导线在高温情况下的弧垂见表9。对750 kV紧凑型线路，耐张绝缘子强度由导线最大张力确定。由于各型号导线最大张力相差较大，因此需对耐张绝缘串所受最大张力进行计算。导线的过载能力按70%的导线破坏张力进行验算，计算结果见表9。

表9 不同导线用量差价、对杆塔高度影响、过载能力、耐张串强度比较

由表9看出：扩径导线的费用最低，具有明显节省投资的优势。JL/G3A-450/32高温弧垂最大，其次是LGJ-400/50，8×LGJK-310/50的弧垂最小。弧垂愈小对杆塔高度愈有利。导线最低点张力按70%的导线破坏张力进行验算，覆冰厚度超过设计值20%的情况下，上述各种导线型号在工程中使用是安全的。

2）不同导线型号对杆塔设计的影响。不同导线方案，每相线条荷载百分比（以8×LGJ－400/50为基准）如表10所示。

表10 导线线条荷载

由表10看出，线条荷载最大的是8×JL/G3A-450/32。导线荷载越小，对杆塔设计越有利。扩径导线8×LGJK-310/50和8×LGJ-400/50相比，直径相同，因此水平风压相同；但由于扩径导线单重小，因此垂直荷载比8×LGJ-400/50小16%。风荷载对塔重影响较大，对垂直荷载影响很小，因此2种导线在塔重方面差异不大。

3.8 经济比较

按电力工业部(82)电计字第44号文《颁发“电力工程经济分析暂行条例”的通知》第十五条经济计算——年费用最小法进行计算分析。

线路工程简化计算公式为：

式（3）中，fNF表示年费用。经济使用年限按30 a计算，按第一年投资60%，第二年投资40%，最大负荷利用小时数按4000 h，设备运行维护费率为1.4%，回收率按8%、10%、12%3种利率计。计算结果见表11 ～14。

计算表明，不同回收率时，8×LGJ-400/50的年费用具有明显优势，其次是8×JL/G3A-450/32导线。8×LGJK-310/50年费用最大，但随着回收率增加，该导线和8×LGJ-400/50的年费用相对比值逐渐减小，甚至优于其它2种导线。从初投资来看，8×LGJK-310/50能大大节省初投资，每km比8×JL/G3A-450/32节省投资约23万元，从节约初投资角度出发，推荐扩径导线；从经济性角度出发，推荐8×LGJ-400/50导线。

3.9 扩径导线

输电线路电晕的发生不仅增加功率损耗，更重要的是其派生效应，如无线电干扰和可听噪声等成为影响环境的制约因素。为了满足限制电晕的要求，导线应有足够的外径和光洁的表面。但输电容量所需的导体截面和导线结构有时达不到限制电晕的要求，一般情况下只能加大导线的规格和导线分裂根数，这既浪费了导体，又增加了杆塔荷载，从而影响工程造价。在保证输电导体截面情况下，将导线直径扩大，就会使导线截面增大，并且外径和表面都能满足电晕的要求，从而减少导线的总重量，大量节约导电铝材料，减少铁塔荷载和结构重量，大大降低线路投资。