750 kV紧凑型输电线路导线表面电场强度优化

郭琳霞,龚有军

(1.广东省电力工业学校,广州市,510520;2.广东省电力设计研究院,广州市,510663)

0 引言

高电压等级紧凑型输电线路由于电压等级高、相间距离短,其电磁环境一般不够友好。由于子导线之间的互相影响,子导线在等圆周排列方式下的表面电场强度分布并不均匀。靠近相导线几何中心的子导线表面电场强度相对较高,而远离相导线几何中心的子导线表面电场强度相对较低。

导线表面电场强度的不均匀性增大了导线表面最大电场强度,不利于控制线路由于电晕产生的无线电干扰与可听噪声。苏联曾对330和500 kV紧凑型线路的子导线排列方式进行了优化[1],国内也在 220和330 kV线路上采用了倒梯形的排列方式以优化导线表面电场强度[2],并对 500 kV紧凑型线路的子导线优化排列进行了探讨[3],但是还未曾对八分裂及以上线路的子导线的优化排列进行探讨。本文对某750 kV单回紧凑型线路的子导线排列方式进行优化,并分析了优化排列方式对电气参数的影响,所得结论可以为我国超高压紧凑型输电线路的建设提供一定的参考。

1 导线表面电场强度计算方法

假设n条对地平行的架空导线,和大地构成一个多导线系统,则每根导线 i的对地电位ui与该导线上的线电荷密度qi的关系如式(1)所示。

式中:ui为导线i的对地电位;qi为导线i的电荷密度;Pij为导线i与导线j的互电位系数;Pii为导线i的自电位系数。

式中:hi为导线i的平均对地高度;ri为导线i的半径; Dij为导线i与导线j的镜像之间的距离;dij为导线i与j之间的距离;ε0为真空介电常数。

将式(1)写成矩阵形式,即

式中:P为电位系数矩阵;U为子导线的电压列矩阵; Q为子导线的电荷列矩阵,导线上的电荷Q=P-1U。

求出导线的等效线电荷后,按下式即可求得导线表面电场强度[4]。

式中:qi、qj、ri、dij、ε0的意义与前相同;π为圆周率; φi-φj的意义如图1所示。

图1 导线i表面任1点p处场强计算示意图Fig.1 Diagram of electric field intensity calculation at p point of ith conductor surface

2 导线表面电场强度优化方法

2.1 目标函数

为了直观地表示子导线表面电场强度的不均匀度,引入式(6)作为目标函数。

式中:Emax为相导线的最大表面电场强度;Emin为相导线的最小表面电场强度;Eaver为相导线的平均表面电场强度。

目标函数f的值越小,子导线表面电场强度分布就越均匀。

2.2 边界条件

当子导线之间的距离与导线直径之比在 10左右时,可能出现严重的次档距振荡,对金具造成磨损甚至造成事故[5]。除了减小线路的档距之外,减弱线路次档距振荡的方法就是将子导线之间的距离增大至导线直径的 15～18倍[6]。根据资料,目前国际上已经投运的 750 kV线路中,分裂间距最短为320mm,子导线直径为27 mm,分裂间距与导线直径之比为 11[7]。因此,综合工程实际运用情况与避免子导线次档距振荡的要求,在优化过程中,子导线之间的距离应大于350mm。

此外,由于750 kV紧凑型输电线路的电压等级高、相间距离相对较小,导线表面电场强度较大;加之线路所处地区海拔较高,导线起晕场强相对较低,线路电晕损失较大[8-10]。因此,考虑到控制线路电晕损失的要求,参考Q/GDW 179—2008《110～750 kV架空输电线路设计技术规定》,750 kV紧凑型输电线路导线表面电场强度与电晕起始场强之比不得大于0.88。

2.3 优化方法

子导线远离相导线中心将减小其他子导线对其自身的屏蔽,从而增大该子导线的表面电场强度,降低与之相邻的子导线的表面电场强度;反之,子导线靠近相导线中心则会增大其他子导线对其自身的屏蔽,降低该子导线的表面电场强度,增大与之相邻的子导线的表面电场强度。因此,对于表面电场强度高于线路平均电场强度的子导线,可以让其相对靠近导线的中心,增大其他子导线对其的屏蔽;对于表面电场强度低于平均场强的子导线,可让其相对远离子导线的中心,减小其他子导线对其的屏蔽。

3 工程应用

3.1 750 kV紧凑型输电线路导线表面电场强度分布

相导线采用倒等三角形排列方式,相间距离10m,最下相导线平均对地高度19.67 m;每相导线采用8× LGJ-400/35,分裂间距400mm,导线弧垂15 m;地线采用2根GJ-90,地线间距11m。计算得到空间各子导线的表面电场强度分布如图 2所示,图 2中电场强度单位为kV/cm。可见,子导线等圆周排列方式下的导线表面电场强度分布很不均匀,以边相导线为例,子导线表面场强的最大值为17.11 kV/cm,最小值为14.99 kV/cm,前者比后者大14.14%。

图2 导线表面电场强度分布示意图Fig.2 Electric-field intensity distribution of sub-conductor surface

3.2 优化方案

750 kV紧凑型输电线路导线采用 8×LGJ-400/35,对子导线的排列方式进行优化,得到如图 3所示的优化方案示意图。其中,距离标记是子导线之间的距离,mm;角度标记是各子导线与相导线中心之间的连线的夹角。优化排列后,相导线中心的位置不变。

图3 子导线优化排列示意图Fig.3 Optimized arrangement of sub-conductors

图4为子导线均匀排列示意图,图 5给出了图 4所示子导线均匀排列与图 3所示子导线优化排列情况下的导线表面电场强度分布对比情况。从图 5可以看出,在子导线均匀排列方式下,边线导线的表面电场强度不均匀度为15.31%,中相导线的表面电场强度不均匀度为12.8%;在优化排列方案下,边相导线表面电场强度不均匀度为 1.58%,中相导线表面电场强度不均匀度为 0.67%。可见,通过改变子导线的排列方式,可大幅度降低导线表面电场强度分布的不均匀度。

4 对电气参数的影响

表1给出了子导线优化方案与均匀排列方案的电气参数比较。可以看出,子导线优化排列后线路下方的工频电场的变化较小,幅度不到 3%,且均小于10 kV/m,符合国家关于 750 kV线路地面电场的相关规定[11]。这是因为,子导线优化排列改变的是子导线之间的相互位置,不是以增大线路导线束的等效半径为目的,也就不会显著增大线路的等效对地电容。因此,子导线优化排列对地面电场的影响不大。此外,子导线排列方式优化前后电晕损失基本不变,主要是由于优化排列主要的目的是减小不同子导线表面电场强度之间的差异,对线路的导线表面平均场强影响很小。

通过优化子导线的排列方式,改变它们之间互相影响的程度,可以降低导线表面的最大电场强度,大幅度优化子导线的场强分布。其中,表面电场强度不均匀度可由原来的约15%降为约1.5%,减小了1个数量级。由此带来了电晕电磁环境的改善。优化后,线路的无线电干扰下降了1.6 dB,可听噪声下降了2.5 dB。考虑到分贝的定义,线路的无线电干扰强度与可听噪声强度分别下降了31%与 44%。

表1 子导线优化前后的电气参数对比Tab.1 Contrast of electric parameters before and after optim ization

5 与其他优化措施的比较

在子导线均匀排列方式下,将750 kV紧凑型输电线路的无线电干扰与可听噪声分别降低 1.6与2.5 dB所需采取的技术措施及其经济技术对比如表2所示。可见,相对于增大子导线直径、减小分裂间距与增加导线对地高度等措施,子导线优化排列可在不损失线路自然功率、不增大工程一次投资的情况下降低线路的无线电干扰和可听噪声,具有一定的优势。但是多分裂导线的优化排列的还未见有应用的相关报道,且需要研制相应的特殊金具。因此,在采用子导线优化排列方式之前,还应对导线束的力学特性进行深入系统的研究。

表2 不同优化方案的比较Tab.2 Comparison of various optim ization schemes

6 结论

(1)子导线优化排列后,可大幅度降低导线表面电场强度不均匀度,线路的无线电干扰强度与可听噪声强度分别降低31%与44%。

(2)子导线优化排列后,线路的电抗、电容、电晕损失、地面电场和自然功率基本不变。

(3)相比其他改善线路电磁环境的措施,子导线优化排列可在不损失自然功率,不增大一次投资的情况下改善线路的电磁环境,但是其力学特性还有待深入研究。

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