±1 100 kV直流线路极间距优化研究

何岩，钱文姝，朱永平，谭浩文，张小力

（1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西西安 710075；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710100）

21世纪的前十年，云南—广东、向家坝—上海、锦屏—苏南等±800 kV特高压直流输电工程相继完成设计、建设、投运，这是我国第一代±800 kV特高压直流输电工程。由于当时对±800 kV的研究仍处于早期阶段，在这3个工程的设计中，没有对极间距进行有针对性的、系统完整的研究。自2011年开始，哈密南—郑州、溪洛渡—浙西、灵州—绍兴、酒泉—湖南等±800 kV特高压直流输电工程由于有了之前工程积累的理论研究和运行经验，开始在极间距的优化方面开展研究，并不断取得新的进展，取得了较成熟的成果（一般认为控制极间距的因素包括电磁环境、绝缘子串长及夹角、空气间隙等[1-2]）。

准东—华东±1 100 kV特高压直流工程是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最长的直流输电工程，自身技术要求和外部客观环境与以往的±800 kV特高压直流工程有较大差异，电磁环境、绝缘子串长、空气间隙等控制因素有较大改变，必将引起极间距的改变[3-6]。直流线路的极间距对塔头尺寸、杆塔重量和对地距离、电磁环境有巨大的影响，进而影响着工程造价、走廊宽度、环保水平等，因此，选择合适的极间距具有重大的经济效益和社会效益。

1 电磁环境和极间距的关系

1.1 导线表面场强

直流线路电晕放电的严重程度直接和导线表面电场强度有关。导线表面场强取决于导线直径、分裂根数、导线对地平均高度、极间距和极对地电压等[7-10]。双极高压直流输电工程一般采用文献[13-15]推荐的曼哥尔特公式计算导线表面场强。采用8×JL1/G3A-1250导线，导线表面场强与极间距的关系如图1所示。

图1 导线表面场强与极间距的关系Fig.1 Relationship between surface electric field intensity of conductor and polarity distance

由图1可知，导线表面场强随着极间距的增加而减小，极间距每增加1 m，导线表面场强减小约0.5%～0.9%，随着极间距的增大，减小的趋势逐渐变小。

1.2 地面合成场强和离子流密度

合成场强和离子流密度的计算方法有3种，第一种是解析计算法[15-17]，第二种是有限元法[18-19]，第三种是半经验公式法[20]。本文采用半经验公式法，海拔高度取1 000 m，8×JL1/G3A-1250导线对地距离取25 m，地面合成场强与极间距的关系见图2，地面离子流密度与极间距的关系见图3。由图2和图3可知：

1）地面合成场强随着极间距的增大而略微增大，增大趋势逐渐变缓。离子流密度随极间距的变化具有拐点，以拐点为界呈现不同的变化趋势。原因在于极间距增加时，导线表面最大场强减小，电晕程度减小，正、负极导线放电程度减小，正、负离子数量减少，使得地面合成场强和离子流密度减小。

2）极间距增加时，地面出现最大合成场强和最大离子流密度的位置正、负电场抵消程度减小，使得地面最大合成场强和离子流密度增加。

这2种影响因素的叠加，使得地面合成场强和离子流密度随极导线间距的变化具有拐点。

图2 地面合成场强与极间距的关系Fig.2 Relationship between ground total field and polarity distance

图3 地面离子流密度与极间距的关系Fig.3 Relationship between ground ion current density and polarity distance

地面合成场强在晴天时不超过30 kV/m，雨天时不超过36 kV/m；离子流密度晴天不超过100 nA/m2，雨天不超过150 nA/m[21]，由此可知极间距基本不受两者的控制。

1.3 无线电干扰和可听噪声

无线电干扰计算主要有CISPR公式和EPRI公式，本文采用文献[22]推荐采用CISPR公式。可听噪声计算主要有BPA公式和EPRI公式，本文采用EPRI公式。中国电力科学研究院在特高压直流试验基地和西藏高海拔试验基地进行了2 a直流线路电磁环境真型试验，结果表明直流线路可听噪声增加量只有按美国EPRI推荐的海拔修正量的30%左右，并且在海拔较低时的可听噪声增加量比海拔较高时的增加量大，推荐按海拔每增加1 000 m，可听噪声增加2.2 dB修正。

导线平均高度取32 m，极间距与无线电干扰的关系见图4，极间距与可听噪声的关系见图5。

图4 无线电干扰与极间距的关系Fig.4 Relationship between radio interface and polarity distance

图5 可听噪声与极间距的关系Fig.5 Relationship between audible noise and polarity distance

由图4和图5可知：无线电干扰随极间距的增加而减小，平均变化陡度约-0.46 dB/m；可听噪声随极间距的增加而减小，平均变化陡度约-0.79 dB/m。可听噪声对极间距起主要控制作用。地面合成电场强度、离子流密度、可听噪声和无线电干扰都与极间距有关，地面离子流密度和地面合成电场强度一般靠合理选择极导线高度加以控制，而控制可听噪声和无线电干扰首先需考虑选择合理的极间距，其中可听噪声问题已经成为特高压输电线路导线设计的最重要的影响因素[23-24]。导线平均高度取32 m，采用8×JL1/G3A-1250导线，计算不同极间距的可听噪声如表1所示。

表1 可听噪声Tab.1 Audible noise

文献[26-27]规定，在海拔1 000 m及以下地区，距直流架空输电线路正极性导线对地投影外20 m处，由电晕产生的可听噪声不应超过45 dB；在海拔高度大于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应控制在50 dB以下。在海拔1 000 m以上地区主要是人烟稀少地区，按照可听噪声不超过50 dB考虑，对于海拔1 000 m以上地区居民区地段，可采用抬高导线高度的方式降低可听噪声，以满足规定。

由此得到电磁环境（可听噪声起控制作用）要求的最小极间距，见表2。

表2 电磁环境要求的最小极间距Tab.2 The minimum polarity distance under the requirement of electromagnetic environment

由表2可知，在海拔1 000 m及以下，按45 dB控制的最小极间距为22 m；海拔高度大于1 000 m且线路经过人烟稀少地区时，按50 dB控制，那么海拔2 000 m最小极间距为18 m，海拔3 000 m最小极间距为20 m。

2 空气间隙与极间距的关系

在正极性直流电压下，放电电压与间隙距离呈线性关系，并且与棒-棒、棒-板的试验结果很接近，在负极性直流电压下，电极形状对放电电压有一定的影响，分裂导线对塔身间隙的放电特性更接近棒-板的情况。直流工作电压要求的空气间隙远小于冲击电压要求的间隙距离，在杆塔间隙设计时一般不考虑工作电压。

对于特高压直流线路而言，一般不考虑雷电过电压情况。因为直流换流阀在直流线路遭受雷击时，换流阀很快动作，由换流状态转换为逆变状态，对线路进行抽能和去空气游离电子作用，然后重新启动，时间极短，全过程不超过100 ms，基本不影响线路连续运行，因此塔头间隙设计时一般不考虑雷电过电压影响。

影响特高压直流线路塔头间隙设计的主要是操作过电压，根据文献[27-28]，±1 100 kV操作过电压倍数分别取1.50 pu和1.58 pu，不同海拔下空气间隙见表3。考虑均压环边缘到分裂导线中心的水平距离为1.7 m，均压环外径1.2 m，导线对应处塔身宽度4.2m，则得到空气间隙要求的最小极间距见表4。

表3 ±1 100 kV线路空气间隙Tab.3 Air gaps of±1 100 kV Line m

表4 空气间隙要求的最小极间距Tab.4 Minimum polarity distance under the requirement of air gaps m

3 绝缘子串长与极间距的关系

截止目前，我国特高压直流线路工程中的悬垂串均采用复合绝缘子，由于其表面的硅橡胶具有憎水性和憎水迁移性、形状系数大、表面电阻大等优点，它的污秽闪络电压比瓷绝缘子高2～3倍。

根据文献[27-28]，±1 100 kV线路采用复合绝缘子，不同海拔下的绝缘子长度见表5。

表5 ±1 100 kV复合绝缘子长度Tab.5 Composite insulator length of±1 100 kV Linem

考虑金具的长度0.9 m，联板悬挂点到联板中心0.4 m，端部塔身宽度4.2 m，绝缘子V串夹角分别取75°、105°时，绝缘子串长要求的最小极间距见表6。

表6 绝缘子串长要求的最小极间距Tab.6 The minimum polarity distance under the requirement of composite insulator length

由表6可知，绝缘子串长和V串夹角对极间距的影响很明显，在绝缘子串长相同条件下，风速越大要求的绝缘子V串夹角越大，极间距也相应增大。

4 导线对地距离与极间距的关系

图6 导线对地距离和极间距的关系Fig.6 Relationship between ground clearance and polarity distance

由图6可知，导线对地距离与极间距成正比，极间距增加，导线最小对地高度也增加。极间距每增加1 m，导线对地距离增加约0.05～0.08 m，增加程度非常小。

5 走廊宽度与极间距关系

确定线路的走廊宽度的目的，在于明确房屋拆迁的范围。走廊宽度越宽，房屋拆迁范围越大，随着社会经济的发展，房屋拆迁的难度越来越大。减小走廊宽度，减少房屋拆迁量，有利于工程的顺利实施，有利于社会稳定。

一般将输电走廊定义为从架线走廊中心起，到可听噪声、无线电干扰、电场效应为最小限值处所确定的水平范围[29]。我国《±800 kV直流架空输电线路设计规范》（GB 50790—2013）中规定，极导线外7 m内有人居住房屋必须拆除，7 m以外房屋所在地面未畸变合成电场不得超过15 kV/m，按照这2条原则，可以将线路走廊定义为核心区和缓冲区两类[17]。一般将缓冲区宽度作为线路走廊宽度。

对于直流线路，一般按民房所在位置的电场限值确定线路走廊宽度。本文对在不同海拔下、极间距不同时的地面合成场强进行了计算，确定了相应的线路走廊宽度，见图7。

图7 走廊宽度和极间距的关系Fig.7 Relationship between corridor width and polarity distance

由图7可知，走廊宽度与极间距成正比例关系，极间距越大，走廊宽度越宽。极间距每增加1 m，走廊宽度增加约1.11～1.26 m。

6 铁塔质量与极间距的关系

直线塔的极间距决定了其塔头尺寸，从而影响到铁塔的钢材量。本文选取27 m/s风、10 mm冰气象区，以该系列的Z27102A1为代表塔型，分析铁塔重量与极间距的关系，如图8所示。

由图8可知，极间距每增加1 m，塔重平均增加2%；呼高每增加1 m，塔重平均增加1%。相比而言，极间距对塔重影响更大。因此，在减轻塔重方面，压缩极间距比降低呼高的效果更明显。

中华民族向来讲究“三纲五常、四维八德”，重视人伦亲情。我国众多文人雅士、道德楷模都有着高尚的道德情操。中华古代故事中：卧冰求鲤、彩衣娱亲、举案齐眉等都是对于孝道、夫妻相处之道的积极表现，人伦道德中道义、忠信、名节等高尚情操都在传统文化中表现得淋漓尽致。中华传统文化蕴含着厚重的道德追求和精神价值。对于提高人们道德水准，增强社会责任感都具有现实意义和借鉴作用。

图8 铁塔重量、呼高和极间距的关系Fig.8 Tower weight，height and polarity distance

7 经济性分析

7.1 电晕损耗和极间距的关系

直流电晕损耗的大小受到很多因素的影响，其中有些因素是随机的。文献[30]将直流输电线路的影响因素分为电压影响、线路结构影响、架空地线影响、导线表面状况和气象条件5个方面。文献[31]指出，在估算电晕损耗时，一般将全年天气分成四类：雨天、雪天、雾凇天和好天，为了估计全年电晕损耗，将好天气的损耗乘上一个适当的系数，从而把坏天气使电晕损耗增大的因素考虑在内。

鉴于电晕损耗的复杂性，目前主要是对已运行线路或试验线路进行实测，通过大量的统计和数据处理，进行理论分析并经修正得出各种经验公式。目标比较有代表性的电晕损耗计算公式有皮克公式、安乃堡公式、巴布科夫公式等。由于试验条件、试验方法和理论观点不同，这些经验公式之间的差别是较大的，美国EPRI使用x检验法估计了以上经验公式的可信度，认为皮克公式和安乃堡公式可信度较高[9，11-12]，中国电力科学研究院及一些大学也进行了类似研究，认为安乃堡公式的计算结果与实测数据吻合较好[32-33]。本文在研究电晕损耗与极间距的关系时，海拔取1 000 m，导线平均高取32 m，得到两者关系如图9所示。电价取0.30元/（kW·h）、0.40元/（kW·h）和0.43元/（kW·h）时，电晕损耗和损失费用计算数据如表7所示。

图9 电晕损耗和极间距的关系Fig.9 Relationship between corona loss and polarity distance

表7 电晕损耗和损失费用Tab.7 Corona loss and cost

由图9和表7可知，当极间距增大时，年平均电晕损耗在减小。极间距每增大1m，年平均电晕损失约减小3%，相应的损失费用也减小3%，减小的趋势逐渐变小。

7.2 经济性分析

由第6节可知，极间距增大时，塔重增加，相应初投资增加，而电晕损耗减小，相应的年费用也减小。为得到2种变化叠加的结果，利用工程经济中资金时间价值的等值计算，将塔重初始投资P折算为与之等值的年费用At，然后与电晕损耗的年费用Ac叠加，最后采用年费用法进行经济性分析。

电力工业投资回收率取8%，工程经济使用年限取30 a，施工期按2 a，第一年投资60%，第二年投资40%，电价分别取0.3元/（kW·h）、0.4元/（kW·h）、0.43元/（kW·h），以准东—华东工程初设阶段全线的单公里指标为对象，则塔材初始投资年费用Atn和电晕损耗年费用Acn与极间距的关系如图11所示。

图10 经济性分析的说明Fig.10 Explanation of the economic analysis

塔材初始投资年费用Atn和电晕损耗年费用Acn叠加后得到综合年费用A，综合年费用与极间距的关系如图12所示。

图11 塔重初投资年费用和电晕损耗年费用Fig.11 Annual cost of the tower investment and the annual cost due to corona loss

图12 综合年费用Fig.12 Comprehensive annual cost

由图11和图12可知，塔重初投资年费用Atn大于电晕损耗的年费用Acn。综合来看，减小极间距、减轻塔重的方式更经济。

8 多因素控制下的最优极间距

由第1—7节研究得到了极间距和电磁环境、空气间隙、绝缘子串长、对地距离、走廊宽度、铁塔重量等控制因素的关系，进行了经济性分析，在此基础上，研究得到多因素控制下的最优极间距，如图13所示。

图13 多因素控制下的极间距Fig.13 The minimum polarity distance under the requirement of comprehensive factors

由图13可知，绝缘子串长和空气间隙起主要控制作用。在V串夹角较大时，绝缘子串长起主要控制作用；在V串夹角较小时，空气间隙起主要控制作用。以往的±800 kV直流线路工程中，基本都是绝缘子串长起控制作用，空气间隙不控制，这是±1 100 kV直流线路的不同点。

当直线塔V串夹角为75°时，直线塔的最小极间距如表8所示。

表8 直线塔最小极间距Tab.8 The minimum polarity distance of the suspension tower m

耐张塔极间距主要受电磁环境控制。在海拔1 000 m及以下，按45 dB控制的最小极间距为22 m；海拔高度大于1 000 m，按50 dB控制，那么海拔2 000 m最小极间距为18 m，海拔3 000 m最小极间距为20 m。

9 结论

本文对±1 100 kV直流线路的电磁环境、空气间隙、绝缘子串长、导线对地距离、走廊宽度、杆塔重量等因素与极间距的关系进行了研究，进行了经济性分析，在满足12 000 MW输送容量、选用8×1205导线的条件下，得到以下结论：

1）±1 100 kV直流线路的极间距主要受绝缘子串长和空气间隙控制。两者的控制范围随V串夹角和过电压倍数的变化而变化。

2）极间距增加，导线对地距离也增加，增加程度非常小，极间距每增加1 m，导线对地距离增加约0.05～0.08 m。极间距增加，走廊宽度也增加，极间距每增加1m，走廊宽度增加约1.11～1.26 m。

3）极间距每增加1 m，塔重平均增加2%，呼高每增加1 m，塔重平均增加1%。因此，为了减轻塔重，压缩极间距比降低呼高效果更明显。

4）极间距增加，塔重增加，电晕损耗减小，塔重初投资的年费用大于电晕损耗的年费用，综合年费用随极间距的增加而增加，因此减小极间距的方式更经济。极间距受绝缘子串长和空气间隙控制，因此宜从绝缘配置方面开展后续研究以降低工程全寿命周期费用。

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