750 kV同塔四回输电工程中不同类型导线电晕损失的对比分析

2022-11-04宋晨铭黄世龙刘云鹏

科学技术与工程 2022年27期

宋晨铭，黄世龙，刘云鹏

(华北电力大学, 河北省输变电设备安全防御重点实验室，保定 071003)

在特高压架空输电线路设计时，经济性是导线选型的重要指标之一。目前中国西北地区输电线路电压等级主要为750 kV，线路所经过地区为沙尘多发区域。常选用6×LGJ-400/50钢芯铝绞线，部分线路选用6×LGJ-500/45钢芯铝绞线，线路多采用两条同塔双回同走廊并行输电。由于输电距离长，不可避免经过大型城市地区，但电网建设规划线经过的城市土地资源紧张制约着电网的发展[1-2]。为节约土地资源，在城区将两条同塔双回线路采用同塔四回线路进行过渡，出城后再拆分为两条同塔双回线路。以往导线经济性选型仅考虑6×LGJ-500/40输电线路的电晕损失，对于其他型号导线研究较少。同时初期投资成本、电阻损耗也是影响经济性的指标。因此开展750 kV同塔四回输电工程采用不同类型的导线经济性评估有利于输电线路的工程实际应用。

高海拔、沙尘多发的复杂天气等因素使线路产生电晕损失[3-4]，电晕损失是衡量输电线路运行可靠性和经济性的重要因素之一。在晴朗天气情况下，超/特高压输电线路一般不会发生电晕放电[5]。但是在强降雨和风沙天气条件下，线路的起晕场强降低容易产生电晕损失，从而造成线路的经济损失以及危害线路的可靠运行[6]。加拿大IREQ(Institute of Research Quebec)机构对不同型号分裂导线的电晕损失研究发现：晴朗天气电晕损失可以忽略不计，大雨条件线路的电晕损失是干燥条件下的数十倍[7]。美国BPA(Business Professionals of America) 公司针对500 kV电压等级导线的电晕损失进行海拔修正[8]。Peek[9-10]通过电晕笼试验提出了皮克公式，用来计算导线的起晕电压，同时总结得出温度一定，气压对导线的起晕场强的影响规律。Clade等[11]通过降雨量对导线电晕特性的影响研究中得出导线表面粗糙系数在大雨、中雨和小雨分别为0.5、1、0.75。Kolcioton等[12]通过测量雾、晴天气下765 kV输电线路得出不同分裂间距、子导线半径的分裂导线的电晕损失数据。Chartier等[13]研究得出电晕损失和降雨率及导线截面之间的关系。Sollerkvist等[14]通过试验得出400 kV输电线路的电晕损失和最大电晕损失功率。

刘云鹏等[15]基于电晕笼试验得到1 000 kV电压条件下8×LGJ-500/35输电线路的电晕损失。文献[16-17]通过对特高压交流单回、同塔双回线路进行淋雨试验，得出不同降雨强度正常运行电压下单位输电线路的电晕损失。文献[18-20]通过沙尘模拟系统，得出沙尘条件与分裂导线起晕场强之间的关系。文献[21-22]通过电晕损失等效方法计算得出6×LGJ-500/45导线同塔四回750 kV六层横担输电线路的年平均电晕损失功率和最大电晕损失功率。

依托750 kV同塔四回输电工程，首先基于有限元仿真软件和电晕笼内导线的电晕试验，得出导线表面场强最大平均有效场强，通过海拔修正和电晕损失等效系数计算得到输电线路的电晕损失功率。然后计算不同天气条件下输电线路的电晕损失。最后对比两种导线的运行成本、电阻损耗和电晕损失，得到最优导线选型。

1 线路参数

750 kV同塔四回输电线线路设计容量2 300 MW，全长20 km，海拔168.6～1 500 m，塔基平均距离450 m。采用六分裂导线，分裂间距400 mm，常用两种导线参数如表1所示。地线型号为JLB20A-150，外径为15.75 mm。

塔型为六层横担、四层横担两种布置，六层横担采用I型绝缘子串悬挂，逆相序排列[23]。四层横担按照空间排列位置的不同有四种相序排列，采用V型绝缘子串悬挂。同塔四回输电线路六层横担布置方式如图1所示，四层横担第Ⅰ相序布置方式如图2所示。

表1 导线参数

图1 六层横担布置方式Fig.1 The arrangement of six layers cross arm

2 导线电晕损失功率计算

基于上述输电线路参数，首先建立不同塔型及相序排列的六分裂导线模型，通过有限元仿真软件计算各相子导线表面最大平均有效场强。基于可移动电晕笼实验得到导线的电晕损失功率随导线表面场强变化的拟合曲线，最后通过电晕损失等效系数及海拔修正计算得到输电线路的电晕损失功率。

图2 四层横担第Ⅰ相序布置方式Fig.2 Phase Ⅰ sequence arrangement of four layers cross arm

2.1 导线表面最大有效场强计算

建立六层横担和四层横担仿真模型，利用有限元软件计算各相导线表面最大有效场强。由于分裂导线存在集肤效应以及线路之间电场耦合现象导致电场分布不均匀，使用最大平均有效场强描述分裂导线的电场分布[24]，以四层横担A相为例，电场分布见图3～图5。各相子导线表面最大场强的平均值Emax，结果见表2。

图3 四层横担布置A相电压峰值时电场分布Fig.3 The electric field distribution when the A-phase voltage peak is arranged in the four-layer cross arm

图4 四层横担布置A2相电压峰值时电场分布Fig.4 The electric field distribution when the A2-phase voltage peak is arranged in the four-layer cross arm

图5 四层横担A相峰值时A2相子导线场强分布Fig.5 The electric field distribution of A2 sub-conductor when the A-phase voltage peak is arranged in the four-layer cross arm

2.2 电晕损失海拔修正

750 kV输电工程地处高海拔地区，随着海拔的增加，大气压强降低，导线电晕损失随之增加，需要对导线的电晕损失进行海拔修正[25]。通过可移动电晕笼环境试验得出不同型号导线在各个模拟海拔点的电晕损失数据，分别将大雨和风沙条件下测得的导线的电晕损失数据修正到海拔为340、750、1 250 m的电晕损失，结果如图6、图7所示。为后续各种型号输电线路电晕损失数据提供了参考。

表2 输电线路各相表面最大有效场强

图6 大雨条件下导线电晕损失海拔修正Fig.6 The conductor corona loss altitude correction under heavy rain conditions

图7 风沙条件下导线电晕损失海拔修正Fig.7 The conductor corona loss altitude correction under windy and sand conditions

2.3 电晕损失功率计算

由于电晕笼和输电线路构型不同，在电晕笼中测得的导线的电晕损失功率与实际输电线路存在一定的误差。因此引入等效电晕损失概念，即在场强一定的情况下，电晕笼和输电线路的导线具有相同的有效电晕损失。运用电晕损失等效原理计算得到电晕等效修正系数[26]，线路的电晕损失功率计算公式为

(1)

式(1)中：Pline为实际输电线路导线电晕损失值(实际线路估算值)；Pcage为电晕笼测得的分裂导线电晕损失值；Kline为实际输电线路电晕损失修正系数；Kcage为电晕笼测得分裂导线电晕损失修正系数。

相应修正系数计算式为

(2)

3 不同天气条件下输电线路的电晕损失计算

基于有限元仿真软件计算得到不同塔型布置方式及相序的导线最大平均有效场强Eavg。通过大雨和风沙条件下导线电晕损失海拔修正，得到输电线路年平均电晕损失Pavg。根据输电线路所经过区域的不同情况天气小时数，计算得到不同天气条件下输电线路全年电晕损失。

气象部门给出线路所经地区天气情况主要为晴天、雨天、雪天、雾天、风沙五种天气状况，每种天气对应年平均小时数为5 123、2 328、418、840、51。分别计算不同天气条件下线路的电晕损失，最后累加求和得到线路年电晕损失总量。

3.1 晴天条件下线路的电晕损失

一般输电线路晴朗天气下不起晕[27]，线路电晕损耗主要为绝缘子串泄漏损耗。晴朗天气下每片绝缘子片损耗为4.68 W[27-28]。按照每串悬挂绝缘子片数为40，根据表2中线路的参数、平均一年5 123 h晴天，计算得出六层横担、四层横担线路的年晴天电晕损失总量W1，结果见表3。

表3 晴天电晕损失总量

3.2 雨雪雾天气下线路的电晕损失

雨雪雾天气会降低输电线路的起晕场强，导致线路的电晕损失增大。不同程度的雨雪雾天气对应的线路的电晕损失不同。

根据降雨量将降雨强度分为大雨、中雨、小雨三个等级，各占雨天年小时数的1/3，对应降雨率为7.6、2.6、0.5 mm/h。导线的电晕损失与降雨量的对数成正近似线性关系[29]，计算得到大、中、小雨的计算系数为1.35、1、0.65。相应将雪天分为大雪、中雪、小雪三个等级，对应等值降雨率为2.54、0.635、0.127 mm/h，计算系数取0.99、0.68、0.34，所求电晕损失的2倍作为雪天下的线路电晕损失值[30]。在此基础之上，雾天条件下线路的电晕损失约为小雪天气电晕损失的80%。

根据不同计算海拔高度和天气条件下的线路电晕损失功率，由式(3)计算得到整条750 kV同塔四回输电线路雨雪雾天气的电晕损失总量W2，计算结果见表4。

W2=∑PijTijLij

(3)

式(3)中：Pij为第i段气象条件j下的全相总电晕损失(气象条件j包括大雨、中雨、小雨、大雪、中雪、小雪、雾，第i段包括海拔范围340、750、1 250 m三段)，kW/km；Tj为不同气象条件j的年平均小时数，h；Li为第i段线路长度，km。

表4 雨、雪、雾天气条件线路电晕损失总量

3.3 风沙天气下线路的电晕损失

风沙条件输电线路的电晕损失由强沙尘天气电晕损失Wstrong和弱沙尘天气电晕损失Wdust组成，弱沙尘天气和强沙尘天气各占风沙天气年小时数的一半。只有当沙尘浓度达到一定程度时，输电线路才会起晕，所以弱沙尘条件输电线路的损耗和晴天相同，均为绝缘子串的泄露损耗。

强沙尘天气会使导线的起晕场强降低，从而导致线路的电晕损失增大，根据图3中风沙条件导线的海拔修正电晕损失，计算强沙尘条件下电晕损失功率及全线年电晕损失总量W3见表5。

表5 风沙条件线路电晕损失

3.4 线路总电晕损失

基于上述不同天气条件下输电线路的电晕损失计算，将其累加求和，可得到整条输电线路全年的电晕损失总量Wsum为

Wsum=W1+W2+W3

(4)

将所求线路全年电晕损失总量Wsum除以全年小时数(8 760 h)和线路的总长(20 km)得到线路年平均电晕损失功率Pavg(kW/km)，计算结果见表6。

(5)

式(5)中：Pavg为年平均电晕损失功率，kW/km；Wsum为线路全年电晕损失总量，kW·h；T为全年总小时数，h；L为线路总长度，km。

表6 线路年平均电晕损失功率

由表6可以看出，从电晕损失角度来看，四层横担第Ⅱ相序排列下线路年平均电晕损失功率优于其他情况。六层横担虽然电晕损失较大，但其所占空间较小、成本较低等优点，实际工程应用时应按照具体情况进行选择。

4 不同导线类型各项指标及总成本对比

输电线路运行成本主要由线路电阻损耗、电晕损耗和线路的造价成本三个指标构成。比较两种导线750 kV同塔四回输电线路最优相序排列(四层横担第Ⅱ相序)各项成本指标，结果如下。

4.1 电阻损耗功率对比

输电线路的电阻损耗取决于线路的输送容量、电压等级和导线型号。电阻损耗的计算公式为

(6)

式(6)中：ΔP为输电线路功率电阻总损耗功率；n为回路数；ΔP相为输电线路每相损耗功率；I相为相电流；R为线路电阻;U为输电线路额定电压。

电阻损耗功率以输电线路额定电压750 kV运行状态计算，两种导线的电阻损耗对比见表7。

表7 电阻损耗功率对比

在最优相序排列下(四层横担第Ⅱ相序)，输电线路的年平均电晕损失功率约为电阻损失的34%。在输电线路电压等级和输送容量相同情况下，导线型号为LGJ-400/50输电线路的电阻损耗高于LGJ-500/45，这是由于前者电阻率较高，导致电阻损耗较大。

4.2 电晕损失功率对比

通过上述研究可以发现，线路的电晕损失功率大小与导线的型号、输电线路的排列分布、气象条件、海拔高度等因素有关。将两种导线六层横担和四层横担第Ⅱ相序排列的线路年平均电晕损失功率进行对比，结果见表8。

表8 线路年平均电晕损失功率对比

通过表8可以看出，导线型号为LGJ-400/50输电线路的电晕损失功率大于LGJ-500/45，布置方式为六层横担的输电线路的电晕损失功率远大于四层横担。通过相序的优化可以有效降低输电线路的电晕损失，提高电网建设及运行的经济性。在最优相序排列下(四层横担第Ⅱ相序)单位长度导线LGJ-500/45输电线路的电晕损失为LGJ-400/50的58.7%。

4.3 投资成本对比

在超高压架空输电线路中，架空线路建设成本一般占到工程总投资的32%～35%。合理选择导线型号直接关系到线路工程的建设的费用和运行成本。四层横担第Ⅱ相序排列下，结合输电线路平均年电晕损耗和电阻损耗，按照全年输电线路运行8 760 h、0.25元/(kW·h)电价、设计使用寿命40年，计算两种导线单位千米年运行成本Q如式(7)所示，单位千米两种导线的投资成本对比见表9。

(7)

式(7)中：Q为导线单位千米年运行成本，万元/km；Q1为单位千米导线造价成本，万元/km；Q2为单位千米导线年电阻损耗费用，万元/km；Q3为单位千米导线年电晕损耗费用，万元/km；C为输电线路总造价，万元；n为输电线路设计使用年限；P2为单位千米导线年电阻损耗，万kW·h；P3为单位千米导线年电晕损失，万kW·h；e为电价，0.25元/(kW·h)。

通过表9可以看出，导线型号为LGJ-500/45输电线路单位公里年运行成本为LGJ 400/50的75.8%，前者等长度导线造价较后者多出16.2%，使用较小直径的导线会降低输电线里的投资成本，但会导致较高的年电阻损耗和电晕损耗。综合年运行成本及经济性，拟推荐采用LGJ-500/45导线。