特高压直流线路与接地极线路共塔设计探讨

黄世鸿

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司,福州350000)

0 引 言

随着我国直流特高压线路飞快发展,及国家对生态环境的重视,可供输电线路走线的廊道越来越紧张,特别是特高压线路愈发明显,因此特高压直流线路与接地极线路共塔架设已成为我国特高压直流线路受端必然面临的问题和选择。根据工程设计经验,对共塔架设的控制因素及问题进行分析:共塔架设的导线布置;直流导线与接地极导线挂点层间距计算;共塔架设后铁塔呼高受直流控制还是受接地极控制;共塔设计的优缺点;共塔架设的适用范围。

1 直流线路与接地极线路共塔架设背景

1.1 直流输电的基本原理及组成

特高压直流输电线路不同于交流线路,直流输电是点对点输送电力,电力从电源侧直接输送至用电侧,线路中间无其他变电站。因此,一条特高压直流输电工程分送端和受端两大部分,送端有送端交流系统、送端换流站、送端接地极及送端接地极线路;受端有受端交流系统、受端换流站、受端接地极及受端接地极线路[1],如图1所示。

图1 直流输电系统基本结构示意图

一条特高压直流输电工程中存在直流线路和接地极线路,接地极线路的主要作用是直流线路单极故障时通过大地返回方式进行临时运行,运行时间非常短。我国直流线路电压等级分为±500 kV、±660 kV、±800 kV及±1 100 kV,而接地极线路电压等级较低,一般情况下电压不会超过10 kV,但电流较高。如±800 kV特高压直流输电工程额定电流一般为5 000 A,接地极线路导线截面达到了4×500 mm2,因此不能当成普通的10 kV线路进行设计,接地极线路的交叉跨越一般按110 kV线路进行设计[2-4]。

1.2 共塔架设的必要性

我国地域辽阔,但资源分布非常不均衡,大部分煤炭资源及风电资源分布在西部和北部,而大部分的水利资源分布在西南部,如新疆的煤炭资源、内蒙古的风力资源、四川的水力资源,但能源消费主要集中在较发达的东部和南部省份,特别是沿海地区,由此适宜长距离电力输送的直流输电工程应运而生。由此可知,直流输电工程受端往往坐落在东部或南部的经济较发达地区,土地资源非常紧缺,特别是城市建设的快速扩张,以及对生态环境的高度重视,可供特高压线路走线的廊道少,前期路径选择非常困难。据此,近年来受端接地极线路与直流线路共塔架设是大趋势,是必然的选择。

2 共塔架设关键控制因素

2.1 铁塔导线布置方式

接地极线与直流线共塔架设位置一般有2种方案,如图2所示。

图2 共塔架设导线布置方案

方案1:接地极线布置在直流线下方,这种布置方式的优点是利用了直流线和接地极线对地距离的差值,差值越大,塔增高越小。方案1同时提高了直流线挂点和对地距离,减小了地面场强。

方案2:接地极线布置在直流线上方,对地距离仍由直流线路控制。直流导线布置在下方,铁塔的负荷重心偏低,荷载分布合理。

与方案1相比,方案2为低电压线布置在高电压线上方,这将对接地极线的检修工作提出更高的要求,作业方式和作业时间受到更严格的限制。方案1技术相对成熟、对运行的影响相对较小,因此,一般推荐采用方案1,即接地极线布置在直流线下方。

2.2 层间距计算探讨

层间距即直流导线挂点与接地极线路导线挂点之间的垂直距离,层间距直接影响铁塔塔重及工程投资。因此层间距不宜过大,但也不能太小,层间距过小可能不满足两回线路之间的间隙要求,过大又将不合理地增加工程投资,因此层间距需通过计算确定合理的数值。一般分两部分确定层间距。

塔头间隙及档中间隙计算确定。塔头间隙即塔身处纵向平面中直流线路及接地极线路需满足规范要求下的操作间隙及带电间隙,共塔情况下,直流线路对下平面多了一个接地极线路横担,因此较常规线路有所不同,特别是耐张塔,需注意耐张串上拔时,直流跳线对接地极导线的间隙较紧张,需注意校核,如图3、图4所示。

图3 直线塔塔头间隙

图4 耐张塔塔头间隙

档中间隙主要计算各工况下直流线路与接地极线路导线间在静态及动态下距离,一般情况下,直流导线带电运行,而接地极导线空载运行,所以在正常运行条件下接地极导线线温较直流导线低,因此需计算各工况下直流线路与接地极线路对应的线温弧垂差,再行校核档中静态接近距离,需满足相应海拔的操作间隙要求。在杆塔规划阶段,给定档距L,操作间隙值情况可通过下列公式计算层间距:

ML=a+f1-f2+C1-C2

(1)

式中:ML为直流线路与接地极线路层间距,m;f1、f2为直流线路和接地极线路导线对应工况下弧垂,m;C1、C2为直流线路和接地极线路悬垂串等效串长,m;a为对应海拔下直流操作间隙要求值,m。

上述公式是在导线水平理想情况下的计算值,现实中导线是呈抛物线形态,因此导线在静态下,直流导线与接地极导线最近距离并非垂直距离,而是垂直导线的最小距离,因此需考虑导线悬垂角θ的影响。由此推出公式如下:

(2)

动态接近距离校核较为复杂,一般是针对覆冰工况,根据大量的运行经验,输电线路导线在冰块脱落的一瞬间,导线会产生上下跳跃,跳跃弧度逐渐变小。参考重冰区设计规范及以往工程经验,上层直流导线在100%设计覆冰条件下,接地极线路导线其他档100%覆冰条件、校核档80%脱冰的瞬间,接地极校核档导线会向上跳跃约1.8倍弧垂差[5-6]。据此条件计算出接地极导线跳跃最高处时对直流导线的空间距离需满足工频间隙要求的层间距如下:

ML=b+f1-(f2-1.8×(f2-f3))+C1-C2

(3)

式中:ML为直流线路与接地极线路层间距,m;f1为直流线路导线100%覆冰工况下弧垂,m;f2、f3为接地极线路导线100%覆冰、20%覆冰下弧垂,m;b为对应海拔下直流工频间隙要求值,m。

通过上述计算,可最终确定合理的直流导线与接地极导线挂点间垂直距离,既满足各工况下间隙要求,又节省工程投资。

2.3 塔高控制条件

直流线路与接地极线路共塔架设为多回混压共塔架设,不同于常规的同电压多回共塔架设[7-8]。常规的同电压多回共塔架设交叉跨越距离未发生改变,塔高控制条件不变;而直流线路与接地极线路共塔架设,由于两回线路电压等级不同,交叉跨越距离不同,因此线路选线及终勘定位时,铁塔高度控制条件需进行明确。输电线路塔高的确定一般受交叉跨越物影响,如跨越公路、跨越成片林木、跨越电力线、跨越铁路、跨越通航河流等等,假设直流线路与接地极线路定位弧垂在任何档距下弧垂一致,通过对跨地面、跨电力线、跨成片林区进行简单分析见表1。

表1 直流线路与接地极线路共塔架设后铁塔呼称高变化分析Table 1 Analysis of tower height change after DC line and grounding electrode line are erected in the same tower

通过上述分析可知,假设直流线路与接地极线路定位弧垂一致,共塔后铁塔呼称高均有不同程度增加,因此可明确,共塔架设后铁塔呼称高受接地极线路控制,现场终勘定位时可直接按照接地极线路进行排断面即可,但建议对直流线路断面进行校核。实际上,因为接地极导线截面积较直流线路小,但通过的电流一致,因此接地极导线一般采用耐热导线,定位温度往往高于直流线路,如120 ℃定位温度,而直流线路定位温度一般为40 ℃,因此直流导线弧垂是小于接地极线路的,由此实际铁塔呼称高增加量大于表1假设计算值。

3 共塔架设的优缺点

3.1 共塔架设的优点

在走廊允许的情况下,直流线路一般不建议与接地极线路共塔架设,但在经济较发达地区,且随着我国对生态环境越发重视,节约线路走廊已成为输电线路不可避免要考虑的因素,因此直流线路与接地极共塔架设最明显的优点即是节约线路走廊,节约国家土地资源。根据以往工程经验,接地极线路共塔架设后可节约走廊宽度约27 m,若一条线路共塔架设50 km,可节约2 025亩土地资源,对于土地资源紧缺的地区具有很好的效益。当然根据输电线路建设的外部环境特点,接地极线路与直流线路共塔架设后将带来更多的好处,如减少征地补偿,减少房屋拆迁,降低工程建设及协调难度等。

3.2 共塔架设的缺点

1)共塔多回架设不可避免地增加运行检修难度,多回线路运行检修难度远大于单回线路。

2)共塔架设可能增加直流线路故障概率,如脱冰跳跃。若直流线路独立架设,只需考虑直流导线对地线的脱冰跳跃问题,与接地极线路共塔后,将增加接地极脱冰跳跃对直流导线的影响因素,因此可能增加直流线路故障概率。

3)共塔后抬升塔高会增大直流线路荷载。根据上述第2.3节论述结论可知,直流线路与接地极线路共塔架设后,根据交叉跨越物的不同,导致铁塔高度不同程度的增加,铁塔高度的增加伴随着风速的增大,铁塔及直流导线所受荷载也将增大。

4 共塔架设的适用范围

通过上述分析及以往工程经验,共塔架设可以节约土地资源走廊,在如今我国发展形势下,共塔架设是未来发达地区的趋势,但不是所有情况下都可以共塔架设,可以从不同的限制因素来分析共塔建设的适用范围。

1)从经济发展程度来看,在我国经济较发达的地区,如沿海东部及南部地区,经济发展较快,土地资源非常紧缺,留给电力的走廊非常有限,在目前直流线路无法采用电缆形式情况下,建议采用共塔架设方式;而西部及北部地区,人烟稀少,走廊限制不太明显的地区就没必要采用共塔架设方式,分开架设可提高线路运行的安全、可靠性。

2)从气象及地形条件来看,我国共塔架设地区主要在平原地区,覆冰一般在10～15 mm之间,对于覆冰达到20 mm及以上重冰区,考虑到重冰区容易产生脱冰跳跃对线路造成危害,且对于高山大岭地形,由于容易产生大档距大高差,对线路的导地线及铁塔产生非常不利影响。因此,共塔架设可用于轻、中冰区及平原地区,对于重冰区及高山大岭地区应尽量避免共塔架设。

3)从交叉跨越来看,接地极线路交叉跨越一般按110 kV考虑,以往工程一般只跨越110 kV及以下电力线,对于220 kV及以上电力线一般采取钻越方式,但考虑到接地极线路作为直流线路配套工程的特殊性,建议对于220 kV及以下电力线,可共塔架设,对于500 kV及以上电力线,在条件允许情况下,建议接地极线路采取分开后进行钻越,降低跨越塔高度及运行风险。

4)从环境保护来看,近年来随着我国对生态环境保护的重视,电力建设受到了一定的制约,对于穿越生态敏感区的直流线路,电力走廊来之不易,因此建议涉及生态敏感区的线路采用共塔架设,积极保护生态环境,减少对生态环境的破坏,非生态敏感区在条件允许下建议分开架设。

5 结 语

综上所述,直流线路与接地极线路共塔架设是我国直流特高压发展的必然选择,体现了我国对生态环境的重视程度及经济快速发展的需求。通过共塔架设的导线布制方式、层间距离计算、铁塔呼称高等关键因素分析,探讨共塔架设的合理性,分析共塔架设的适用范围,既保证线路运行安全,又节约线路走廊土地资源,达到共塔架设的目的。