1000kv線路特高壓導(dǎo)線截面選擇原理

1000kv線路特高壓導(dǎo)線截面選擇原理

0特高壓輸電線路導(dǎo)行系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較導(dǎo)線選擇是特高壓電氣工程的一個(gè)重要課題之一，它對(duì)線路的傳輸能力、傳輸性能、環(huán)境事件（靜電感應(yīng)、頭暈、廣播噪聲等）以及其他輸電線技術(shù)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生了重大影響。因此，線路選擇對(duì)提高特高壓電氣線的技術(shù)難點(diǎn)和降低成本具有深遠(yuǎn)意義。特高壓線路架線工程投資一般要占工程本體投資較大的比例,再加上導(dǎo)線方案變化引起的桿塔和基礎(chǔ)工程量的變化,其對(duì)整個(gè)工程的造價(jià)影響很大,直接關(guān)系到整個(gè)線路工程的建設(shè)費(fèi)用以及建成后的技術(shù)特性和運(yùn)行成本,所以在整個(gè)輸電線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較中,應(yīng)該對(duì)導(dǎo)線的截面和分裂型式進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,推薦出滿足技術(shù)要求而且經(jīng)濟(jì)合理的導(dǎo)線截面和分裂型式。文獻(xiàn)結(jié)合晉東南-荊門(mén)特高壓交流輸電線路工程可行性研究工作,對(duì)特高壓交流輸電線路的導(dǎo)線截面選擇進(jìn)行了研究。本文主要根據(jù)以上研究結(jié)果整理而成,相關(guān)結(jié)論可供工程參考。110特高壓輸電線路的保護(hù)與500kV交流線路相比,1000kV交流線路導(dǎo)線截面選擇具有許多新特點(diǎn),同時(shí)也帶來(lái)了諸多值得研究的新問(wèn)題:(1)首先1000kV交流線路導(dǎo)線截面選擇沒(méi)有直接的規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)可以參照引用。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)架空送電線路設(shè)計(jì)規(guī)程中最高電壓等級(jí)僅涉及750kV,國(guó)外也缺乏1000kV及以上電壓等級(jí)的相關(guān)正式標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。因此,在1000kV交流線路導(dǎo)線截面選擇中,面臨確定合適設(shè)計(jì)限值標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。(2)隨著電壓等級(jí)的升高,電磁環(huán)境影響更加顯著,其中電場(chǎng)效應(yīng)、無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲等方面可能成為特高壓輸電線路設(shè)計(jì)中的約束條件。因此,在1000kV交流線路導(dǎo)線截面選擇中必須對(duì)電磁環(huán)境影響進(jìn)行深入評(píng)估和論證。為獲取特高壓輸電線路相關(guān)電磁環(huán)境影響參數(shù),可以通過(guò)兩個(gè)途徑:其一是通過(guò)試驗(yàn)線路實(shí)測(cè)獲得,受試驗(yàn)條件限值,該方式應(yīng)用有限;其二是根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得的經(jīng)驗(yàn)公式,進(jìn)行電磁環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)估。在大樣本空間下獲取的經(jīng)驗(yàn)公式,在特高壓線路設(shè)計(jì)中具有重要指導(dǎo)意義。迄今為止,美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、意大利、巴西、加拿大、印度等國(guó)都建設(shè)特高壓交流輸電試驗(yàn)線路,進(jìn)行了相關(guān)特高壓交流輸電技術(shù)研究。其中,特高壓輸電線路的電磁環(huán)境影響作為試驗(yàn)線路的研究重點(diǎn)之一,在各國(guó)的試驗(yàn)場(chǎng)也得到了廣泛的研究,相關(guān)研究成果對(duì)我國(guó)特高壓輸電線路的設(shè)計(jì)具有重要借鑒意義。2采用單段選擇原則和系統(tǒng)條件2.1特高壓輸電線路截面選擇方案根據(jù)部頒《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》及綜合國(guó)內(nèi)外750kV及以上電壓等級(jí)架空輸電線路運(yùn)行、試驗(yàn)研究情況,電磁環(huán)境是實(shí)現(xiàn)交流特高壓輸電的一個(gè)重要限制因素。因此,本文認(rèn)為1000kV交流輸電線路導(dǎo)線截面選擇應(yīng)該考慮以下幾個(gè)因素:(1)經(jīng)濟(jì)電流密度;(2)導(dǎo)線最大載流量;(3)無(wú)線電干擾水平;(4)可聽(tīng)噪聲水平。此外,在導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)比較中還應(yīng)該計(jì)及電暈損耗。2.2線路選型和系統(tǒng)模型本文以晉東南-荊門(mén)百萬(wàn)級(jí)交流輸電線路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)晉東南-荊門(mén)線路)為研究對(duì)象,深入研究全線的導(dǎo)線截面選擇問(wèn)題。具體各段線路名稱(chēng)與長(zhǎng)度見(jiàn)表1。為了避免同級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)線型號(hào)過(guò)多,便于設(shè)備采購(gòu)等,本文以晉東南-荊門(mén)線路中最大潮流線路段作為導(dǎo)線型號(hào)選擇依據(jù),全線導(dǎo)線統(tǒng)一選型。經(jīng)參考《國(guó)家電網(wǎng)特高壓骨干網(wǎng)架總體規(guī)劃設(shè)計(jì)專(zhuān)題》報(bào)告所用數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型,并分別選取2015年和2020年的豐大和枯大兩種潮流方式進(jìn)行系統(tǒng)潮流計(jì)算。綜合潮流計(jì)算結(jié)果,考慮系統(tǒng)發(fā)展及保留一定的設(shè)計(jì)裕度,認(rèn)為晉東南-荊門(mén)線路導(dǎo)線截面選擇的系統(tǒng)正常輸送容量按5000MW考慮較為合適。3經(jīng)濟(jì)電流密度與導(dǎo)線段的初步選擇3.1特高壓線路電流密度的確定依據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定:正常運(yùn)行方式下的最大輸電容量符合電流密度要求。但是需要指出的是,規(guī)程中相關(guān)經(jīng)濟(jì)電流密度規(guī)定是1956年電力部頒布的,應(yīng)該說(shuō)隨著工程造價(jià)和電價(jià)的變化,經(jīng)濟(jì)電流密度可能有變化,有關(guān)學(xué)者對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,并提出多種經(jīng)濟(jì)電流密度確定方法。在世界上已建成特高壓線路的兩個(gè)國(guó)家中,前蘇聯(lián)取的電流密度為1A/mm2,日本取的電流密度為0.5A/mm2。結(jié)合國(guó)內(nèi)的特高壓線路工程實(shí)際條件,本文選取0.9A/mm2電流密度作為導(dǎo)線初選的參考值。依據(jù)如下公式:可計(jì)算得到導(dǎo)線總截面為3400mm2左右。3.2線路采用八分裂方式根據(jù)國(guó)外特高壓線路的導(dǎo)線實(shí)際采用情況,在特高壓線路中為解決電暈問(wèn)題,一般都需要增加分裂導(dǎo)線根數(shù)和導(dǎo)線截面,如表2所示,目前國(guó)外已經(jīng)建成的特高壓運(yùn)行或試驗(yàn)線路均采用八分裂方式。此外,根據(jù)在意大利1000kV工程試驗(yàn)場(chǎng)獲得的數(shù)據(jù)顯示:通過(guò)對(duì)6、8、10三種分裂方式的對(duì)稱(chēng)分裂導(dǎo)線的電暈、無(wú)線電干擾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn),與籠子數(shù)據(jù)、可聽(tīng)電暈噪聲及生物學(xué)效應(yīng)綜合評(píng)估,認(rèn)為1000kV線路導(dǎo)線以8分裂最好。其它國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究結(jié)論也表明,1000~1200kV等級(jí)導(dǎo)線采用8分裂結(jié)構(gòu)合理。考慮相關(guān)研究成果的可移植性,本文認(rèn)為晉東南-荊門(mén)線路的導(dǎo)線分裂方式以8分裂較為適宜。3.3子導(dǎo)線截面選型根據(jù)前述經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算結(jié)果及導(dǎo)線分裂方式選擇,可以得到晉東南-荊門(mén)線路的子導(dǎo)線截面,初步考慮子導(dǎo)線截面選取范圍在400~630mm2之間,即擬比選導(dǎo)線截面型號(hào)為8×400mm2、8×500mm2和8×630mm2。此外,綜合國(guó)內(nèi)外資料,導(dǎo)線截面的其它參數(shù)暫按如下考慮:子導(dǎo)線間距取40cm,相間距離取22.2m。4計(jì)算的修正4.1導(dǎo)線截面在不同溫度下的最大允許電流根據(jù)前述潮流計(jì)算結(jié)果,并綜合考慮系統(tǒng)發(fā)展情況,晉東南-荊門(mén)線路導(dǎo)線載流量暫按9000MW的極限輸送容量進(jìn)行校核,即每相通過(guò)的電流為5470A,8分裂方式下每根子導(dǎo)線需通過(guò)的電流為683A。各種導(dǎo)線截面在不同溫度時(shí)的最大允許電流如表3所示。計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)導(dǎo)線溫升按70℃控制時(shí),8×400導(dǎo)線無(wú)法滿足要求,考慮環(huán)境溫度裕度等因素,8×500和8×630基本滿足要求;若導(dǎo)線溫升以80℃控制時(shí),8×400mm2、8×500mm2和8×630mm2導(dǎo)線均能滿足極限輸送容量的要求。4.2干擾后的校正4.2.1無(wú)線電干擾限值國(guó)標(biāo)《高壓交流架空送電線無(wú)線電干擾限值》規(guī)定的限值(0.5MHz)如表4所示,限值的參考距離是邊相導(dǎo)線投影20m。我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電干擾限值也是隨電壓升高而增大,750kV和1000kV線路未列入該標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《750kV架空送電線路設(shè)計(jì)暫行技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定750kV線路的無(wú)線電干擾限值為55~58dB。依據(jù)其它相關(guān)專(zhuān)題報(bào)告研究成果并參考國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),本文推薦無(wú)線電干擾限值暫按58dB考慮,與750kV大體相當(dāng)。4.2.2導(dǎo)電等效半徑m依據(jù)《高壓交流架空送電線無(wú)線電干擾限值》規(guī)程推薦的線路無(wú)線電干擾計(jì)算公式:邊相最大場(chǎng)強(qiáng)Ebm計(jì)算依據(jù)以下公式:式中ND——距離線路邊線D處(D<100m)0.5MHz的RI電平,dB;Ebm——邊相導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度有效值,kV/cm;r——子導(dǎo)線半徑,cm;L——被干擾點(diǎn)到邊導(dǎo)線的距離,m;d——分裂間距,cm;r3——導(dǎo)線等效半徑,cm;上式算得的無(wú)線電干擾水平為好天氣50%的無(wú)線電干擾水平,換算到80%時(shí)間,80%置信度的無(wú)線電干擾水平,還需增加6dB左右。參考相關(guān)規(guī)程,無(wú)線電干擾水平考核點(diǎn)距離邊相投影取20m,導(dǎo)線弧垂最小離地高度取20m,按前述公式進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表5所示。由計(jì)算結(jié)果看,按58dB的限值考慮,8×400mm2、8×500mm2和8×630mm2三種型號(hào)導(dǎo)線均滿足無(wú)線電干擾水平限值的要求。4.3可聽(tīng)噪聲校正4.3.1特高壓輸電線路可聽(tīng)噪聲取值到目前為止,世界各國(guó)均未正式制定交流特高壓線路可聽(tīng)噪聲的限制標(biāo)準(zhǔn),而只是在各自交流特高壓線路設(shè)計(jì)規(guī)范中提出了一個(gè)限值,見(jiàn)表6所示。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司頒布的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《750kV架空送電線路設(shè)計(jì)暫行技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定750kV線路可聽(tīng)噪聲限值取55~58dB(參考距離為距線路邊相導(dǎo)線投影外15m處)。我國(guó)國(guó)標(biāo)《城市市區(qū)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定鄉(xiāng)村居住環(huán)境的噪聲參照一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,即晝、夜等效聲級(jí)分別為55和45dB(A)。由于我國(guó)特高壓輸電線路的建設(shè)路徑應(yīng)該主要是農(nóng)業(yè)地區(qū),應(yīng)參考我國(guó)環(huán)境噪聲一類(lèi)地區(qū)的限制標(biāo)準(zhǔn),因此,特高壓輸電線路的可聽(tīng)噪聲不宜超過(guò)55dB(A)。參考其他相關(guān)的專(zhuān)題研究報(bào)告結(jié)論,本文推薦可聽(tīng)噪聲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)暫按55dB(A)考慮。與無(wú)線電干擾限值的參考距離一致,可聽(tīng)噪聲限制指標(biāo)也以邊相導(dǎo)線投影外20m為參考距離。4.3.2般實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的推算可聽(tīng)噪聲計(jì)算是基于有關(guān)試驗(yàn)研究機(jī)構(gòu),根據(jù)“電暈籠”試驗(yàn)數(shù)據(jù)推衍出導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度與噪聲的關(guān)系而得到的計(jì)算公式。本文采用美國(guó)BPA推薦的可聽(tīng)噪音預(yù)測(cè)公式進(jìn)行計(jì)算,該公式是據(jù)各種不同的電壓等級(jí)、分裂方式的實(shí)際試驗(yàn)段上的長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算出來(lái)的,預(yù)估公式如下:式中SLA——A計(jì)權(quán)聲級(jí);PWL(i)——i相導(dǎo)線的聲功率級(jí);L——測(cè)點(diǎn)至被測(cè)i相導(dǎo)線的距離,m;E——導(dǎo)線的表面梯度,kV/cm;d——子導(dǎo)線直徑,mm。該預(yù)測(cè)公式對(duì)于分裂間距為30~50cm,導(dǎo)線表面梯度為10~25kV/cm的常規(guī)對(duì)稱(chēng)分裂導(dǎo)線均是有效的。導(dǎo)線弧垂最低處離地高度暫按20m考慮,則根據(jù)上述公式可計(jì)算得到各種導(dǎo)線型號(hào)的可聽(tīng)噪音水平,計(jì)算結(jié)果如表7所示。上述計(jì)算結(jié)果表明,8×400導(dǎo)線的可聽(tīng)噪音水平已經(jīng)超過(guò)可聽(tīng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)最大限值(55dB),8×500和8×630導(dǎo)線則基本滿足可聽(tīng)噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)。4.4調(diào)線單位長(zhǎng)度電暈損耗在計(jì)及導(dǎo)線的年電暈損耗后,線路的極限經(jīng)濟(jì)電流和傳輸效率會(huì)降低。電暈損耗與導(dǎo)線本體參數(shù)相關(guān),同時(shí)也與線路工作電壓和沿線地區(qū)氣象條件關(guān)聯(lián)。尤其是在雨雪霧凇等惡劣氣候條件下,導(dǎo)線的電暈損耗將顯著增加。在收集國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,有學(xué)者提出擬合500~1100kV線路單位長(zhǎng)度電暈損耗的計(jì)算公式:式中Pf——單位長(zhǎng)度晴天的電暈損耗,kW/km;Ps——單位長(zhǎng)度雪天的電暈損耗,kW/km;E——導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng),kV/cm;Eo——導(dǎo)線起始電暈場(chǎng)強(qiáng),kV/cm。因中相和邊相導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)不一致,需分別計(jì)算:式中U——線路額定電壓,kV;D——相間距離,cm;r3——分裂導(dǎo)線等效半徑,cm。考慮到氣候條件變化,引入年氣候參數(shù)因子可以得到每回線路單位長(zhǎng)度的電暈損耗年平均值:式中Tf——晴天時(shí)間,h;Ts——雪天時(shí)間,h;Pz——中相電暈損耗,kW/km;Pb——邊相電暈損耗,kW/km。參照上述公式,可以計(jì)算得到晉東南-荊門(mén)線路的電暈損耗年均值,計(jì)算結(jié)果如表9所示。電暈損耗計(jì)算結(jié)果表明,不同截面導(dǎo)線因?qū)Ь€表面場(chǎng)強(qiáng)與起始電暈場(chǎng)強(qiáng)比值的差別,電暈損耗隨導(dǎo)線截面增大而減少。根據(jù)電暈損耗計(jì)算結(jié)果,在導(dǎo)線型號(hào)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的電能損耗指標(biāo)中除包含電阻損耗外,還應(yīng)考慮電暈損耗。5年年費(fèi):為線路公路經(jīng)營(yíng)資金支持及水質(zhì)基礎(chǔ)設(shè)施在線路運(yùn)行維護(hù)費(fèi)如通過(guò)kw本文采用年費(fèi)用作為經(jīng)濟(jì)比較指標(biāo)。年費(fèi)用比較法是將參加的諸方案計(jì)算期的全部支出費(fèi)用折算成等額年費(fèi)用后進(jìn)行比較,年費(fèi)用低的方案為經(jīng)濟(jì)上優(yōu)越方案。年負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)取5000h(當(dāng)功率因素取0.9時(shí),相應(yīng)的損耗小時(shí)數(shù)為3400h)計(jì)算年費(fèi)用。年費(fèi)用采用如下計(jì)算公式:年費(fèi)用:初投資年費(fèi)用+年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)+電量損耗年費(fèi)用初投資年費(fèi)用:線路單位造價(jià)×公里數(shù)年運(yùn)行維護(hù)費(fèi):初投資費(fèi)用×1.5%電量損耗費(fèi)用:線路損耗×損耗小時(shí)數(shù)×電價(jià)根據(jù)年費(fèi)用計(jì)算公式,可以計(jì)算得到各導(dǎo)線截面的經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果。此外,對(duì)以下幾個(gè)方面作敏感性分析:(1)輸送功率基本指標(biāo)為5000MW,分別考慮輸送功率為5500MW、4500MW和4000MW的情況;(2)年負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)由基本指標(biāo)的5000h下降至4500h時(shí)(相應(yīng)的損耗小時(shí)數(shù)為2900h);(3)投資回報(bào)率由基本指標(biāo)的8%上升到10%;(5)電價(jià)由基本指標(biāo)的0.32元/(kW·h)增加到0.35元/(kW·h)。導(dǎo)線截面的年費(fèi)用計(jì)算結(jié)果如表10所示。6特高壓線路的經(jīng)濟(jì)分析前面對(duì)參與比選的8×400、8×500和8×630導(dǎo)線進(jìn)行了載流量、無(wú)線電干擾、可聽(tīng)噪聲、電暈損耗以及年費(fèi)用等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)做了計(jì)算分析與比較?，F(xiàn)將各項(xiàng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總,如表11所示。由表11可以看出:(1)按5000MW的輸送功率考慮,8×400經(jīng)濟(jì)電流密度超過(guò)0.9,8×500和8×630經(jīng)濟(jì)電流密度在0.6~0.8之間;(2)以9000MW的極限輸送容量考慮,若按80℃的導(dǎo)線溫升控制,三種型號(hào)的導(dǎo)線均能滿足載流量要求;若按70℃的溫升控制,8×400導(dǎo)線不滿足要求;(3)無(wú)線電干擾計(jì)算計(jì)算結(jié)果表明,三種型號(hào)導(dǎo)線均能滿足58dB的干擾限值要求;(4)可聽(tīng)噪聲計(jì)算表明,8×400導(dǎo)線無(wú)法滿足55dB的噪聲標(biāo)準(zhǔn)限