江衛(wèi)華，李 健，汪 雄

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

±500kV同塔雙回直流線路極導(dǎo)線排列方式探討

江衛(wèi)華，李 健，汪 雄

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

±500kV同塔雙回直流輸電由于輸送容量大、占地少等因素在我國(guó)得到了推廣應(yīng)用。±500kV同塔雙回直流極導(dǎo)線排列方式應(yīng)綜合考慮電磁環(huán)境、防雷性能、走廊寬度、電暈等因素并結(jié)合工程本體造價(jià)綜合考慮。本文以溪洛渡送電廣東±500kV同塔雙回直流輸電工程為例，從導(dǎo)地線表面場(chǎng)強(qiáng)、地面合成場(chǎng)強(qiáng)、離子流密度、可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電干擾、導(dǎo)線對(duì)地最小距離及走廊寬度、防雷性能等方面，對(duì)同塔雙回直流線路幾種極導(dǎo)線排列方式進(jìn)行了綜合比較分析。

同塔雙回；極導(dǎo)線排列方式；電磁環(huán)境；防雷性能。

1 工程概況及計(jì)算條件

溪洛渡送電廣東±500kV同塔雙回直流輸電工程，起于云南鹽津縣境內(nèi)的溪洛渡右岸換流站，止于廣東從化市汾水換流站，全長(zhǎng)約1286km，輸送容量6400MW。線路經(jīng)過(guò)地區(qū)大部分為山區(qū)，海拔50m～2000m，設(shè)計(jì)風(fēng)速為27m/s。工程采用的導(dǎo)線型號(hào)為4×900mm2鋼芯鋁絞線，四分裂正方形布置，分裂間距500mm。地線采用100mm2鋼絞線和相當(dāng)截面的OPGW。工程所采用的典型塔頭尺寸如圖1所示。

工程可能采用的四種極導(dǎo)線排列方式見(jiàn)表1。四種排列方式分別標(biāo)注為方式A(+-/-+)、B(-+/-+)、C(++/--)、D(--/++)。

圖1 典型塔頭尺寸

表1 極導(dǎo)線排列方式

2 導(dǎo)線和地線表面場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

本文根據(jù)逐次鏡像法，計(jì)算導(dǎo)線和地線表面場(chǎng)強(qiáng)。

導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算值

從表2中可以看出，排列方式A(+-/-+)導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)最大， B(-+/-+)最小，排列C(++/--)、D(--/++)導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)相同。

直流極導(dǎo)線工作時(shí)，在其附近產(chǎn)生電場(chǎng)，架空地線受電場(chǎng)作用會(huì)在其上感應(yīng)電荷，形成地線表面電場(chǎng)。地線表面場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 地線表面場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算值

從表3可以看出， 排列方式A(+-/-+)方式下的地線表面場(chǎng)強(qiáng)最小， C(++/--)和D(--/++)最大， B(-+/-+)介于兩者之間。根據(jù)計(jì)算，2000m海拔時(shí)100mm2地線的起暈場(chǎng)強(qiáng)為18.5 kV/cm(干)和13.8kV/cm(濕)。排列方式A(+-/-+)地線不會(huì)起暈， C(++/--)和D(--/++)地線起暈較嚴(yán)重。排列為B(--/++)時(shí)，地線在晴天(即干導(dǎo)線)不會(huì)起暈，但在雨天會(huì)起暈。

如極導(dǎo)線排列方式采用C(++/--)、D(--/++)，要使地線不起暈，要求地線的直徑必須大于17.5mm，即地線需采用185mm2截面及以上。

3 地面合成場(chǎng)強(qiáng)及離子流計(jì)算

直流線路下的空間電場(chǎng)是由兩部分合成的，一部分是由導(dǎo)線所帶電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，通常稱(chēng)之為標(biāo)稱(chēng)電場(chǎng)，另一部分是由空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，這兩部分電場(chǎng)合成，稱(chēng)為合成電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，空間電荷不斷向地面移動(dòng)，地面單位面積所接收到的電流稱(chēng)為離子流密度。

直流合成場(chǎng)強(qiáng)目前主要有三種計(jì)算方法：解析方法、半經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值計(jì)算方法。本文采用解析方法計(jì)算，其采用Deutsch 假設(shè)，即認(rèn)為空間電荷不影響電場(chǎng)方向，只影響場(chǎng)強(qiáng)的大小，從而將二維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一維問(wèn)題計(jì)算，計(jì)算結(jié)果精度可以滿(mǎn)足實(shí)際工程需求。

表3為海拔2000m，下層導(dǎo)線對(duì)地距離11.5m時(shí)，4×900mm2導(dǎo)線在四種不同極導(dǎo)線排列方式下的地面最大合成場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算值。

表4 地面最大合成場(chǎng)強(qiáng)(kV/m)

從表4中可以看出，排列方式C(++/--)和D(--/++)地面最大合成場(chǎng)強(qiáng)最大， B(-+/-+)最小。各種極導(dǎo)線排列方式下的地面合成場(chǎng)強(qiáng)在導(dǎo)線對(duì)地距離11.5m時(shí)都小于30kV/m，均滿(mǎn)足限值要求。

表5為不考慮風(fēng)的影響，在2000m海拔，下層導(dǎo)線對(duì)地距離11.5m時(shí)，4×900mm2導(dǎo)線在四種極導(dǎo)線排列方式下的地面離子流密度。

表5 地面離子流密度(nA/m2)

計(jì)算結(jié)果表明，排列方式B(-+/-+)地面離子流密度明顯最小， C(++/--)、D(--/++)最大。但各種極導(dǎo)線排列方式下的最大離子電流密度均遠(yuǎn)小于限值要求值100nA/m2。

4 可聽(tīng)噪聲和無(wú)線電干擾計(jì)算

好天氣條件下的可聽(tīng)噪聲水平是衡量直流線路整體噪聲水平的一個(gè)特征量。本文可聽(tīng)噪聲采用誤差較小的BPA公式進(jìn)行計(jì)算，并考慮兩回可聽(tīng)噪聲在能量層面上疊加。不同極導(dǎo)線排列方式下距正極導(dǎo)線20m處晴天可聽(tīng)噪聲計(jì)算值見(jiàn)表6。

表6 可聽(tīng)噪聲計(jì)算結(jié)果

從表6可以看出，各種極導(dǎo)線排列方式下可聽(tīng)噪聲計(jì)算值均小于45dB,滿(mǎn)足國(guó)家環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一類(lèi)地區(qū)夜間限制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。排列方式A(+-/-+)由于導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)最大，因而可聽(tīng)噪聲最大， B(-+/-+)的可聽(tīng)噪聲最小。

對(duì)無(wú)線電干擾計(jì)算，采用CISPR推薦的單回雙極直流線路計(jì)算公式，并考慮兩個(gè)單回線路的無(wú)線電干擾在能量層面上的疊加。

不同極導(dǎo)線排列方式下距正極導(dǎo)線20m處無(wú)線電干擾計(jì)算值見(jiàn)表7。

表7 無(wú)線電干擾計(jì)算結(jié)果

從表7計(jì)算結(jié)果，不同極導(dǎo)線排列方式下，無(wú)線電干擾水平均滿(mǎn)足55～58dB限值要求。排列方式A(+-/-+)無(wú)線電干擾最大，B(-+/-+)最小。

可聽(tīng)噪聲和無(wú)線電干擾限值對(duì)±500kV同塔雙回直流線路的應(yīng)用和極導(dǎo)線排列方式選擇都不會(huì)起制約作用。

5 導(dǎo)線對(duì)地最小距離及線路走廊寬度

對(duì)于±500kV單回直流線路，DL/T 436-2005《高壓直流架空送電線路技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定，若采用4×720mm2導(dǎo)線，在非居民區(qū)和居民區(qū)，極導(dǎo)線最小對(duì)地距離分別取11.5m和15m。表8給出了本工程采用4×900mm2導(dǎo)線在不同極導(dǎo)線排列形式時(shí)為滿(mǎn)足地面合成電場(chǎng)限值要求所確定的極導(dǎo)線最小對(duì)地距離。

表8 不同極導(dǎo)線排列最小對(duì)地距離

由表8可看出，無(wú)論采用哪種極導(dǎo)線排列方式，極導(dǎo)線最小對(duì)地距離均不比標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)單回直流要求的高。

當(dāng)±500kV同塔雙回直流中的一回發(fā)生故障時(shí)，另一回線路產(chǎn)生的地面合成場(chǎng)強(qiáng)也應(yīng)滿(mǎn)足限值要求。因此，建議±500kV同塔雙回直流極導(dǎo)線對(duì)地最小距離取值與單回線路的相同。

根據(jù)直流線路臨近民房時(shí)地面合成場(chǎng)強(qiáng)限值要求，不同極導(dǎo)線排列方式下的線路走廊寬度計(jì)算值見(jiàn)表9。為便于比較，表中同時(shí)給出了單回直流采用不同導(dǎo)線時(shí)的走廊寬度。

表9 不同極導(dǎo)線排列方式的線路走廊寬度(m)

從表9可以看出，走廊寬度由窄到寬排序，對(duì)應(yīng)的極導(dǎo)線排列方式依次為：C(++/--)或D(--/++)、A(+-/-+)、B(-+/-+)。無(wú)論哪種極導(dǎo)線排列方式，同塔雙回所占走廊寬度都比單回要窄。

6 防雷性能分析

6.1 反擊性能

本文采用基于雷電波過(guò)程的EMTP/ATP仿真方法計(jì)算雷擊反擊特性。

對(duì)于單回閃絡(luò)，A(+-/-+)、B(-+/-+)、C(++/--)三種排列方式耐雷水平一致，均為131.3kA， D(--/++)耐雷水平稍高，為137.5kA，且各種排列方式下閃絡(luò)的均為正極導(dǎo)線。A(+-/-+)、B(-+/-+)、C(++/--)三種導(dǎo)線排列方式上方均有正極性導(dǎo)線，因此擊穿所需要的雷電流幅值相近，而排列方式D(--/++)，兩回正極性導(dǎo)線都在下方，波阻抗較大，因此擊穿所需要的雷電流幅值稍大。

對(duì)于雙回閃絡(luò)， C(++/--)的耐雷水平最低，為137.5kA， B(-+/-+)的耐雷水平最高為149.9kA，A(+-/-+)和D(--/++)分別為140.5 kA和146.4 kA。這是因?yàn)镃(++/--)的兩個(gè)正極均在上方，雷擊桿塔時(shí)基本上同時(shí)擊穿，因此和單回閃絡(luò)的值相同。而B(niǎo)(-+/-+)排列方式下，由于兩個(gè)正極性導(dǎo)線的均位于桿塔一側(cè)，之間距離小于A(+-/-+)種排列方式，當(dāng)上方的正極性導(dǎo)線擊穿后，導(dǎo)線上的電壓急劇下降，使得下方的正極性導(dǎo)線電壓降低，因此，閃絡(luò)所需要的雷電流幅值最大。

6.2 繞擊性能

本文采用電氣幾何模型(EGM)對(duì)線路的繞擊跳閘率進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算， C(++/--)繞擊率最低，在地面傾角為15度時(shí)為0.0178(次/100公里*年)；D(--/++)繞擊率最高，在地面傾角為15度時(shí)為0.0468(次/100公里*年)。A(+-/-+)、B(-+/-+)、D(--/++)三種排列方式最高的繞擊跳閘率均相近，這主要與上下兩個(gè)極導(dǎo)線的屏蔽性能有關(guān)，位于上方的極導(dǎo)線，主要靠避雷線屏蔽，位于下方的極導(dǎo)線，主要靠大地屏蔽，由于本線路保護(hù)角均為負(fù)，其避雷線對(duì)上方的極導(dǎo)線屏蔽作用較好，而因?yàn)槭峭p回，桿塔相對(duì)較高，地面對(duì)下方極導(dǎo)線的屏蔽性能稍差，綜合極導(dǎo)線排列情況， C(++/--)的屏蔽性能最好，D(--/++)的屏蔽性能稍差。

7 計(jì)算結(jié)果分析及結(jié)論

⑴從電磁環(huán)境角度考慮，排列方式B(-+/-+)地面合成場(chǎng)強(qiáng)、離子流密度、可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電干擾均最?。?C(++/--)和D(--/++)地面最大合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度最大；A(+-/-+)可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電干擾最大。但各種極導(dǎo)線排列方式下電磁環(huán)境計(jì)算值均滿(mǎn)足限值要求。

⑵從對(duì)地距離角度考慮，采用4×900mm2導(dǎo)線，四種排列方式要求的導(dǎo)線對(duì)地最小距離均不比DL/T 436-2005《高壓直流架空送電線路技術(shù)導(dǎo)則》中對(duì)單回直流線路要求的高。從房屋拆遷走廊寬度角度，極導(dǎo)線按B(-+/-+)排列時(shí)，線路下的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)較寬，走廊寬度較其他幾種排列方式稍大，但無(wú)論采用哪種極導(dǎo)線排列方式，同塔雙回直流線路所占走廊寬度都比單回要窄。

⑶從防雷特性角度考慮，在保護(hù)角為負(fù)的情況下，排列方式C(++/--)繞擊跳閘率最低，但反擊跳閘率最高； D(--/++)單回反擊跳閘率最低， B(-+/-+)雙回反擊跳閘率最低。四種排列方式全線總的雷擊跳閘率大體相當(dāng)，與南方地區(qū)已投運(yùn)的±500kV直流線路防雷性能也大致相當(dāng)。

⑷從帶電檢修角度考慮，一邊一回的布置方式更便于運(yùn)行人員事故搶修和帶電作業(yè)。

⑸從地線表面場(chǎng)強(qiáng)角度考慮，排列方式B(--/++)下地線在雨天會(huì)起暈， C(++/--)和D(--/++)不管晴天或雨天地線起暈嚴(yán)重，要使地線不起暈，要求地線的直徑必須大于17.5mm，即地線需采用185mm2截面及以上，這將增加鐵塔荷載和單基指標(biāo)。從地線表面場(chǎng)強(qiáng)考慮，極導(dǎo)線排列方式不宜采用C(++/--)和D(--/++)以及B(--/++)。

綜上所述，四種極導(dǎo)線排列方式電磁環(huán)境指標(biāo)和防雷性能均滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。從帶電檢修角度考慮，不推薦方式B(-+/-+)，從地線表面場(chǎng)強(qiáng)角度考慮，不推薦方式C(++/--)和方式D(--/++)以及B(--/++)。因此，本文推薦溪洛渡送電廣東±500kV同塔雙回直流輸電工程極導(dǎo)線排列方式采用方式A(+-/-+)。

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004。

Simple Analyse of Polar Conductor Arrangements of ±500kV Double Circuit DC Transmission

JIANG Wei-hua, LI Jian, WANG Xiong
(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

±500kV double circuit DC transmission has wide application and dissemination in china for large transmission capacity, equipment localization and short construction period, Polar conductor arrangements of±500kV double circuit DC transmission line should consider electromagnetic environment,lightning protection performance,corridor, corona, and project construction cost. This essay takes XILUODU~GUANGDONG ±500kV double circuit DC transmission line for example, synthetically compares several polar conductor arrangements through conductor surface electric field, composite ground electric field, ion current density、audible noise、RI、least distance between conductor and ground、corridor width、lightning protection performance and other factors.

double circuit DC transmission;polar conductor arrangements;electromagnetic environment; lightning protection performance.

TM75

B

1671-9913(2010)01-0058-04

2009-12-04

江衛(wèi)華(1970-)，男，高級(jí)工程師，從事送電線路設(shè)計(jì)工作。