駱 玲，丁曉飛，邢 毅，包維瀚，李龍才，楊 倫

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

±1 100 kV換流站直流母線導體選型與布置研究

駱 玲，丁曉飛，邢 毅，包維瀚，李龍才，楊 倫

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

±1 100 kV特高壓直流輸電工程在工程應用中屬于新的電壓等級，對于換流站內(nèi)直流母線的選型與布置在參考±800 kV換流站的基礎上做進一步的研究分析。針對±1 100 kV直流極線戶內(nèi)布置的方案，對3種備選直流管母線 (6063G-Φ400/380、6063G-Φ450/430、6063G-Φ500/480)進行了電磁環(huán)境的校核計算，并結合目前±1 100 kV設備外形對導體的布置提出了推薦意見。研究結果表明：3種備選管母在對地高度15 ～25 m的范圍內(nèi)均不起暈，地面離子流密度以及磁感應強度滿足相關規(guī)程規(guī)范要求；在對地高度不小于18 m時，3種管母線地面合成場強均小于25 kV/m；管母線跨距不大于15 m的布置形式能滿足管母線的破壞應力及撓度要求。綜合考慮運行的安全可靠性以及工程的經(jīng)濟性，推薦采用6063G-Φ400/380管母線作為±1 100 kV直流母線，并建議管母線對地高度不小于18 m，且管母線跨距不大于15 m。

±1 100 kV換流站；直流母線；電磁環(huán)境；機械受力；管母跨距

0 引 言

換流站內(nèi)直流母線的選型與布置對直流母線周圍的電磁環(huán)境有較大的影響[1-4]。合理的母線導體選型與布置方案既要確保工程的安全可靠運行，也要兼顧運行的經(jīng)濟性。

鋁合金管母線在±800 kV特高壓換流站中已經(jīng)有成熟應用，而目前±1 100 kV特高壓直流輸電工程在工程應用中屬于新的電壓等級[2,5]，考慮±1 100 kV設備制造水平[6-8]以及運行的安全可靠性，直流極線設備按戶內(nèi)布置方案考慮。針對±1 100 kV戶內(nèi)直流場布置方案，對直流母線的選型與布置開展詳細研究。

1 直流母線導體電磁環(huán)境分析

由于支撐管母線具有初始起暈場強高、占地面積較省、接線清晰等特點，±1 100 kV換流站直流場母線仍推薦采用支撐管母線。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，在滿足通流要求的前提下選擇管母線導體6063G-Φ400/380、6063G-Φ450/430、6063G-Φ500/480進行比較。

1.1 電磁環(huán)境限值要求

±1 100 kV導體電磁環(huán)境要求暫無相應標準、規(guī)程規(guī)范可執(zhí)行，下面參照DL/T 1088-2008 《±800 kV特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值》以及中國電力科學研究院開展的人在直流電場下的穩(wěn)態(tài)感受試驗研究結論，確定±1 100 kV換流站直流母線電磁環(huán)境的控制指標如下[9-10]：

1)為了將換流站的地面合成電場在較大范圍內(nèi)控制在不超過30 kV/m，由單根管母線產(chǎn)生的地面合成電場需控制在20～25 kV/m；

2)由管母線產(chǎn)生的線下地面離子流密度限值建議為100 nA/m2；

3)直流磁場磁感應強度的控制指標為10 mT。

1.2 導體起暈場強的計算

導體電暈是在導體表面場強超過某一臨界值后才開始產(chǎn)生，這一臨界值通常稱為電暈臨界電場強度，或起始電暈電場強度。皮克(F.W.Peek)最早開始研究線路電暈，并給出了適用于交流線路電暈起始電場強度的計算公式，經(jīng)修改，得到適用于直流線路電暈起始場強的判據(jù)如下[11-12]：

(1)

式中：m為反映導體表面狀況的粗糙系數(shù)；r為導體半徑，cm；δ為相對空氣密度[12](標準情況下取1)。

(2)

式中：P0為標準大氣壓，101.3 kPa；P為換流站的實際大氣壓，kPa；t0為標準環(huán)境溫度，20 ℃；t為換流站的實際溫度，℃。

根據(jù)式(1)、式(2)計算標準環(huán)境條件下3種外徑導體的起暈場強如表1所示。

表1 導體起暈電場強度

1.3 導體表面場強的計算

采用國際大電網(wǎng)會議CIGRE 及國際無線電干擾委員會 CISPR 推薦的馬克特-門格爾法[13-14]計算導體表面電場強度。

1)用麥克斯韋電位系數(shù)法決定等效導線上的總電荷

[Q]=[P]-1[U]

(3)

式中:[Q]為導線上的電荷矩陣；[U]為導線上的電壓矩陣；[P]為電位系數(shù)矩陣，它們可以直接用鏡像法求得。

2)忽略子導線間的相互影響，并認為總電荷平均分配在每根子導線上，即每根導線的電荷為Q/n。則子導線表面平均表面電場強度由式(4)計算：

(4)

式中:ε為空氣介電常數(shù)；n為導線分裂根數(shù)，對于管母線n=1；d為子導線直徑，cm；對于管母線，d即為管母直徑。

3)對于分裂導線，由于屏蔽效應，實際表面場強在分裂導線外部要更大些，而在內(nèi)部則小些。計算分裂導線的平均最大表面電場強度如式(5)所示：

(5)

式中，D為通過分裂導線束各子導線中心的圓的直徑，cm。對于管母線而言，最大表面電場強度與導線平均表面電場強度相等。

根據(jù)式(3)～式(5)計算直流母線在距地高度15～25 m條件下，不同導體的表面最大場強如圖1～圖3所示。

圖1 φ400/380管母線導體表面最大電場

圖2 φ450/430管母線導體表面最大電場

由圖1～圖3可知：3種外徑的管母線在15～25 m的對地高度下，導體表面最大電場均小于其起暈場強，不起暈；相同高度時，導體外徑越大，導體表面平均最大電場強度越小；同一導體，高度越高，導體表面平均最大電場強度越小。

圖3 φ500/480管母線導體表面最大電場

1.4 地面合成場強計算

直流導體下的電場有兩種極限情況，一種是沒有電暈時，僅由導線上電荷決定的靜電場或標稱電場；另一種是飽和電暈時，僅由空間電荷決定電場，此時電暈已發(fā)展得相當嚴重，線下電場僅取決于極間距離和對地距離，導線本身尺寸已不影響線下電場。

如前所述的導體表面最大場強計算中，按15～25 m的對地高度，備選導體表面電場均小于起暈電場，導體表面理論上不會有電暈情況發(fā)生，故導體下方地面電場以直流導體電荷產(chǎn)生的電場為主，空間電荷產(chǎn)生的電場相對于直流導體電荷產(chǎn)生的電場較小。

文獻[15]中指出：“…未提供頻率低于1 Hz的電場強度限值，因為它實際上屬于靜電場，對大多數(shù)人來說因表面電荷而引起煩惱的感覺不會發(fā)生在25 kV/m場強之下，引起緊張或煩惱的火花放電應該避免”。 因此，在確定直流導體電場的限值時，除考慮人在直流電場下的直接感受外，還應考慮可能引起的暫態(tài)電擊。所以由直流場導體產(chǎn)生的地面合成電場值應控制在25 kV/m以下。

根據(jù)靜電場理論，由于在換流站中實際直流場正負極線相距200 m以上，忽略相反極性線及避雷線的影響，考慮電荷對無窮大地面場強情況時，使用鏡像法計算地面合成電場，結果如圖4～圖6所示。

由于備選管母線均不起暈，地面合成場強即地面標稱場強。對比以上3種備選管母地面標稱場強計算結果，要滿足地面標稱場強值不大于25 kV/m，則：

1)采用φ400/380管母線時高度不應小于17.3 m；

2)采用φ450/430管母線時高度不應小于17.6 m；

3)采用φ500/480管母線時高度不應小于18 m。

圖4 φ400/380管母地面合成場強

圖5 φ450/430管母地面合成場強

圖6 φ500/480管母地面合成場強

1.5 離子流密度計算

由于備選管母線電暈起始場強均大于表面最大電場強度，因此，不會產(chǎn)生飽和電暈情況。此時地面合成電場強度主要為標稱電場，地面離子電流密度幾乎為零，滿足管母線產(chǎn)生的線下地面離子流密度限值不大于100 nA/m2的要求。

1.6 磁感應強度計算

根據(jù)恒定磁場理論，考慮過負荷情況，采用安培環(huán)路定律，計算導體正下方磁感應強度B為

(6)

式中:B為導體在地面磁感應強度，T；μ為磁導系數(shù)，取4π×10-7T·m/A；H為導體的對地高度，m；I為導體電流，A。

從式(6)可以看出，導體的外徑不影響地面磁感應強度的計算結果。因此，備選管母線磁感應強度與對地高度的變化計算結果如表2所示。

表2 導體磁感應強度

根據(jù)表2的計算結果，備選管母線6063G-φ400/380、6063G-φ450/430、6063G-φ500/480布置在對地高度15～25 m情況下，均滿足地面磁感應強度小于10 mT的要求。

2 直流母線導體機械受力計算

±1 100 kV直流極線及設備在戶內(nèi)布置，不考慮大風、覆冰的工況，不考慮采用阻尼線。由于戶內(nèi)設備散熱差，特別是直流極線平波電抗器正常運行時會產(chǎn)生很大的熱量，戶內(nèi)需加裝空調(diào)及風機，風機的最大風速為7 m/s。

經(jīng)向設備廠家調(diào)研，±1 100 kV極線主要設備均壓環(huán)外徑如表3所示。

表3 極線主要設備均壓環(huán)尺寸

根據(jù)極母線的集中荷載分布情況，考慮最嚴重的情況：在同一管母線跨中懸掛安裝光CT及避雷器(光CT重量約0.6 t，避雷器重量約3.2 t，另計及金具共4 t)。避雷器、光CT及支柱絕緣子均壓環(huán)外徑共8.2 m，考慮設備吊裝時為避免設備均壓環(huán)間的碰撞，設備布置需要滿足一定的間距。支撐管母線的支柱絕緣子暫按間距15 m布置，則15 m為一跨。下面按15 m管線為一跨，兩跨連續(xù)計算受力情況。

6063G系列管母線的破壞應力為179.928 MPa。根據(jù)上述工況及荷載條件，分別計算3種管母線受力如表3～表5所示。

表4 φ400/380管母線受力計算結果

注：k為載荷短期作用時硬導體的安全系數(shù)[15]

表5 φ450/430管母線受力計算結果

注：k為載荷短期作用時硬導體的安全系數(shù)[15]

表6 φ500/480管母線受力計算結果

注：k為載荷短期作用時硬導體的安全系數(shù)[16]

由表4～表6可知，3種備選管母線在實際運行工況下，要求管母線最小破壞應力均小于管母實際的破壞應力；最大擾度滿足規(guī)程規(guī)范要求[15]：不大于0.5D(D為管母直徑)。

如按跨距16 m布置，兩跨連續(xù)計算，φ400/380管母線要求最小破壞應力達182.868 MPa，超出管母線的實際限制；φ450/430、φ500/480管母線破壞應力滿足要求。

3 結 論

通過對±1 100 kV直流母線3種備選管母φ400/380、φ450/430、φ500/480在對地高度15～25 m的范圍內(nèi)，導體下方的合成場強、離子流密度以及磁感應強度進行計算，并結合±1 100 kV極線設備布置的實際情況確定直流母線的最大跨距，其結果如下：

1)3種備選導體均不起暈且地面離子流密度與磁感應強度滿足規(guī)程規(guī)范要求。

2)φ500/480管母，對地高度不小于18 m；φ450/430管母，對地高度不小于17.6 m；φ400/380管母，對地高度不小于17.3 m：均能滿足地面合成場強滿足不大于25 kV/m的要求。

3)根據(jù)目前所調(diào)研的±1 100 kV設備均壓環(huán)外徑，綜合考慮設備布置安裝方式，計算出能滿足3種管母破壞應力及撓度要求的最大管母跨距為15 m。

±1 100 kV直流母線合理的選型與布置方案既要確保工程的安全可靠運行也要兼顧運行的經(jīng)濟性，直徑越小的管母經(jīng)濟性越高。因此推薦φ400/380管母作為±1 100 kV直流母線，結合目前設備外形，建議管母對地高度18 m，且支撐管母的支柱絕緣子間距15 m為經(jīng)濟技術最優(yōu)方案?？筛鶕?jù)現(xiàn)場設備的布置情況合理調(diào)整支撐管母的支柱絕緣子間距，但不應大于15 m。

[1] 萬保權，張小武，張廣洲，等. ±800 kV云廣線換流站母線電暈特性試驗研究[J]. 高電壓技術，2008，34(9)：1788-1791.

[2] 李先志，梁明，李澄宇，等. ±1 100 kV特高壓直流輸電線路按電磁環(huán)境條件的導線設計[J]. 高電壓技術，2012，38(12)：3284-3291.

[3] 柏曉路，李健，等. ±1 100 kV特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境研究[J].中國電力，2014，47(10)：24-29.

[4] hartier V L，Stearns R D.Formulas for Predicting Audible Noise from Overhead High Voltage AC and DC Lines[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1981，l00(1)：121-130.

[5] 魏曉光，宗文志，王高勇，等.±1 100 kV特高壓直流換流閥外絕緣操作沖擊放電試驗及海拔校正研究[J].中國電機工程學報，2014，34(12)：1996-2003.

[6] 張猛，王國金，張月華，等. ±1 100 kV特高壓干式平波電抗器絕緣設計與試驗分析[J]. 高電壓技術，2015，41(5)：1760-1768.

[7] 周沛洪，何慧雯，戴敏，等.±1 100 kV直流換流站避雷器布置、參數(shù)和設備絕緣水平的選擇[J]. 高電壓技術，2014，40(9)：2871-2884.

[8] 聶定珍，馬為民，余世峰，等.±1 000 kV/±1 100 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站的絕緣配合[J]. 高電壓技術，2012，38(12)：3156-3160.

[9] DL/T 1088-2008，±800 kV特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值[S]．北京：中國電力出版社，2008.

[10] 陸家榆，鞠勇.±800 kV直流輸電線路電磁環(huán)境限值研究[J]. 中國電力, 2006,39(10):37-42.

[11] Moyo N.M.，Ijumba N.M.，Britten A.C. Investigating Contributing Factors to HVDC Corona Noise[C]. PES 2005 Conference and Exposition in Africa, Proceedings of the Inaugural IEEE, 2005:428-432.

[12] J.G.Anderson. Transmission Line Reference Book：345 kV and Above[M].Electric Power Research Institute,1975.

[13] H.Anis，A.Zeitoun，M EI-Ragheb, et al. Field Calculations around Non-standard Electrodes Using Regression and Their Spherical Equivalence[J]. IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems,1977,96(6):1721-1730.

[14] Maruvada P. Sarma ，W. Janischewskyj.Electrostatic Field of A System of Parallel Cylindrical Conductors[J]. IEEE Trans．on Power Apparatus and Systems，1969,88(7):1069-1079.

[15] No Authors Listed. Guidelines for Limiting Exposure to Time-varying Electric, Magnetic, and Elctromagnetic Fields (up to 300 GHz)[J]. International Commision on Non-Ionizing Radiation Protection. Health Physics,1998,74(4):494-522.

[16] DL/T 5222-2005，導體和電器選擇技術規(guī)定[S]. 北京：中國電力出版社，2005．

駱 玲(1986)，工學碩士，從事變電站電氣設計工作；

丁曉飛(1975)，工學學士、高級工程師，從事變電站電氣設計工作；

邢 毅(1983)，工學碩士，從事特高壓變電站電氣設計工作；

包維瀚(1989)，工學碩士，從事變電站電氣設計工作；

李龍才(1982)，工學學士、高級工程師,從事特高壓變電站電氣設計工作；

楊 倫(1965)，工學學士、高級工程師，從事變電站電氣設計及管理工作。

±1 100 kV UHVDC transmission projects belong to a new voltage level in engineering applications, and the selection and arrangement of DC polar bus can refer to ± 800 kV converter station, which needs a further research and analysis. For the indoor layout scheme of ±1 100 kV polar line, the checking calculation is carried out for electromagnetic environment of three tube buses (6063G-Φ500/480, 6063G-Φ450/430 and 6063G-Φ400/380), and the recommendations are given for the arrangement of tube bus combined with the current ± 1 100 kV equipment size. The results indicate that, for these three alternative tube buses, corona would not appear when their height above ground is between 15～25 meters as well as the ground ion current density and magnetic induction would meet the requirements of relevant standards and regulations. The earth resultant electric field of each bus should be less than 25 kV/m when their height above ground is more than 18 m. Besides, the requirements of failure stress and deflection would be met when the conductor span is less than 15 m. Therefore, considering the safety and reliability of operation and the engineering economics, 6063G-Φ400/380 tube bus is recommended as ± 1 100 kV polar bus, and it is also recommended that the height should be more than 18 m and the layout span of bus should be less than 15m.

±1 100 kV converter station; DC polar bus; electromagnetic environment; mechanical force; span of tube bus

科技項目：國家電網(wǎng)公司科技項目(GWJYYKJXM[2014]002)

TM85

A

1003-6954(2017)03-0021-05

2017-01-07)