1000kv线路特高压导线截面选择原理

1000kv线路特高压导线截面选择原理

0特高压输电线路导行系统的技术经济比较导线选择是特高压电气工程的一个重要课题之一，它对线路的传输能力、传输性能、环境事件（静电感应、头晕、广播噪声等）以及其他输电线技术的经济指标产生了重大影响。因此，线路选择对提高特高压电气线的技术难点和降低成本具有深远意义。特高压线路架线工程投资一般要占工程本体投资较大的比例,再加上导线方案变化引起的杆塔和基础工程量的变化,其对整个工程的造价影响很大,直接关系到整个线路工程的建设费用以及建成后的技术特性和运行成本,所以在整个输电线路的技术经济比较中,应该对导线的截面和分裂型式进行充分的技术经济比较,推荐出满足技术要求而且经济合理的导线截面和分裂型式。文献结合晋东南-荆门特高压交流输电线路工程可行性研究工作,对特高压交流输电线路的导线截面选择进行了研究。本文主要根据以上研究结果整理而成,相关结论可供工程参考。110特高压输电线路的保护与500kV交流线路相比,1000kV交流线路导线截面选择具有许多新特点,同时也带来了诸多值得研究的新问题:(1)首先1000kV交流线路导线截面选择没有直接的规程标准可以参照引用。目前国内有关架空送电线路设计规程中最高电压等级仅涉及750kV,国外也缺乏1000kV及以上电压等级的相关正式标准和规定。因此,在1000kV交流线路导线截面选择中,面临确定合适设计限值标准的问题。(2)随着电压等级的升高,电磁环境影响更加显著,其中电场效应、无线电干扰和可听噪声等方面可能成为特高压输电线路设计中的约束条件。因此,在1000kV交流线路导线截面选择中必须对电磁环境影响进行深入评估和论证。为获取特高压输电线路相关电磁环境影响参数,可以通过两个途径:其一是通过试验线路实测获得,受试验条件限值,该方式应用有限;其二是根据试验场大量实测数据获得的经验公式,进行电磁环境影响预测评估。在大样本空间下获取的经验公式,在特高压线路设计中具有重要指导意义。迄今为止,美国、前苏联、日本、意大利、巴西、加拿大、印度等国都建设特高压交流输电试验线路,进行了相关特高压交流输电技术研究。其中,特高压输电线路的电磁环境影响作为试验线路的研究重点之一,在各国的试验场也得到了广泛的研究,相关研究成果对我国特高压输电线路的设计具有重要借鉴意义。2采用单段选择原则和系统条件2.1特高压输电线路截面选择方案根据部颁《电力系统设计技术规程》及综合国内外750kV及以上电压等级架空输电线路运行、试验研究情况,电磁环境是实现交流特高压输电的一个重要限制因素。因此,本文认为1000kV交流输电线路导线截面选择应该考虑以下几个因素:(1)经济电流密度;(2)导线最大载流量;(3)无线电干扰水平;(4)可听噪声水平。此外,在导线经济比较中还应该计及电晕损耗。2.2线路选型和系统模型本文以晋东南-荆门百万级交流输电线路(以下简称晋东南-荆门线路)为研究对象,深入研究全线的导线截面选择问题。具体各段线路名称与长度见表1。为了避免同级电压网络中导线型号过多,便于设备采购等,本文以晋东南-荆门线路中最大潮流线路段作为导线型号选择依据,全线导线统一选型。经参考《国家电网特高压骨干网架总体规划设计专题》报告所用数据建立系统模型,并分别选取2015年和2020年的丰大和枯大两种潮流方式进行系统潮流计算。综合潮流计算结果,考虑系统发展及保留一定的设计裕度,认为晋东南-荆门线路导线截面选择的系统正常输送容量按5000MW考虑较为合适。3经济电流密度与导线段的初步选择3.1特高压线路电流密度的确定依据《电力系统设计技术规程》规定:正常运行方式下的最大输电容量符合电流密度要求。但是需要指出的是,规程中相关经济电流密度规定是1956年电力部颁布的,应该说随着工程造价和电价的变化,经济电流密度可能有变化,有关学者对该问题进行了深入研究,并提出多种经济电流密度确定方法。在世界上已建成特高压线路的两个国家中,前苏联取的电流密度为1A/mm2,日本取的电流密度为0.5A/mm2。结合国内的特高压线路工程实际条件,本文选取0.9A/mm2电流密度作为导线初选的参考值。依据如下公式:可计算得到导线总截面为3400mm2左右。3.2线路采用八分裂方式根据国外特高压线路的导线实际采用情况,在特高压线路中为解决电晕问题,一般都需要增加分裂导线根数和导线截面,如表2所示,目前国外已经建成的特高压运行或试验线路均采用八分裂方式。此外,根据在意大利1000kV工程试验场获得的数据显示:通过对6、8、10三种分裂方式的对称分裂导线的电晕、无线电干扰统计试验,与笼子数据、可听电晕噪声及生物学效应综合评估,认为1000kV线路导线以8分裂最好。其它国内外学者的相关研究结论也表明,1000~1200kV等级导线采用8分裂结构合理。考虑相关研究成果的可移植性,本文认为晋东南-荆门线路的导线分裂方式以8分裂较为适宜。3.3子导线截面选型根据前述经济电流密度计算结果及导线分裂方式选择,可以得到晋东南-荆门线路的子导线截面,初步考虑子导线截面选取范围在400~630mm2之间,即拟比选导线截面型号为8×400mm2、8×500mm2和8×630mm2。此外,综合国内外资料,导线截面的其它参数暂按如下考虑:子导线间距取40cm,相间距离取22.2m。4计算的修正4.1导线截面在不同温度下的最大允许电流根据前述潮流计算结果,并综合考虑系统发展情况,晋东南-荆门线路导线载流量暂按9000MW的极限输送容量进行校核,即每相通过的电流为5470A,8分裂方式下每根子导线需通过的电流为683A。各种导线截面在不同温度时的最大允许电流如表3所示。计算结果显示,当导线温升按70℃控制时,8×400导线无法满足要求,考虑环境温度裕度等因素,8×500和8×630基本满足要求;若导线温升以80℃控制时,8×400mm2、8×500mm2和8×630mm2导线均能满足极限输送容量的要求。4.2干扰后的校正4.2.1无线电干扰限值国标《高压交流架空送电线无线电干扰限值》规定的限值(0.5MHz)如表4所示,限值的参考距离是边相导线投影20m。我国的标准无线电干扰限值也是随电压升高而增大,750kV和1000kV线路未列入该标准。在国家电网公司企业标准《750kV架空送电线路设计暂行技术规定》中规定750kV线路的无线电干扰限值为55~58dB。依据其它相关专题报告研究成果并参考国外相关标准,本文推荐无线电干扰限值暂按58dB考虑,与750kV大体相当。4.2.2导电等效半径m依据《高压交流架空送电线无线电干扰限值》规程推荐的线路无线电干扰计算公式:边相最大场强Ebm计算依据以下公式:式中ND——距离线路边线D处(D<100m)0.5MHz的RI电平,dB;Ebm——边相导线表面最大电场强度有效值,kV/cm;r——子导线半径,cm;L——被干扰点到边导线的距离,m;d——分裂间距,cm;r3——导线等效半径,cm;上式算得的无线电干扰水平为好天气50%的无线电干扰水平,换算到80%时间,80%置信度的无线电干扰水平,还需增加6dB左右。参考相关规程,无线电干扰水平考核点距离边相投影取20m,导线弧垂最小离地高度取20m,按前述公式进行计算,结果如表5所示。由计算结果看,按58dB的限值考虑,8×400mm2、8×500mm2和8×630mm2三种型号导线均满足无线电干扰水平限值的要求。4.3可听噪声校正4.3.1特高压输电线路可听噪声取值到目前为止,世界各国均未正式制定交流特高压线路可听噪声的限制标准,而只是在各自交流特高压线路设计规范中提出了一个限值,见表6所示。我国国家电网公司颁布的企业标准《750kV架空送电线路设计暂行技术规定》中规定750kV线路可听噪声限值取55~58dB(参考距离为距线路边相导线投影外15m处)。我国国标《城市市区环境噪声标准》规定乡村居住环境的噪声参照一类标准执行,即昼、夜等效声级分别为55和45dB(A)。由于我国特高压输电线路的建设路径应该主要是农业地区,应参考我国环境噪声一类地区的限制标准,因此,特高压输电线路的可听噪声不宜超过55dB(A)。参考其他相关的专题研究报告结论,本文推荐可听噪声设计标准暂按55dB(A)考虑。与无线电干扰限值的参考距离一致,可听噪声限制指标也以边相导线投影外20m为参考距离。4.3.2般实测数据的推算可听噪声计算是基于有关试验研究机构,根据“电晕笼”试验数据推衍出导线表面电场强度与噪声的关系而得到的计算公式。本文采用美国BPA推荐的可听噪音预测公式进行计算,该公式是据各种不同的电压等级、分裂方式的实际试验段上的长期实测数据推算出来的,预估公式如下:式中SLA——A计权声级;PWL(i)——i相导线的声功率级;L——测点至被测i相导线的距离,m;E——导线的表面梯度,kV/cm;d——子导线直径,mm。该预测公式对于分裂间距为30~50cm,导线表面梯度为10~25kV/cm的常规对称分裂导线均是有效的。导线弧垂最低处离地高度暂按20m考虑,则根据上述公式可计算得到各种导线型号的可听噪音水平,计算结果如表7所示。上述计算结果表明,8×400导线的可听噪音水平已经超过可听噪声标准最大限值(55dB),8×500和8×630导线则基本满足可听噪声限值标准。4.4调线单位长度电晕损耗在计及导线的年电晕损耗后,线路的极限经济电流和传输效率会降低。电晕损耗与导线本体参数相关,同时也与线路工作电压和沿线地区气象条件关联。尤其是在雨雪雾凇等恶劣气候条件下,导线的电晕损耗将显著增加。在收集国内外大量试验数据与实测数据的基础上,有学者提出拟合500~1100kV线路单位长度电晕损耗的计算公式:式中Pf——单位长度晴天的电晕损耗,kW/km;Ps——单位长度雪天的电晕损耗,kW/km;E——导线表面场强,kV/cm;Eo——导线起始电晕场强,kV/cm。因中相和边相导线表面场强不一致,需分别计算:式中U——线路额定电压,kV;D——相间距离,cm;r3——分裂导线等效半径,cm。考虑到气候条件变化,引入年气候参数因子可以得到每回线路单位长度的电晕损耗年平均值:式中Tf——晴天时间,h;Ts——雪天时间,h;Pz——中相电晕损耗,kW/km;Pb——边相电晕损耗,kW/km。参照上述公式,可以计算得到晋东南-荆门线路的电晕损耗年均值,计算结果如表9所示。电晕损耗计算结果表明,不同截面导线因导线表面场强与起始电晕场强比值的差别,电晕损耗随导线截面增大而减少。根据电晕损耗计算结果,在导线型号经济评价的电能损耗指标中除包含电阻损耗外,还应考虑电晕损耗。5年年费:为线路公路经营资金支持及水质基础设施在线路运行维护费如通过kw本文采用年费用作为经济比较指标。年费用比较法是将参加的诸方案计算期的全部支出费用折算成等额年费用后进行比较,年费用低的方案为经济上优越方案。年负荷利用小时数取5000h(当功率因素取0.9时,相应的损耗小时数为3400h)计算年费用。年费用采用如下计算公式:年费用:初投资年费用+年运行维护费+电量损耗年费用初投资年费用:线路单位造价×公里数年运行维护费:初投资费用×1.5%电量损耗费用:线路损耗×损耗小时数×电价根据年费用计算公式,可以计算得到各导线截面的经济比较结果。此外,对以下几个方面作敏感性分析:(1)输送功率基本指标为5000MW,分别考虑输送功率为5500MW、4500MW和4000MW的情况;(2)年负荷利用小时数由基本指标的5000h下降至4500h时(相应的损耗小时数为2900h);(3)投资回报率由基本指标的8%上升到10%;(5)电价由基本指标的0.32元/(kW·h)增加到0.35元/(kW·h)。导线截面的年费用计算结果如表10所示。6特高压线路的经济分析前面对参与比选的8×400、8×500和8×630导线进行了载流量、无线电干扰、可听噪声、电晕损耗以及年费用等技术经济指标做了计算分析与比较。现将各项主要技术经济指标汇总,如表11所示。由表11可以看出:(1)按5000MW的输送功率考虑,8×400经济电流密度超过0.9,8×500和8×630经济电流密度在0.6~0.8之间;(2)以9000MW的极限输送容量考虑,若按80℃的导线温升控制,三种型号的导线均能满足载流量要求;若按70℃的温升控制,8×400导线不满足要求;(3)无线电干扰计算计算结果表明,三种型号导线均能满足58dB的干扰限值要求;(4)可听噪声计算表明,8×400导线无法满足55dB的噪声标准限