750 kV緊湊型輸電線路導線表面電場強度優化

郭琳霞,龔有軍

(1.廣東省電力工業學校,廣州市,510520;2.廣東省電力設計研究院,廣州市,510663)

0 引言

高電壓等級緊湊型輸電線路由于電壓等級高、相間距離短,其電磁環境一般不夠友好。由于子導線之間的互相影響,子導線在等圓周排列方式下的表面電場強度分布并不均勻。靠近相導線幾何中心的子導線表面電場強度相對較高,而遠離相導線幾何中心的子導線表面電場強度相對較低。

導線表面電場強度的不均勻性增大了導線表面最大電場強度,不利于控制線路由于電暈產生的無線電干擾與可聽噪聲。蘇聯曾對330和500 kV緊湊型線路的子導線排列方式進行了優化[1],國內也在 220和330 kV線路上采用了倒梯形的排列方式以優化導線表面電場強度[2],并對 500 kV緊湊型線路的子導線優化排列進行了探討[3],但是還未曾對八分裂及以上線路的子導線的優化排列進行探討。本文對某750 kV單回緊湊型線路的子導線排列方式進行優化,并分析了優化排列方式對電氣參數的影響,所得結論可以為我國超高壓緊湊型輸電線路的建設提供一定的參考。

1 導線表面電場強度計算方法

假設n條對地平行的架空導線,和大地構成一個多導線系統,則每根導線 i的對地電位ui與該導線上的線電荷密度qi的關系如式(1)所示。

式中:ui為導線i的對地電位;qi為導線i的電荷密度;Pij為導線i與導線j的互電位系數;Pii為導線i的自電位系數。

式中:hi為導線i的平均對地高度;ri為導線i的半徑; Dij為導線i與導線j的鏡像之間的距離;dij為導線i與j之間的距離;ε0為真空介電常數。

將式(1)寫成矩陣形式,即

式中:P為電位系數矩陣;U為子導線的電壓列矩陣; Q為子導線的電荷列矩陣,導線上的電荷Q=P-1U。

求出導線的等效線電荷后,按下式即可求得導線表面電場強度[4]。

式中:qi、qj、ri、dij、ε0的意義與前相同;π為圓周率; φi-φj的意義如圖1所示。

圖1 導線i表面任1點p處場強計算示意圖Fig.1 Diagram of electric field intensity calculation at p point of ith conductor surface

2 導線表面電場強度優化方法

2.1 目標函數

為了直觀地表示子導線表面電場強度的不均勻度,引入式(6)作為目標函數。

式中:Emax為相導線的最大表面電場強度;Emin為相導線的最小表面電場強度;Eaver為相導線的平均表面電場強度。

目標函數f的值越小,子導線表面電場強度分布就越均勻。

2.2 邊界條件

當子導線之間的距離與導線直徑之比在 10左右時,可能出現嚴重的次檔距振蕩,對金具造成磨損甚至造成事故[5]。除了減小線路的檔距之外,減弱線路次檔距振蕩的方法就是將子導線之間的距離增大至導線直徑的 15～18倍[6]。根據資料,目前國際上已經投運的 750 kV線路中,分裂間距最短為320mm,子導線直徑為27 mm,分裂間距與導線直徑之比為 11[7]。因此,綜合工程實際運用情況與避免子導線次檔距振蕩的要求,在優化過程中,子導線之間的距離應大于350mm。

此外,由于750 kV緊湊型輸電線路的電壓等級高、相間距離相對較小,導線表面電場強度較大;加之線路所處地區海拔較高,導線起暈場強相對較低,線路電暈損失較大[8-10]。因此,考慮到控制線路電暈損失的要求,參考Q/GDW 179—2008《110～750 kV架空輸電線路設計技術規定》,750 kV緊湊型輸電線路導線表面電場強度與電暈起始場強之比不得大于0.88。

2.3 優化方法

子導線遠離相導線中心將減小其他子導線對其自身的屏蔽,從而增大該子導線的表面電場強度,降低與之相鄰的子導線的表面電場強度;反之,子導線靠近相導線中心則會增大其他子導線對其自身的屏蔽,降低該子導線的表面電場強度,增大與之相鄰的子導線的表面電場強度。因此,對于表面電場強度高于線路平均電場強度的子導線,可以讓其相對靠近導線的中心,增大其他子導線對其的屏蔽;對于表面電場強度低于平均場強的子導線,可讓其相對遠離子導線的中心,減小其他子導線對其的屏蔽。

3 工程應用

3.1 750 kV緊湊型輸電線路導線表面電場強度分布

相導線采用倒等三角形排列方式,相間距離10m,最下相導線平均對地高度19.67 m;每相導線采用8× LGJ-400/35,分裂間距400mm,導線弧垂15 m;地線采用2根GJ-90,地線間距11m。計算得到空間各子導線的表面電場強度分布如圖 2所示,圖 2中電場強度單位為kV/cm。可見,子導線等圓周排列方式下的導線表面電場強度分布很不均勻,以邊相導線為例,子導線表面場強的最大值為17.11 kV/cm,最小值為14.99 kV/cm,前者比后者大14.14%。

圖2 導線表面電場強度分布示意圖Fig.2 Electric-field intensity distribution of sub-conductor surface

3.2 優化方案

750 kV緊湊型輸電線路導線采用 8×LGJ-400/35,對子導線的排列方式進行優化,得到如圖 3所示的優化方案示意圖。其中,距離標記是子導線之間的距離,mm;角度標記是各子導線與相導線中心之間的連線的夾角。優化排列后,相導線中心的位置不變。

圖3 子導線優化排列示意圖Fig.3 Optimized arrangement of sub-conductors

圖4為子導線均勻排列示意圖,圖 5給出了圖 4所示子導線均勻排列與圖 3所示子導線優化排列情況下的導線表面電場強度分布對比情況。從圖 5可以看出,在子導線均勻排列方式下,邊線導線的表面電場強度不均勻度為15.31%,中相導線的表面電場強度不均勻度為12.8%;在優化排列方案下,邊相導線表面電場強度不均勻度為 1.58%,中相導線表面電場強度不均勻度為 0.67%。可見,通過改變子導線的排列方式,可大幅度降低導線表面電場強度分布的不均勻度。

4 對電氣參數的影響

表1給出了子導線優化方案與均勻排列方案的電氣參數比較。可以看出,子導線優化排列后線路下方的工頻電場的變化較小,幅度不到 3%,且均小于10 kV/m,符合國家關于 750 kV線路地面電場的相關規定[11]。這是因為,子導線優化排列改變的是子導線之間的相互位置,不是以增大線路導線束的等效半徑為目的,也就不會顯著增大線路的等效對地電容。因此,子導線優化排列對地面電場的影響不大。此外,子導線排列方式優化前后電暈損失基本不變,主要是由于優化排列主要的目的是減小不同子導線表面電場強度之間的差異,對線路的導線表面平均場強影響很小。

通過優化子導線的排列方式,改變它們之間互相影響的程度,可以降低導線表面的最大電場強度,大幅度優化子導線的場強分布。其中,表面電場強度不均勻度可由原來的約15%降為約1.5%,減小了1個數量級。由此帶來了電暈電磁環境的改善。優化后,線路的無線電干擾下降了1.6 dB,可聽噪聲下降了2.5 dB。考慮到分貝的定義,線路的無線電干擾強度與可聽噪聲強度分別下降了31%與 44%。

表1 子導線優化前后的電氣參數對比Tab.1 Contrast of electric parameters before and after optim ization

5 與其他優化措施的比較

在子導線均勻排列方式下,將750 kV緊湊型輸電線路的無線電干擾與可聽噪聲分別降低 1.6與2.5 dB所需采取的技術措施及其經濟技術對比如表2所示。可見,相對于增大子導線直徑、減小分裂間距與增加導線對地高度等措施,子導線優化排列可在不損失線路自然功率、不增大工程一次投資的情況下降低線路的無線電干擾和可聽噪聲,具有一定的優勢。但是多分裂導線的優化排列的還未見有應用的相關報道,且需要研制相應的特殊金具。因此,在采用子導線優化排列方式之前,還應對導線束的力學特性進行深入系統的研究。

表2 不同優化方案的比較Tab.2 Comparison of various optim ization schemes

6 結論

(1)子導線優化排列后,可大幅度降低導線表面電場強度不均勻度,線路的無線電干擾強度與可聽噪聲強度分別降低31%與44%。

(2)子導線優化排列后,線路的電抗、電容、電暈損失、地面電場和自然功率基本不變。

(3)相比其他改善線路電磁環境的措施,子導線優化排列可在不損失自然功率,不增大一次投資的情況下改善線路的電磁環境,但是其力學特性還有待深入研究。

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