±800 kV特高壓直流輸電線路極間距優化

劉文勛，趙全江，李健，馬凌，黃欲成，于躍

(中南電力設計院，武漢市，430071)

0 引言

±800 kV特高壓直流輸電線路雙極導線一般采用水平方式排列，其極間距離是綜合考慮電磁環境、絕緣子串長度、絕緣子串夾角、空氣間隙等因素而確定的。我國已建成的云南—廣東±800 kV直流輸電線路、向家壩—上?！?00 kV直流輸電線路以及正在建設的錦屏—蘇南±800 kV直流輸電線路的雙極導線極間距均按不小于22 m設計。隨著±800 kV特高壓直流輸電線路關鍵技術的進一步深化研究以及大截面導線的研制和成功應用，能否減小±800 kV線路的極間距離已成為大家所關注的主要問題之一［6］。

極間距是影響塔重指標的重要因素，極間距越大，桿塔橫擔越長，相同導線荷載下對桿塔產生的力矩越大，塔材指標也就越高。從極間距對塔重敏感性分析可知，極間距縮減10%，塔重減少約6%。因此，縮小極間距對降低塔重、節省工程投資具有重要意義。

本文結合±800 kV特高壓直流輸電線路的典型設計條件，研究極間距優化的可行性和技術路線，為后續特高壓直流輸電線路的設計提供參考。

1 極間距優化邊界條件分析

1.1 極間距變化對電磁環境的影響

電磁環境問題是特高壓直流輸電線路設計的首要問題［1］，極間距越小，極導線表面場強越大，則無線電干擾、可聽噪聲越大。以6×JL/G3A－900/40導線為例，當電壓為±816 kV、對地距離取18 m時，計算出不同極間距下的導線表面場強、地面合成場強、無線電干擾及可聽噪聲，如表1所示。

表1 不同極間距的線路電磁環境計算結果Tab.1 Results of electromagnetic environment of different polarity distances

由表1可知，隨著極間距的縮小，導線表面最大標稱場強增大，從而無線電干擾和可聽噪聲增大，地面合成場最大值有所降低［3］。同時可以看出，采用6×JL/G3A－900/40導線時，滿足電磁環境要求時的最小極間距可較22 m大幅縮減，僅為16.5 m左右。

此外，通過計算可以發現，隨著導線截面的增大，相同極間距情況下的無線電干擾、可聽噪聲等指標也會有所改善，滿足電磁環境指標的最小極間距也會隨導線截面增大而減?。?］。

1.2 合成絕緣子串長優化

特高壓直流線路合成絕緣子長度選擇一般采用污耐壓法，即根據試驗得出的閃絡梯度，考慮污穢成分、上下表面污穢不均勻、灰密等因素的修正，并考慮絕緣配合安全裕度得出合成絕緣子長度。

由于人工污穢閃絡電壓曲線是以純NaCl為人工污穢得到的，而實際污穢有相當多的導電成分是溶解度、導電性差很多的CaSO4。根據NGK提供的污穢成分校正經驗公式可知，隨著石膏的比例增大，耐污壓有所提高，當石膏:鹽=4:1時，耐污壓提高20%;石膏:鹽 =10:1，耐污壓提高30%;石膏:鹽 =20:1，則耐污壓提高40%。可見，按人工污穢試驗結果選擇的絕緣子長度，在污穢成分方面，污耐壓水平是有一定的安全裕度的［4］。

計算合成絕緣子串長的另一重要參數是絕緣配合安全裕度。目前合成絕緣子污耐壓試驗數據都是基于合成絕緣子完全親水性的，而憎水性狀況下的污閃電壓遠高于親水性的污閃電壓。實際運行中合成絕緣子出現完全親水性的可能性不大。盤式絕緣子安全裕度取3σ，考慮到合成絕緣子在積污特性方面優于盤式絕緣子，因此，建議合成絕緣子安全裕度取2σ。輕、中、重污區的合成絕緣子長度計算結果如表2所示。建議合成絕緣子長度在輕、中、重污區分別取 8.5，9.4，10.6 m。

表2 合成絕緣子長度Tab.2 Comparison of composite insulator string lengthsm

1.3 空氣間隙

±800 kV直流線路直線塔一般采用V型絕緣子串，空氣間隙主要受操作過電壓間隙控制。根據已建特高壓直流線路沿線過電壓的計算分析和現行規程規定［5］，空氣間隙如表3所示。

表3 空氣間隙值［2］Tab.3 Different air gaps

2 主要邊界條件對極間距的敏感性分析

2.1 空氣間隙和絕緣子串長

在電磁環境滿足要求的前提下，桿塔極間距是由空氣間隙和絕緣子串長2方面控制條件決定的。綜合不同污穢條件的絕緣子串長和不同操作過電壓及海拔條件的空氣間隙，進行塔頭布置，可以得出極間距的控制條件，如表4所示。

表4 空氣間隙和絕緣子串長對極間距的影響Tab.4 Effect of air gap and insulator string length on polarity distance

由表4可見，極間距同時受空氣間隙和絕緣子串長控制，空氣間隙越小，串長越長，極間距越可能受串長控制，相反極間距更可能受空氣間隙控制。

2.2 V型串夾角對極間距的敏感性分析

V型串夾角的取值也會影響導線相對塔身的位置。V型串夾角取的較大，能夠滿足較小的搖擺角系數，但極間距隨之放大，而且可能造成對上橫擔間隙不足;V型串夾角取的較小，則可以縮小極間距，但桿塔定位受到一定限制，同時也加長了等效串長，降低了導線對地高度。

V型串夾角受到氣象條件、導線型號及桿塔使用條件影響，一般來說，導線截面越大、搖擺角系數越大，V型串夾角越大。當空氣間隙為6.3 m時，分析V型串夾角變化對極間距的影響，結果如表5所示。

表5 V串夾角對極間距的影響Tab.5 Effect of V style insulator string angle on polarity distance

由表6可知，V型串夾角越大，極間距越大，同時等效垂直串長越短，在同樣的對地距離下，要求的桿塔呼高越低;但是當塔頭主要由空氣間隙控制時，縮小V型串夾角對極間距影響甚微。

3 極間距優化實例

以溪洛渡—浙西±800 kV直流輸電線路工程為例進行極間距優化。

氣象區:風速27 m/s，輕中冰;

海拔:1000 m以下;

導線型號:6×JL/G3A－900/40;

操作空氣間隙:6.3 m;

絕緣子串:V型合成絕緣子串，污穢不均勻系數取1.065，灰密校正系數取1.14，污穢成分的校正系數取1.0，安全裕度取2σ時，串長計算值為10.6 m;

V型串夾角:桿塔搖擺角系數取0.65時，夾角計算值為85°。

根據以上邊界條件對桿塔進行塔頭設計及塔材布置，可將±800 kV直流輸電線路最小極間距從22 m縮為20 m，如圖1所示。

圖1 極間距優化后的塔頭示意圖Fig.1 Tower head of optimized polarity distance

4 可放檔距校核

按照規程規定，直流輸電線路的水平線間距離應符合如下要求:

式中:D為導線水平線間距離，m;ki為懸垂絕緣子串系數，V型絕緣子串ki=0;Lk為懸垂絕緣子串長度，m;U為系統標稱電壓，kV;fc為導線最大弧垂，m;kf為系數，1000 m 以下檔距取0.65，1000～2000 m取0.8～1.0;A 為增大系數，10～15 mm 覆冰取 0，20～30 mm 覆冰取 0.5 m，40 mm 及以上覆冰取1.0 m。

由式(1)計算可知，極間距縮為20 m后的線路最大可放檔距大于1.3 km，可以滿足實際工程排位的檔距要求。

5 極間距優化的經濟性分析

極間距大小直接影響著桿塔的塔重及基礎指標，以溪洛渡—浙西 ±800 kV直流輸電線路工程JC27152型轉角耐張塔為例進行計算，極間距優化后的桿塔指標比較如表6所示。

表6 極間距優化后的桿塔指標Tab.6 Tower indicators of optimized polarity distance

從表6可知，極間距從22 m縮為20 m后，JC27152型轉角耐張塔質量減少3.13 t，基礎鋼筋減少了0.1 t，基礎混凝土減少了1.4 m3，桿塔單基費用可節約3.8萬元，本體投資可節約7.6萬元/km。對于長距離輸電的特高壓直流輸電線路來說，優化極間距具有可觀的經濟效益。

6 結論

本文參考已(在)建±800 kV特高壓直流輸電線路的設計經驗，并結合±800 kV特高壓直流輸電線路關鍵技術的進一步深化研究以及大截面導線成功應用的成果，對極間距進行優化研究，主要結論如下:

(1)極間距是影響塔重指標的重要因素，極間距縮減10%，塔重可減少約6%。

(2)電磁環境是影響極間距的重要因素，導線截面越大，允許的最小極間距越小，采用6×JL/G3A－900/40時，滿足電磁環境要求時的最小極間距可較22 m大幅縮減。

(3)安全裕度取2σ時，合成絕緣子在輕、中、重污區的長度分別取8.5，9.4，10.6 m。

(4)以溪洛渡—浙西±800 kV直流輸電線路工程為例進行極間距優化，結果表明特高壓直流線路在輕、中冰區將極間距從22 m縮小為20 m是可行的。優化后的基本塔單基本體費用可節約3.8萬元，本體投資可節約7.6萬元/km。對長距離輸電的特高壓直流輸電線路來說，具有較為明顯的經濟效益。

［1］DL/T 1088—2008±800 kV特高壓直流線路電磁環境參數限值［S］.北京:中國電力出版社，2008.

［2］中國電力工程顧問集團.云南至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程初步設計研究(第六卷第四冊):絕緣配合及絕緣子型式選擇研究［R］.北京:中國電力工程顧問集團，2007.

［3］王小鳳，周浩.±800 kV特高壓直流輸電線路的電磁環境研究［J］.高壓電器，2007，43(2):109-112.

［4］吳光亞，郭賢珊，張銳.特高壓直流輸電線路污穢外絕緣設計及配置［J］.高電壓技術，2008，34(5):862-866.

［5］劉振亞.特高壓直流輸電技術研究成果專輯:2008年［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［6］萬啟發.二十一世紀我國的特高壓輸電［J］.高電壓技術，2000，26(6):12-13，42.

［7］周浩，余宇紅.我國發展特高壓輸電中一些重要問題的討論［J］.電網技術，2005 ，29(12):1-9.