±1 100 kV特高壓直流輸電線路導線結構參數研究

李曉麗，李先志(.國網成都供電公司，四川 成都 600；.西南電力設計院，四川 成都 600)

±1 100 kV特高壓直流輸電線路導線結構參數研究

李曉麗1，李先志2
(1.國網成都供電公司，四川 成都 610021；2.西南電力設計院，四川 成都 610021)

導線選型及分裂方式的確定是發展±1 100 kV特高壓直流輸電工程的關鍵技術之一，對線路的可靠運行、環境保護和控制工程投資至關重要。采用國際公認的、經過實際工程驗證且廣泛使用的計算分析方法，研究了±1 100 kV直流輸電線路的結構參數(導線分裂數、子導線截面、導線分裂間距、極導線對地高度和極導線間距)對合成電場、可聽噪聲和無線電干擾場強的影響；對不同的導線方案進行了經濟性比較。根據電磁環境預測分析及經濟比較結果，確定了±1 100 kV直流輸電線路的導線結構。

±1 100 kV特高壓直流；電磁環境；導線選型

導線選擇是特高壓直流輸電工程的關鍵技術之一，對線路可靠運行、環境保護和控制工程投資至關重要。而±1 100 kV特高壓線路在工程實踐中屬新的電壓等級，目前尚無標準、規范、設計運行經驗可供參考。但根據現有±800 kV輸電線路研究結論[1,2]，并進行合理類推發現，決定±1 100 kV特高壓線路導線選擇的因素是電磁環境要求。因此，下面將主要從電磁環境要求出發，對采用不同結構導線時的電場、離子流密度、可聽噪聲和無線電干擾進行分析，并結合年費用計算等經濟性比較。提出±1 100 kV直流輸電線路導線分裂數和子導線截面選擇建議。

1 電磁環境限值

±1 100 kV特高壓線路的電磁環境要求尚無規程規范可以執行，本工程仍參照《±800 kV直流架空輸電線路設計規范》(報批稿)規定，電磁環境主要控制指標為[3]：①一般非居民區線路下方最大地面合成場強的控制指標為30 kV/m；鄰近民房的最大合成場強的控制指標為25 kV/m。②線路下方離子流密度的控制指標為一般地區：100 nA/m2；居民區：80 nA/m2。③直流磁場的控制指標為10 mT。

表1 導線型號及特性一覽表

表2 導線分裂數組合一覽表

④無線電干擾的控制指標：海拔1 000 m及以下地區，距直流架空輸電線路正極性導線對地投影外20 m處，80%時間，80%置信度，0.5 MHz頻率的無線電干擾不超過58 dB(μV/m)。⑤電暈可聽噪聲的控制指標：海拔1 000 m及以下地區，距直流架空輸電線路正極性導線對地投影外20m處由電暈產生的可聽噪聲(L 50)不超過45 dB(A)；海拔高度大于1 000 m且線路經過人煙稀少地區時，控制在50 dB(A)以下。

其中直流線路的磁場與地磁相當，遠小于國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)建議的公眾暴露限值[4,5]；地面離子流密度計算值也遠小于限值。 在導線選型時，磁場和離子流密度兩個指標不會起制約作用。

2 導線及分裂方式的初選

2.1 總截面的選取

特高壓直流線路所采用的導線，一般應符合有效的國家電線產品技術標準。需要采用非標準產品或國外產品時，應符合國際或生產國相同產品的技術標準。根據現行導線標準《圓線同心絞架空導線》[6]，基于以上要求和系統確定的總截面等條件，按照中國現有導線生產的情況，選擇以下鋼芯鋁絞線導線進行比較，其特性如表1，各導線的分裂數組合列入表2。

2.2 分裂間距

本文考察近25年來政府機構改革研究的成果情況，統計了歷年的CSSCI和核心期刊論文數量，其逐年變化趨勢如圖1所示。我國政府機構改革的研究大致興起于20世紀末，第一篇以“政府機構改革”為主題發表的文章是楊伯亞、孫明、陳春生（1992）的《在機構改革中優化政府行政協調職能》。本文通過分析改革與政府機構的相應配置和政府管理經濟職能轉變之間的關系，探究了如何在改革中優化政府的行政協調職能。[2]這與在當時第三次機構改革即將開始，并且將重點放在政府機構改革為了適應社會主義市場經濟體制上的大背景相契合。

導線分裂間距S的選取與子導線直徑d有關，并需考慮分裂導線的次檔距振蕩和電氣兩個方面的特性。然而兩者要求卻是矛盾的，防止次檔距振蕩要求分裂間距盡量大(S/d>13.80～18.0)，而電氣方面，對本項目而言則要求分裂間距盡量小，以降低表面場強進而降低電磁環境參數值(如圖1)。

圖1 分裂間距與導線表面場強的關系

由于±1 100 kV直流線路電磁環境影響較大，分裂間距選取時應更多考慮電氣因素而取較小的值，次檔距振蕩則通過合理安裝阻尼間隔棒來解決。從運行經驗來看，中國皖電東送、錫盟—南京等1 000 kV交流特高壓線路選擇的分裂間距為400 mm(8×630 mm2導線)，但由于本工程參選導線截面更大，大截面導線時分裂間距應適當增加。對大截面導線來說，寧東—山東±660 kV輸電線路分裂間距為450 mm(4×1 000 mm2導線)。基于以上考慮，本工程導線分裂間距按表3選取。

3 電磁環境計算

在本節的各種計算中，導線采用雙極水平排列，絕緣子串為V串布置，為深入研究不同導線方案對技術經濟的影響，掛線尺寸在合理范圍內選取多種數值參與計算，極間距取24、26、28 m，一般地區最小對地高度按25、27、29 m(計算地面合成場強用)，對應導線平均高取30、32、34 m(計算可聽噪聲和無線電干擾)。

表3 導線分裂間距及S/d值一覽表

3.1 地面合成場強計算

地面合成場強關系到線路附近居民的人身安全問題。美國Dalles試驗中心曾經做過相關人體試驗，試驗表明，人在22 kV/m(±400 kV)電場下，頭皮有輕微刺痛感覺；在27 kV/m(±500 kV)電場下，頭發有刺激感，耳朵和毛發有輕微感覺；人體在32 kV/m(±600 kV)電場下，頭皮有強烈的刺痛感覺。因此，將合成場強和離子流密度限定在一定的范圍內對環保具有重要的意義。

最小對地距離分別取25、27、29 m，極間距取24、26、28 m，計算各種導線的地面合成場強Es的計算結果見表4。

由表4可知，參選導線在海拔為0晴天條件下,合成場強小于30 kV/m，滿足限值要求。盡管海拔高度對合成場強、離子流密度的影響較大，但根據研究，合成電場強度隨海拔高度每升高1 000 m最大增加約4～5 kV/m，因此參選導線的合成場強，在海拔1 000 m也基本控制在30 kV/m。海拔1 000 m時，合成場強可能超過30 kV/m限值的，主要存在于表4中25 kV/m以上的導線方案，由于這些導線方案的導線表面場強也比較大，在滿足可聽噪聲限值方面也可能存在困難。

3.2 無線電干擾和可聽噪聲

3.2.1 無線電干擾計算方法

《±800 kV直流架空輸電線路設計規范》(報批稿)推薦的無線電干擾場強的計算方法是國際無線電干擾特別委員會CISPR的公式，試驗結果表明，CISPR計算方法具有較高的準確度，采用CISPR公式進行無線電干擾場強的預估計算。

RI=38+1.6(gmax-24)+46logr+5logn+33log20D

(1)

式中，RI為輸電線路的無線電干擾水平值，dB；gmax為導線表面最大電位梯度，kV/cm；r為子導線的半徑，cm；D為距正極性導線的距離(適應小于100 m)，m；n為分裂導線根數。

式(1)適用于0～500 m海拔，其后海拔每升高300 m，無線電干擾增加1 dB。式(1)計算值為好天氣，50%概率無線電干擾電平，換算至無線電干擾雙80%值還應增加3 dB。

3.2.2 可聽噪聲計算方法

表4 地面合成場強計算結果(海拔0，晴天)

表5 海拔1 000 m時不同導線的可聽噪聲預估值/dB(A)

注：表中的數值為距正極導線對地投影外20 m處的值，下劃線加黑表示海拔修正后滿足要求的值。

關于導線電暈引起的可聽噪聲的計算方法，國際上有許多研究機構進行過深入的研究，提出了各自的預測公式，但由于各自的實驗環境和條件不同，其預測公式的計算結果也存在差異。《±800 kV直流架空輸電線路設計規范》(報批稿)推薦采用BPA及EPRI的兩種計算公式，這里采用EPRI計算公式。PdB=56.9+124logE25+25logd4.45+18logn2-

10logRp-0.02Rp+Kn

(2)

式中，PdB為輸電線路的可聽噪聲，dB(A)；E為導線表面最大場強，kV/cm；n為次導線分裂根數；Rp為距正極性導線的距離，m；n≥3時，Kn=0。

對于高海拔修正，按照采用中國電力科學研究院的最新研究結論推薦的0～4 300 m按0～5 dB線性修正方法進行高海拔修正所得計算值作為判據。

3.2.3 計算及比較

按照上述計算方法，各種導線的可聽噪聲(AN)及無線電干擾值(RI)計算結果列入表5、表6。

表5、表6中的計算結果表明，所有參選方案的無線電干擾均小于58 dB(μV/m)，而可聽噪聲值是否滿足45 dB(A)的要求，則隨導線和布置尺寸的不同存在顯著差異。故決定導線型式的因素是可聽噪聲。

各種導線方案的可聽噪聲值隨極間距和線高不同而變化，且極間距的影響比線高的影響更大。10×630和10×720在表中所有排列尺寸下均滿足可聽噪聲限值要求，而8×JL/G1A-800/55與9×JL/G1A-630/45兩方案在滿足可聽噪聲要求下，極間距達28m，對地均高達34m，明顯不經濟，因此，這兩種導線方案首先被淘汰。在其余導線方案中，按最經濟原則，選取滿足可聽噪聲條件下極間距和線高最小的布置尺寸(列入表6)，再進行年費用比較。

表6 按最經濟原則確定的導線型式及其布置尺寸

4 年費用比較

表6中的導線均滿足電氣特性要求，要確定最優的導線方案只能再通過經濟性進行比較。年費用法為財務評價方法之一，能反映工程投資的合理性、經濟性。年費用比較法是將參加比較的諸多方案在計算期內的全部支出費用折算成等額年費用比較，年費用低的方案在經濟上最優。年費用包含初投資年費用、年運行維護費用、電能損耗費用及資金的時間價值(即利息)。年費用計算中難點在于估計各種導線方案對應的本體投資。這里充分考慮了各種導線對鐵塔的外負荷，以及表6中不同導線對應的極間距和塔高的不同對造價的影響，以便更為準確地估計不同導線方案的本體投資。以10 mm冰區典型線段為例，各導線方案的年費用比較如圖2、圖3。 年損耗在3 500 h，年費用較低的導線方案是8×JL/G3A-1000/45、9×JL/G1A-800/55、9×JL/G2A-720/50導線等方案，最高的是8×JL/G1A-1120/90，9×JL/G2A-900/75導線。年損耗在4500h，年費用最低的導線方案是8×JL/G3A-1000/45，最高的是9×JL/G2A-900/75和10×JL/G1A-630/45導線。總體來看，年費用最低的是8×JL/G3A-1000/45。

圖2 導線年費用比較圖(3 500 h)

圖3 導線年費用比較圖(4 500 h)

5 結 論

±1 100 kV特高壓直流線路導線選擇的主要控制因素是可聽噪聲，按海拔1 000 m時45 dB(A)限值控制，有6種導線型式可供選擇。最終結合經濟性比較，建議選擇8×JL/G3A-1000/45導線方式，分裂間距450 mm。

[1] 張文亮，陸家榆，鞠勇,等.±800 kV直流輸電線路的導線選型研究.中國電機工程學報[J].2007,27(27)：1-6.

[2] 梁明, 王永剛,周剛.±800 kV輸電線路按電暈條件的導線選擇.高電壓技術[J].2008,34(9)：1875-1879.

[3] 中華人民共和國國家標準.±800 kV直流架空輸電線路設計規范(報批稿) [S].

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

[5] 中華人民共和國國家電網公司企業標準.Q/GDW 145-2006，±800 kV直流架空輸電線路電磁環境控制值[S].

[6] GB/T 1179-2008，圓線同心絞架空導線[S].

Determination of conductor type selection and bundle structure is one of the key technologies for developing ±1 100 kV UHVDC transmission line projects, which is of vital importance to the reliable operation of transmission lines, the environmental protection and the control of project investment. Employing the internationally recognized, practically verified and widely used calculation and analysis methods, the influence of the structure parameters of ±1 100 kV UHVDC transmission lines, such as splitting number, sectional area of sub-conductors, splitting-wire spacing, conductor elevation to the ground and pole conductor distance, on total electric fields, audible noise and radio interference filed intensity is studied. The economic comparison is carried out with regard to different conductor schemes. Finally, the conductor structure of ±1 100 kV UHVDC transmission lines is determined on the basis of electromagnetic environment forecast analysis and economic comparison results.

±1 100 kV UHVDC；electromagnetic environment；conductor type selection

TM751

A

1003-6954(2015)02-0006-04

2014-10-27)

李曉麗(1983)，碩士，工程師，主要從事電力系統過電壓與接地研究；

李先志(1982)，碩士，工程師，主要從事送變電線路設計與研究。