特高壓直流線路與接地極線路共塔設計探討

黃世鴻

(中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司,福州350000)

0 引 言

隨著我國直流特高壓線路飛快發展,及國家對生態環境的重視,可供輸電線路走線的廊道越來越緊張,特別是特高壓線路愈發明顯,因此特高壓直流線路與接地極線路共塔架設已成為我國特高壓直流線路受端必然面臨的問題和選擇。根據工程設計經驗,對共塔架設的控制因素及問題進行分析:共塔架設的導線布置;直流導線與接地極導線掛點層間距計算;共塔架設后鐵塔呼高受直流控制還是受接地極控制;共塔設計的優缺點;共塔架設的適用范圍。

1 直流線路與接地極線路共塔架設背景

1.1 直流輸電的基本原理及組成

特高壓直流輸電線路不同于交流線路,直流輸電是點對點輸送電力,電力從電源側直接輸送至用電側,線路中間無其他變電站。因此,一條特高壓直流輸電工程分送端和受端兩大部分,送端有送端交流系統、送端換流站、送端接地極及送端接地極線路;受端有受端交流系統、受端換流站、受端接地極及受端接地極線路[1],如圖1所示。

圖1 直流輸電系統基本結構示意圖

一條特高壓直流輸電工程中存在直流線路和接地極線路,接地極線路的主要作用是直流線路單極故障時通過大地返回方式進行臨時運行,運行時間非常短。我國直流線路電壓等級分為±500 kV、±660 kV、±800 kV及±1 100 kV,而接地極線路電壓等級較低,一般情況下電壓不會超過10 kV,但電流較高。如±800 kV特高壓直流輸電工程額定電流一般為5 000 A,接地極線路導線截面達到了4×500 mm2,因此不能當成普通的10 kV線路進行設計,接地極線路的交叉跨越一般按110 kV線路進行設計[2-4]。

1.2 共塔架設的必要性

我國地域遼闊,但資源分布非常不均衡,大部分煤炭資源及風電資源分布在西部和北部,而大部分的水利資源分布在西南部,如新疆的煤炭資源、內蒙古的風力資源、四川的水力資源,但能源消費主要集中在較發達的東部和南部省份,特別是沿海地區,由此適宜長距離電力輸送的直流輸電工程應運而生。由此可知,直流輸電工程受端往往坐落在東部或南部的經濟較發達地區,土地資源非常緊缺,特別是城市建設的快速擴張,以及對生態環境的高度重視,可供特高壓線路走線的廊道少,前期路徑選擇非常困難。據此,近年來受端接地極線路與直流線路共塔架設是大趨勢,是必然的選擇。

2 共塔架設關鍵控制因素

2.1 鐵塔導線布置方式

接地極線與直流線共塔架設位置一般有2種方案,如圖2所示。

圖2 共塔架設導線布置方案

方案1:接地極線布置在直流線下方,這種布置方式的優點是利用了直流線和接地極線對地距離的差值,差值越大,塔增高越小。方案1同時提高了直流線掛點和對地距離,減小了地面場強。

方案2:接地極線布置在直流線上方,對地距離仍由直流線路控制。直流導線布置在下方,鐵塔的負荷重心偏低,荷載分布合理。

與方案1相比,方案2為低電壓線布置在高電壓線上方,這將對接地極線的檢修工作提出更高的要求,作業方式和作業時間受到更嚴格的限制。方案1技術相對成熟、對運行的影響相對較小,因此,一般推薦采用方案1,即接地極線布置在直流線下方。

2.2 層間距計算探討

層間距即直流導線掛點與接地極線路導線掛點之間的垂直距離,層間距直接影響鐵塔塔重及工程投資。因此層間距不宜過大,但也不能太小,層間距過小可能不滿足兩回線路之間的間隙要求,過大又將不合理地增加工程投資,因此層間距需通過計算確定合理的數值。一般分兩部分確定層間距。

塔頭間隙及檔中間隙計算確定。塔頭間隙即塔身處縱向平面中直流線路及接地極線路需滿足規范要求下的操作間隙及帶電間隙,共塔情況下,直流線路對下平面多了一個接地極線路橫擔,因此較常規線路有所不同,特別是耐張塔,需注意耐張串上拔時,直流跳線對接地極導線的間隙較緊張,需注意校核,如圖3、圖4所示。

圖3 直線塔塔頭間隙

圖4 耐張塔塔頭間隙

檔中間隙主要計算各工況下直流線路與接地極線路導線間在靜態及動態下距離,一般情況下,直流導線帶電運行,而接地極導線空載運行,所以在正常運行條件下接地極導線線溫較直流導線低,因此需計算各工況下直流線路與接地極線路對應的線溫弧垂差,再行校核檔中靜態接近距離,需滿足相應海拔的操作間隙要求。在桿塔規劃階段,給定檔距L,操作間隙值情況可通過下列公式計算層間距:

ML=a+f1-f2+C1-C2

(1)

式中:ML為直流線路與接地極線路層間距,m;f1、f2為直流線路和接地極線路導線對應工況下弧垂,m;C1、C2為直流線路和接地極線路懸垂串等效串長,m;a為對應海拔下直流操作間隙要求值,m。

上述公式是在導線水平理想情況下的計算值,現實中導線是呈拋物線形態,因此導線在靜態下,直流導線與接地極導線最近距離并非垂直距離,而是垂直導線的最小距離,因此需考慮導線懸垂角θ的影響。由此推出公式如下:

(2)

動態接近距離校核較為復雜,一般是針對覆冰工況,根據大量的運行經驗,輸電線路導線在冰塊脫落的一瞬間,導線會產生上下跳躍,跳躍弧度逐漸變小。參考重冰區設計規范及以往工程經驗,上層直流導線在100%設計覆冰條件下,接地極線路導線其他檔100%覆冰條件、校核檔80%脫冰的瞬間,接地極校核檔導線會向上跳躍約1.8倍弧垂差[5-6]。據此條件計算出接地極導線跳躍最高處時對直流導線的空間距離需滿足工頻間隙要求的層間距如下:

ML=b+f1-(f2-1.8×(f2-f3))+C1-C2

(3)

式中:ML為直流線路與接地極線路層間距,m;f1為直流線路導線100%覆冰工況下弧垂,m;f2、f3為接地極線路導線100%覆冰、20%覆冰下弧垂,m;b為對應海拔下直流工頻間隙要求值,m。

通過上述計算,可最終確定合理的直流導線與接地極導線掛點間垂直距離,既滿足各工況下間隙要求,又節省工程投資。

2.3 塔高控制條件

直流線路與接地極線路共塔架設為多回混壓共塔架設,不同于常規的同電壓多回共塔架設[7-8]。常規的同電壓多回共塔架設交叉跨越距離未發生改變,塔高控制條件不變;而直流線路與接地極線路共塔架設,由于兩回線路電壓等級不同,交叉跨越距離不同,因此線路選線及終勘定位時,鐵塔高度控制條件需進行明確。輸電線路塔高的確定一般受交叉跨越物影響,如跨越公路、跨越成片林木、跨越電力線、跨越鐵路、跨越通航河流等等,假設直流線路與接地極線路定位弧垂在任何檔距下弧垂一致,通過對跨地面、跨電力線、跨成片林區進行簡單分析見表1。

表1 直流線路與接地極線路共塔架設后鐵塔呼稱高變化分析Table 1 Analysis of tower height change after DC line and grounding electrode line are erected in the same tower

通過上述分析可知,假設直流線路與接地極線路定位弧垂一致,共塔后鐵塔呼稱高均有不同程度增加,因此可明確,共塔架設后鐵塔呼稱高受接地極線路控制,現場終勘定位時可直接按照接地極線路進行排斷面即可,但建議對直流線路斷面進行校核。實際上,因為接地極導線截面積較直流線路小,但通過的電流一致,因此接地極導線一般采用耐熱導線,定位溫度往往高于直流線路,如120 ℃定位溫度,而直流線路定位溫度一般為40 ℃,因此直流導線弧垂是小于接地極線路的,由此實際鐵塔呼稱高增加量大于表1假設計算值。

3 共塔架設的優缺點

3.1 共塔架設的優點

在走廊允許的情況下,直流線路一般不建議與接地極線路共塔架設,但在經濟較發達地區,且隨著我國對生態環境越發重視,節約線路走廊已成為輸電線路不可避免要考慮的因素,因此直流線路與接地極共塔架設最明顯的優點即是節約線路走廊,節約國家土地資源。根據以往工程經驗,接地極線路共塔架設后可節約走廊寬度約27 m,若一條線路共塔架設50 km,可節約2 025畝土地資源,對于土地資源緊缺的地區具有很好的效益。當然根據輸電線路建設的外部環境特點,接地極線路與直流線路共塔架設后將帶來更多的好處,如減少征地補償,減少房屋拆遷,降低工程建設及協調難度等。

3.2 共塔架設的缺點

1)共塔多回架設不可避免地增加運行檢修難度,多回線路運行檢修難度遠大于單回線路。

2)共塔架設可能增加直流線路故障概率,如脫冰跳躍。若直流線路獨立架設,只需考慮直流導線對地線的脫冰跳躍問題,與接地極線路共塔后,將增加接地極脫冰跳躍對直流導線的影響因素,因此可能增加直流線路故障概率。

3)共塔后抬升塔高會增大直流線路荷載。根據上述第2.3節論述結論可知,直流線路與接地極線路共塔架設后,根據交叉跨越物的不同,導致鐵塔高度不同程度的增加,鐵塔高度的增加伴隨著風速的增大,鐵塔及直流導線所受荷載也將增大。

4 共塔架設的適用范圍

通過上述分析及以往工程經驗,共塔架設可以節約土地資源走廊,在如今我國發展形勢下,共塔架設是未來發達地區的趨勢,但不是所有情況下都可以共塔架設,可以從不同的限制因素來分析共塔建設的適用范圍。

1)從經濟發展程度來看,在我國經濟較發達的地區,如沿海東部及南部地區,經濟發展較快,土地資源非常緊缺,留給電力的走廊非常有限,在目前直流線路無法采用電纜形式情況下,建議采用共塔架設方式;而西部及北部地區,人煙稀少,走廊限制不太明顯的地區就沒必要采用共塔架設方式,分開架設可提高線路運行的安全、可靠性。

2)從氣象及地形條件來看,我國共塔架設地區主要在平原地區,覆冰一般在10～15 mm之間,對于覆冰達到20 mm及以上重冰區,考慮到重冰區容易產生脫冰跳躍對線路造成危害,且對于高山大嶺地形,由于容易產生大檔距大高差,對線路的導地線及鐵塔產生非常不利影響。因此,共塔架設可用于輕、中冰區及平原地區,對于重冰區及高山大嶺地區應盡量避免共塔架設。

3)從交叉跨越來看,接地極線路交叉跨越一般按110 kV考慮,以往工程一般只跨越110 kV及以下電力線,對于220 kV及以上電力線一般采取鉆越方式,但考慮到接地極線路作為直流線路配套工程的特殊性,建議對于220 kV及以下電力線,可共塔架設,對于500 kV及以上電力線,在條件允許情況下,建議接地極線路采取分開后進行鉆越,降低跨越塔高度及運行風險。

4)從環境保護來看,近年來隨著我國對生態環境保護的重視,電力建設受到了一定的制約,對于穿越生態敏感區的直流線路,電力走廊來之不易,因此建議涉及生態敏感區的線路采用共塔架設,積極保護生態環境,減少對生態環境的破壞,非生態敏感區在條件允許下建議分開架設。

5 結 語

綜上所述,直流線路與接地極線路共塔架設是我國直流特高壓發展的必然選擇,體現了我國對生態環境的重視程度及經濟快速發展的需求。通過共塔架設的導線布制方式、層間距離計算、鐵塔呼稱高等關鍵因素分析,探討共塔架設的合理性,分析共塔架設的適用范圍,既保證線路運行安全,又節約線路走廊土地資源,達到共塔架設的目的。