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 李凌燕，陳媛，杜志葉，李健，阮江軍，黃國棟

 （1．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072;2．中南電力設(shè)計(jì)院，：湖北武漢430071）

摘要：±800 kV與+500 kV同塔混壓雙回直流輸電線路可有效解決日益增長的電力需求和輸電走廊資源緊缺的矛盾．但該輸電線路目前尚無設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，研究其塔型布置型式對線路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。采用上流有限元等方法研究了4種基本塔型在相應(yīng)導(dǎo)線布置方式下的電磁環(huán)境，計(jì)算了地面電場和離子流密度、可聽噪聲和無線電干擾以及線路最小對地距離和走廊寬度，并基于電磁環(huán)境限值要求對各塔頭臨界尺寸進(jìn)行了對比分析。根據(jù)綜合比較結(jié)果，推薦了±800 kV與±500 kV同塔雙回直流線路的最優(yōu)塔型布置方案，并在推薦塔型布置下研究了線路在不同運(yùn)行工況下的電磁環(huán)境，可為工程實(shí)際提供參考。

關(guān)鍵詞：直流輸電線路；同塔混壓；上流有限元法：塔型布置：電磁環(huán)境

中圖分類號：TM722 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-9649( 2015 )10-0065-06

0引言

 特高壓與超高壓直流同走廊輸電線路對于實(shí)現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置、提高輸電走廊的利用率、實(shí)施對不同負(fù)荷目標(biāo)的電力輸送具有重要意義。天廣直流工程和緬北水電外送工程擬共用同一路徑。緬北水電外送距離超過2 000 km,必須采用±800 kV特高壓直流輸電方案，而天廣直流為±500 kV輸電，因此采用±800 kV與±500 kV同塔雙回路直流輸電方案較為可行。±800 kV與±500 kV同塔雙回路直流輸電工程在國際上沒有工程先例，其設(shè)計(jì)運(yùn)行尚無成熟經(jīng)驗(yàn)。線路電磁環(huán)境影響與線路結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，由于不同電壓等級線路對橫擔(dān)和絕緣子串結(jié)構(gòu)尺寸的要求不同．混壓雙回直流輸電線路有多種塔型選擇。

 目前常用于分析電磁環(huán)境的計(jì)算方法有基于deutsch假設(shè)的解析計(jì)算方法和拋棄了deutsch假設(shè)的上流有限元法，后者對于復(fù)雜線路的計(jì)算更精確但在收斂穩(wěn)定性方面存在一定缺陷。文獻(xiàn)提出了一種新型的迭代收斂控制技術(shù)并得到了很好的驗(yàn)證。本文采用改進(jìn)迭代控制的上流有限元法計(jì)算±800 kV與±500 kV同塔雙回路直流輸電線路的離子流場，分別對不同塔型布置情況下的電磁環(huán)境指標(biāo)、導(dǎo)線最小對地高度及線路走廊寬度進(jìn)行了計(jì)算比較，對電磁環(huán)境限值要求的各塔頭臨界尺寸進(jìn)行了對比分析，給m了±800 kV

與±500 kV同塔雙回直流線路塔型的選擇建議。

1  塔型設(shè)計(jì)基本條件

1.1  塔型布置方案

 本工程同塔雙同線路有4種基本塔型方案，其中塔型一、二、三為2層布置，塔型四為1層布置，如圖1所示。表1給出了各塔型及對應(yīng)的導(dǎo)線布置方式，共8種布置方案。

 考慮不同塔型的線路布置情況，當(dāng)±500 kV位于桿塔下層時(shí)，導(dǎo)線對地高度取11.5 m：當(dāng)±800 kV位于桿塔下層時(shí)，導(dǎo)線對地高度取18 n1：本文±800 kV線路導(dǎo)線采用6xjL/GIA -630,/-45，+500 kV線路導(dǎo)線采用4xLGJ-720/50  地線采黽LBGJ-150-20AC鋁包鋼絞線。

1,2電磁環(huán)境限值

 參考對+800kV直流輸電線路電磁指標(biāo)限值的相關(guān)規(guī)定，本文采用±800 kV與±500 kV同塔雙回直流輸電線路的電磁環(huán)境限值如下：(1)地面合成場強(qiáng)晴天時(shí)不超過30  kV/m．雨天時(shí)不超過36 kV/m，最大離子流密度限值晴天不超過100nA／m2，雨天不超過150 nA/m2; (2)當(dāng)線路鄰近民房時(shí)，民房所在地面的未畸變合成電場強(qiáng)度按濕導(dǎo)線條件計(jì)算，不超過15 kV/m; (3)在海拔1 000 m及以下地區(qū)，距線路正極性導(dǎo)線對地投影外20 m處由電暈產(chǎn)生的可聽噪聲(L50)不超過45 dB(A)；海拔高度大于1 000 m且線路經(jīng)過非居民區(qū)時(shí)，不超過50 dB(A); (4)在海拔1 000 m及以下地區(qū)，距線路正極性導(dǎo)線對地投影外20m處800/0時(shí)間、80%置信度的0.5 MHz無線電干擾不應(yīng)超過58 dB（μV/m）。

2不同塔型電磁環(huán)境比較

2.1  地面電場和離子流密度對比分析

 依據(jù)上流有限元理論，編制計(jì)算混壓同塔雙回直流輸電線路離子流場的計(jì)算程序，設(shè)風(fēng)速為0．將正負(fù)離子遷移率分別設(shè)為1.5xl0-4 m2／(V·s)和1.7xl0-4 m2／(V·S)，收斂控制因子設(shè)為1/6以保證迭代過程收斂�？紤]不同的塔頭布置形式，典型尺寸下的導(dǎo)線極間距如表2所示。為保證所有導(dǎo)線完全起暈，本文計(jì)算雨天條件下各塔型布置方式的地面電場和離子流密度，其橫向分布曲線如圖2所示，地面標(biāo)稱電場、合成電場和離子流密度的最大值如表3所示。

 由表3可見，除塔型三和塔型二A方式以外．其余各塔型布置方式均能滿足雨天時(shí)地面最大合成場強(qiáng)和離子流密度的限值要求。總體來看，塔型一B方式的地面最大合成場強(qiáng)和離子流密度最小，塔型四、塔型二次之，塔型三最大。

 由圖2可看出，除塔型三外，各塔型布置方式下的地面標(biāo)稱電場、合成電場和離子流密度分布均相對線路中心對稱，且在不同導(dǎo)線布置方式下的分布規(guī)律有所差異。(1)所有方案中，塔型一A方式下地面標(biāo)稱電場最低，但由于同極性導(dǎo)線間距離較遠(yuǎn)使相互間的屏蔽作用減弱，增大了導(dǎo)線表面場強(qiáng)，導(dǎo)線電暈產(chǎn)生的空間電荷作用增強(qiáng)．從而使地面合成場強(qiáng)較其他方案偏高：B方式的地面標(biāo)稱場強(qiáng)最高，但是由于其不同回路之間同極性的導(dǎo)線距離較近，相互間的屏蔽增強(qiáng)，降低了導(dǎo)線的表面場強(qiáng)，從而改善了地面離子流密度和合成電場分布�？煽闯鏊�型四D方式與E方式存在類似差別，也是由以上原因造成的。(2)塔型一A方式下地面合成場強(qiáng)在距線路中心較遠(yuǎn)處衰減較快，且出現(xiàn)正負(fù)符號反轉(zhuǎn)，這是線路同側(cè)正負(fù)極性導(dǎo)線共同作用的結(jié)果，而B方式則變化較平緩，線路同側(cè)場強(qiáng)方向不變。(3)塔型二由

于±800 kV導(dǎo)線離地較近，其對地面場強(qiáng)變化起主導(dǎo)作用，A、B布置方式下地面合成場強(qiáng)分布趨勢較接近。

2.2  無線電干擾和可聽噪聲對比分析

 采用美國BPA推薦的公式計(jì)算可得距線路正極性導(dǎo)線對地投影外20 m處由電暈產(chǎn)生的可聽噪聲( L50)。采用國際無線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)推薦的公式計(jì)算可得到晴天距正極導(dǎo)線20 m處50%概率的0.5 MHz無線電干擾值，增加3 dB后即80%時(shí)間、80%置信度的無線電干擾值。±800 kV與+500 kV雙回路的無線電干擾和可聽噪聲值可由分別由兩回雙極線路的結(jié)果在能量層面上進(jìn)行幾何疊加得到。各塔型0 ni海拔下無線電干擾和可聽噪聲計(jì)算結(jié)果如表4所示。

 由表4可看出：(1)在Om海拔時(shí)，除塔型三的A方式和塔型四的E方式外，各導(dǎo)線布置方式的可聽噪聲和無線電干擾均滿足限值要求；(2)塔型一和塔型二在B布置方式下的可聽噪聲和無線電干擾均明顯小于A方式；(3)總體來看，塔型一的B方式和塔型四的E方式下的可聽噪聲和無線電干擾較小，距限值有較大裕度，更易滿足高海拔地區(qū)的限值要求。

3  電磁環(huán)境對設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

3.1  最小對地距離和走廊寬度

 計(jì)算各方案地面最大標(biāo)稱場強(qiáng)、最大合成場強(qiáng)和離子流密度隨極導(dǎo)線對地高度變化的。情況，得到電磁環(huán)境限值控制的導(dǎo)線最小對地高度。線路走廊寬度按極導(dǎo)線鄰近民房時(shí)房屋所在位置地面處最大未畸變電場不超過15 kV/m的標(biāo)準(zhǔn)確定。各塔型電磁環(huán)境限值控制的導(dǎo)線最小對地高度及線路走廊寬度如表5所示。

 由表5可知：(1)塔型一在不同導(dǎo)線布置方式下的線路走廊寬度差別較大，A方式約為B方式的一半，這主要是A方式下線路一側(cè)的地面合成場強(qiáng)衰減較快造成的。(2)對于塔型二，由于其地面電磁環(huán)境受下層±800 kV導(dǎo)線影響較大，其A、B方式下的最小對地高度和相應(yīng)的走廊寬度都較大，其中走廊寬度最大均超過70 m。(3)塔型三在C方式下的走廊寬度不大，但最小對地距離要求較高。(4)塔型四采用了1層布置方式，其橫擔(dān)較長．最大走廊寬度達(dá)到了65 m。(5)總體來看，塔型一對地高度要求最小，在A方式下線路走廊寬度最小，可最大限度上節(jié)省桿塔建造材料和走廊資源，降低工程造價(jià)。

3.2導(dǎo)線極間距

 極間距尺寸設(shè)計(jì)與電磁環(huán)境、合成絕緣子串長、空氣間隙、V型絕緣子串夾角等多種因素有關(guān)．表3所示的導(dǎo)線極間距典型尺寸已考慮各塔型的桿塔空氣間隙及V型絕緣子串長布置的要求。本文主要根據(jù)電磁環(huán)境限值計(jì)算了各塔型要求的臨界極間距，并在工程允許范圍內(nèi)比較其合理性與經(jīng)濟(jì)性，為后續(xù)線路設(shè)計(jì)提供參考。

 對于塔型一、二、四，保持其他條件不變，在典型尺寸基礎(chǔ)上改變+800 kV導(dǎo)線水平間距，計(jì)算1 000 m海拔下的各電磁環(huán)境指標(biāo)，得到恰好滿足限值時(shí)的+800 kV導(dǎo)線臨界問距：對于塔型三，保持其他條件不變，改變下層800 kV導(dǎo)線與500 kV導(dǎo)線的水平間距并計(jì)算得到其臨界值。結(jié)果如表6所示。

 由表6可知：(1)一般無線電干擾在工程允許的較大極間距尺寸范圍內(nèi)均能滿足限值要求，故其不控制導(dǎo)線臨界極間距。(2)塔型三的地面合成場強(qiáng)對下層導(dǎo)線間距的變化不敏感，難以在工程允許尺寸范圍內(nèi)滿足限值要求，同時(shí)其可聽噪聲所控制的極間距臨界尺寸相對較大，且其塔頭兩側(cè)橫擔(dān)不對稱，機(jī)械強(qiáng)度要求更高，故工程上一般不考慮該塔型布置方式。另外塔型四E方式也存在類似問題。(3)對于塔型一和塔型二的B方式以及塔型四D方式，其采用典型尺寸下的極間距即可滿足電磁環(huán)境要求。對于塔型一和塔型二的A布置方式，電磁環(huán)境控制的臨界極間距主要由可聽噪聲決定，要求的尺寸均比典型尺寸大。

 考慮到增大導(dǎo)線截面可有效降低可聽噪聲，圖3給出了±800 kV導(dǎo)線采用不同截面型式時(shí)可聽噪聲隨極間距的變化情況。

 由圖3可見，塔型-A方式下±800 kV導(dǎo)線采用6x LGJ - 900/75型式，以及塔型JB方式下±800 kV導(dǎo)線采用6xLGJ-720/50型式時(shí)，典型尺寸下的導(dǎo)線極間距均剛好能滿足可聽噪聲限值要求。故適當(dāng)增大導(dǎo)線截面型式能有效減小電磁環(huán)境控制的導(dǎo)線臨界極間距。

3.3地線支架高度

 極導(dǎo)線在地線表面感應(yīng)的電場過大會(huì)導(dǎo)致地線電暈放電．影響電磁環(huán)境。一般將地線表面場強(qiáng)控制在18 kV/cm以下，按此標(biāo)準(zhǔn)各塔型所需的導(dǎo)地線最小垂直距離及地線支架高度如表7所示。結(jié)果表明．A布置方式在對地線的電暈控制上比B方式有優(yōu)勢，且塔型三的C方式和塔型四的D方式在正常尺寸范圍內(nèi)均難以控制地線電暈。

4不同運(yùn)行方式的電磁環(huán)境比較

 基于塔型一計(jì)算并比較±800 kV與±500 kV同塔雙回線路在不同運(yùn)行方式下的電磁環(huán)境，各指標(biāo)如表8所示。

 由表8可知：(1)從兩回不同電壓等級線路的影響來看，與正常運(yùn)行時(shí)相比，±500 kV線路停運(yùn)時(shí)地面合成電場和離子流密度明顯減小，而±800 kV線路停運(yùn)時(shí)地面合成場強(qiáng)變化不大，可見±500 kV線路是否帶電運(yùn)行對地面合成電場和離子流密度的影響更顯著。(2)從導(dǎo)線布置方式來看，B方式下非正常工況的地面合成場和離子流密度變化程度略大于A方式，但均能控制在限值范圍以內(nèi)。(3)與正常運(yùn)行時(shí)相比，非正常工況下可聽噪聲和無線電干擾均減小，而±800 kV線路是否帶電運(yùn)行對可聽噪聲和無線電干擾的影響更為顯著�？傮w來看，塔型一在各運(yùn)行方式下的可聽噪聲和無線電干擾均滿足限值要求。

5結(jié)論

 (1)從電磁環(huán)境上看，塔型四的E方式和塔型三的可聽噪聲和無線電干擾相對較大，基本接近或已超出了限值。塔型三和塔型四的A方式的地面合成場強(qiáng)均超出了限值標(biāo)準(zhǔn)。塔型一的地面合成場強(qiáng)在所有塔型布置方式中最小，且塔型一在B方式下可聽噪聲和無線電干擾距限值還有較大裕度，在高海拔地區(qū)也容易滿足限值要求，而A方式的可聽噪聲接近限值，不宜用在高海拔地區(qū)。整體上看塔型一的電磁環(huán)境較優(yōu)。

 (2)從電磁環(huán)境對設(shè)計(jì)參數(shù)的影響上看，塔型三采用不對稱線路布置，對線路高度、極間距和地線支架高度均要求較高，工程上難以實(shí)現(xiàn)塔型四的D方式和塔型二的線路走廊寬度很大，比較浪費(fèi)走廊資源。而塔型一在較小的線路高度和適當(dāng)?shù)臉O間距下即可滿足電磁環(huán)境控制要求，工程建造上具有良好經(jīng)濟(jì)性。且塔型一在A方式下可最大程度節(jié)省走廊資源，B方式則不宜用在土地資源緊缺地區(qū)。

 (3）從線路在不同運(yùn)行工況下的電磁環(huán)境來看，塔型一在非正常工況時(shí)的各電磁環(huán)境指標(biāo)與正常運(yùn)行時(shí)相比有一定波動(dòng)，但多數(shù)情況下呈減小趨勢，且均能控制在限值范圍以內(nèi)。

 (4)綜合考慮電磁環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)可行性，推薦塔型一布置型式用于±800 kV與±500 kV同塔雙回路直流輸電線路。其中A布置方式適用于低海拔處房屋密集或人口較稠密地區(qū)，B布置方式適用于較高海拔處或人炯稀少的非居民區(qū)。