基于Deutsch假设法同塔高压/特高压直流输电线路地面合成场强研究

吕建红1,李国勇2,何智强2,黄韬1,邹妍晖1,阳金纯1  

(1. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院,湖南省 长沙市 410007;2.国网湖南省电力有限公司,湖南省 长沙市 410004)

摘要

采用Deutsch假设法,研究了不同组合架设方式下同塔双回高压/特高压直流输电线路地面合成场强的分布特性。结果表明:Deutsch假设计算结果与实测结果较吻合,适用于双回直流线路的预测。高压/特高压直流线路同塔双回架设时,因空间离子流场的相互影响,地面合成场强分布与塔型和导线布置方式有较大关系。±800 kV特高压直流线路位于上层、极导线采取+-/-+方式布置时,地面合成场强最大值相比采取-+/-+方式布置增加了17%;±800 kV特高压直流双极线路位于杆塔同一侧、极导线采取++/--方式布置时,地面合成场强最大值相比采取+-/-+方式布置时增加了9%;相同的高度、不同的塔型,地面合成场强最大可增加18%。上下层导线间距的变化对地面最大合成场强值的影响较小。同时,计算给出了不同塔型线路架设最小高度建议值。

关键词 : 同塔双回;直流输电线路;合成场强;Deutsch假设

国网湖南省电力有限公司科技项目(5216A516002D)。

0 引言

为解决经济发展与资源短缺、环境保护之间的矛盾,满足清洁能源外送需求,发展远距离特高压直流输电工程已成为必然[1]。而在大力发展特高压直流输电的同时,线路走廊用地日趋紧张[2],为提高单位走廊输电能力,减小两回直流线路电磁环境影响范围,节约投资,采取高压/特高压同塔双回直流输电的方式将成为必然选择[3]

在同塔双回直流输电线路的设计中,地面合成场强是需要考虑的一个关键问题。目前,中国已建成±500 kV同塔双回高压直流输电线路工程[4-5],设计和建设经验丰富,且针对±500 kV同塔双回高压直流输电线路合成场强的研究已开展较多工作[6-8]。而对于同塔双回高压(±500 kV)/特高压(±800 kV)直流输电线路尚未有工程实例,且研究较少。因此,本文结合同塔双回高压/特高压直流输电线路不同塔型及不同设计方案,开展高压/特高压同塔双回直流输电线路地面合成场强计算和特性分析,为工程的设计和建设提供技术参考。

1 合成场强的计算

直流输电线路合成场强计算方法主要有Deutsch假设法[9-15]和有限元法[16-18]。有限元法计算精度较高,但输电线路及周围空间属于半开放空间,场域的精细剖分对系统配置要求很高,致使其计算效率下降;Deutsch假设法计算速度相对较快,且根据已投运工程的运行经验可知,该方法计算得到的合成场强值与工程实际情况较吻合。因此,本文采用Deutsch假设方法开展同塔双回高压/特高压直流输电线路地面合成场强的计算研究。

忽略导线表面附近电晕层厚度、风速和离子扩散对合成电场影响,双极直流输电线路合成电场的计算方程为[19]

式中,φ为合成电场的电势,Es为合成电场强度,J 为离子流密度,ρ为电荷密度,K为离子迁移率,ε0为真空介电常数,下标“+”、“-”分别表示正、负极性。

根据Deutsch假设法,合成电场Es与标称电场E的关系可表示为

式中,A为大于零的标量函数。

待求解区域的边界条件为

式中,U为导线电压,Γ1、Γ2分别为导线表面和地面边界,Eon为导线起晕电场强度。

此外,利用Peek公式可估算正、负极导线表面起晕电场强度Eon

式中,r 为子导线半径,m为导线表面粗糙系数,其取值与导线表面状况、气象条件、运行时间均有关系,一般为0.3~0.8。通过上述公式求解可计算出地面合成电场Es

2 Deutsch假设法的验证

为验证Deutsch假设法在预测双回直流输电线路地面合成场强中的可行性,选取途经湖南境内某在运并行±800 kV特高压直流输电线路进行实测,测试方法依据文献[20]中相关规定执行。现场测量结果为统计的地面合成场强95%值,并与理论计算结果进行对比分析,如图1所示。

图1 并行双回特高压直流线路下方地面合成场强的理论计算与实测分布曲线
Fig. 1 The distribution of theoretical and measured ground total electric field under parallel double-circuit UHVDC transmission line

在理论计算中,考虑到新建投运导线与运行较长时间导线表面粗糙程度的差异性,新建线路导线粗糙系数 m=0.47,运行时间较长的线路,因导线表面积污较多,粗糙系数 m=0.381。计算参数依现场实际情况设置,即两条线路的实际运行电压均为±800 kV,其中一回线路导线对地高度23 m,导线型号为6×JL/G3A900/40,子导线半径为2 cm;另一回线路导线对地高度34 m,导线型号为6×ACSR720/50,子导线半径为1.81 cm;两回线路的分裂间距和极间距相同,分别为45 cm、22 m;两回线路相邻极导线间距为74 m。

由图1可知,现场实测结果与Deutsch假设法计算结果比较吻合,监测值基本落于两种取不同粗糙系数的计算曲线之间。即试验表明Deutsch假设法适用于双回直流输电线路工程实际设计和建设需要,计算误差在允许的可控范围之内。

监测期间,温度为23.0℃~30.3℃,相对湿度为38.7%~55.4%,风速为0.6 m/s~1.0 m/s,风向东南。合成电场测试仪型号为TFMS-01,精度为0.01 kV/m;温湿度计型号为HD200,精度分别为:温度0.1℃,湿度0.1%,风速仪型号为Testo435-2,精度为0.1 m/s。

3 结果与分析

3.1 塔型与布置方式

同塔双回高压/特高压直流线路设计方案,主要考虑极导线上下2层布置,同时根据不同电压等级的相对位置关系,设定3种塔型,具体如图2所示。塔型1为±800 kV特高压直流线路位于上层,±500 kV高压直流线路位于下层;塔型2为±500 kV高压直流线路位于上层,±800 kV特高压直流线路位于下层;塔型3为±800 kV特高压直流线路与±500 kV高压直流线路分别各位于杆塔的一侧。

不同塔型线路极间距、上下层间距如图2所示。对于塔型1(图2(a)所示),±500 kV高压直流线路位于下层,极间距为17 m;±800 kV特高压直流线路位于上层,极间距为22 m;上下层间距为15 m。对于塔型2(图2(b)所示),±800 kV高压直流线路位于下层,极间距为22 m;±500 kV特高压直流线路位于上层,极间距为12.5 m;上下层间距为17.5 m。对于塔型3(图2(c)所示),±800 kV高压直流线路位于杆塔左层,上下极导线距铁塔中心距离分别为11 m、11.5 m;±500 kV特高压直流线路位于杆塔右层,上下极导线距铁塔中心距离分别为7.5 m、8.5 m;上下层间距为18.5 m。此外,当±500 kV高压直流线路位于下层时(塔型1),下层导线对地高度取11.5 m;当±800 kV特高压直流线路位于下层时(塔型2),下层导线对地高度取18 m;当±800 kV特高压直流线路与±500 kV高压直流线路分别各位于杆塔的一侧时(塔型3),下层导线对地高度取18 m。±800 kV特高压直流线路导线型号设为6×LGJ-630/45,子导线半径为1.68 cm,分裂间距45 cm;±500 kV高压直流线路导线型号设为4×LGJ-720/50,子导线半径为1.81 cm,分裂间距45 cm。此外,计算时,导线粗糙系数 m=0.47,离子迁移率 K+=K-=1.7×10-4 m2/(V/s)。

不同塔型极导线正负极布置方式如图3所示,主要分+-/-+、-+/-+、++/--3种布置方式。塔型1架设时,极导线采取+-/-+和-+/-+两种布置方式;塔型2架设时,极导线同样采取+-/-+和-+/-+两种布置方式;塔型3架设时,极导线采取+-/-+和++/--两种布置方式。

图2 不同塔型线路极间距、上下层间距
Fig. 2 The pole spacing and distance between upper and downer layer of different type tower

图3 不同塔型极导线布置方式
Fig. 3 Conductor arrangements of different tower

3.2 地面合成场强分布特性

图4 采取塔型1架设时地面合成场强分布曲线
Fig. 4 The distribution of the total electric field under the transmission lines for tower type 1

根据图2中塔型和图3中极导线布置方式,依据Deutsch假设法对不同架设方式同塔双回高压/特高压直流输电线路下方地面合成场强分布特性进行计算,并与单回高压(±500 kV)或特高压(±800 kV)直流输电线路电场分布进行对比分析。计算时,图4为采用塔型1同塔双回高压/特高压直流线路与单回高压、特高压直流线路地面合成场强计算对比结果。其中红色实线、紫色虚线分别为+-/-+和-+/-+布置方式下同塔双回高压/特高压直流线路地面合成场强分布曲线;蓝色点线和绿色点虚线分别为单回±800 kV(对地高度取18 m)、单回±500 kV(对地距离取11.5 m)直流线路地面合成场强分布曲线。从图4可知,极导线+-/-+方式布置时,地面合成场强最大值为28.1 kV/m,大于极导线-+/-+方式布置时地面合成场强的最大值(24.0 kV/m),小于单回±800 kV直流线路地面合成场强最大值(29.3 kV/m);单回±500 kV直流线路地面合成场强最小,为23.1 kV/m。地面合成场强大小的差异性主要来自上层±800 kV直流线路周围空间离子流场的作用,即采用塔型1架设时,上层±800 kV特高压直流线路、下层±500 kV高压直流线路对地面场强均有较大的贡献量,且±800 kV特高压直流线路位于上层、极导线采用+-/-+方式布置时,地面合成场强最大值相比采用-+/-+方式布置增加了17%。

塔型2同塔双回高压/特高压直流线路与单回高压、特高压直流线路地面合成场强计算对比结果如图5所示。其中红色实线、紫色虚线分别为-+/-+和+-/-+布置方式下同塔双回高压/特高压直流线路地面合成场强分布曲线;蓝色点线和绿色点虚线分别为单回±800 kV(对地高度同样取18 m)、单回±500 kV(对地距离同样取11.5 m)直流线路地面合成场强分布曲线。由图5可知,对于同塔双回高压/特高压直流线路,±800 kV特高压直流线路位于下层时,极导线采取-+/-+和+-/-+方式布置时,地面合成场强最大值分别为29.8 kV/m、31.5 kV/m。即极导线采取+-/-+方式布置时,地面合成场强最大值相比采用-+/-+方式布置时增加了约6%;极导线采用-+/-+方式布置时,与采取单回±800 kV直流线路方式架设时相当(地面合成场强最大值为29.3 kV/m),且均远大于单回±500 kV直流线路架设时的地面合成场强(最大为23.1 kV/m)。由此可知,采取塔型2架设时,地面合成场强主要来自下层±800 kV特高压直流线路的贡献,上层±500 kV高压直流线路对地面合成场强贡献很小。

图5 采取塔型2架设时地面合成场强分布曲线
Fig. 5 The distribution of the total electric field under the transmission lines for tower type 2

同样的,图6为采用塔型3同塔双回高压/特高压直流线路与单回高压、特高压直流线路地面合成场强计算对比结果。其中红色实线、紫色虚线分别为++/--和+-/-+布置方式下同塔双回高压/特高压直流线路地面合成场强分布曲线;蓝色点线和绿色点虚线分别为单回±800 kV(对地高度同样取18 m)、单回±500 kV(对地距离取18 m)直流线路地面合成场强分布曲线。由图6可知,采用塔型3架设且极导线采取++/--和+-/-+方式布置时,地面合成场强最大值分别为35.3 kV/m、32.3 kV/m,即极导线采取++/--方式布置时,地面合成场强最大值相比+-/-+方式布置时增加了9%。采取单回±800 kV直流线路方式架设时,地面合成场强最大值为35.0 kV/m,与极导线采取++/--方式布置时相当;而采取单回±500 kV直流线路架设时,地面合成场强最大仅为14.1 kV/m,即采取塔型3架设时,地面合成场强主要来自±800 kV特高压直流线路的贡献。

图6 采取塔型3架设时地面合成场强分布曲线
Fig. 6 The distribution of the total electric field under the transmission lines for tower type 3

为进一步研究采取塔型1架设时,上下层直流线路之间的相互影响程度。在塔型1极导线采取+-/-+布置方式下,上下层导线的间距分别设置为15 m、20 m和25 m三种情况,计算得到其地面合成场强分布曲线,如图7所示,线路导线参数和前文一致。从图7中可知,随着上下层间距从15 m增加至20 m、25 m的过程中,对于上层±800 kV特高压直流线路导线地面投影外侧区域,由于受上层特高压直流线路影响较大,随着上下层导线的间距增加,地面合成场强减小幅度较大,从9.5 kV/m分别降至7.5 kV/m、6.2 kV/m。而对于地面最大合成场强,从28.1 kV/m分别降至27.2 kV/m、26.4 kV/m,减小幅度较小,不大于3%,即上下层导线间距的变化对地面最大合成场强的影响很小。

图7 上下导线不同层间距地面合成场强的分布曲线
Fig. 7 Distribution of the total electric field under transmission lines of different distance between the upper and lower layers

3.3 建议架设高度

由于直流输电线路途经居民区时其地面合成场强的80%不得超过15 kV/m,途经非居民区地面合成场强最大值不超过30 kV/m,因此为了确保线路环境敏感点周边及非居民区地面合成场强达标,经保守计算给出了同塔双回高压/特高压直流输电线路架设高度建议值,如表1所示。塔型1架设时,对地距离建议值较小,极导线采用-+/-+布置时,线路在居民区对地高度为15 m,线路在非居民区对地高度为11.5 m;极导线采用+-/-+布置时,线路在居民区对地高度为18 m,线路在非居民区对地高度为13 m。塔型3架设时,对地距离建议值最大,极导线采用+-/-+布置时,线路在居民区对地高度为30 m,在非居民区对地高度为21.5 m;极导线采用++/--布置时,线路在居民区对地高度为33.5 m,在非居民区对地高度为23.5 m。对于塔型2架设时,对地距离建议值略小于塔型3,线路在居民区对地高度分别为27 m(极导线-+/-+布置)和29 m(极导线+-/-+布置);在非居民区对地高度分别为21 m(极导线-+/-+布置)和21.5 m(极导线+-/-+布置)。

表1 不同塔型、极导线布置方式下,线路对地高度建议值
Table 1 The suggestion minimum height to the ground of transmission lines, under different tower types and different conductor arrangements

4 结论

采用Deutsch假设法,研究了不同组合架设方式下,同塔双回高压/特高压直流输电线路地面合成场强的分布特性,并计算给出了采取不同架设方式,同塔双回高压/特高压直流输电线路的对地高度。

1)高压/特高压直流输电线路同塔双回架设时,因空间离子流场的相互影响,地面合成场强分布与塔型和导线布置方式有较大关系。如采取塔型1建设,±800 kV特高压直流线路位于上层、极导线采取+-/-+方式布置时,地面合成场强最大值相比采取-+/-+方式布置增加了17%;相同对地高度,采取塔型3建设时,地面合成场强相比塔型2最大可增加18%。

2)采取同塔双回高压/特高压直流线路架设时,上下层导线间距的变化对地面最大合成场强的影响较小。

3)综合考虑地面合成场强分布和对地架设高度,建议同塔双回高压/特高压直流线路采取塔型1方式架设,在提高单位走廊输电能力的同时,可节省投资。

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Research on Total Electric Field at the Ground Level under HV/UHV Double-Circuit DC Transmission Lines on the Same Tower Based on Deutsch Assumption

LYU Jian-hong1, LI Guo-yong2, HE Zhi-qiang2, HUANG Tao1, ZOU Yan-hui1, YANG Jin-chun1
(1. Hunan Electric Power Corporation Research Institute of States Grid, Changsha 410007, Hunan Province, China;2. Hunan Electric Power Corporation Limited, Changsha 410004, Hunan Province, China )

Abstract: The paper analyzes ground total electric field distribution under HV/UHV double-circuit DC transmission lines on the same tower by Deutsch assumption. The result shows that the calculation of Deutsch assumption is consistent with measurement, so this theoretical calculation method is applicable to predict the total electric field of double-circuit DC transmission lines. For HV/UHV double-circuit DC transmission lines on the same tower, the total electric field distribution is related with the type of tower and conductors arrangement because of the mutual influence of ion flows in space. When±800 kV UHVDC transmission line is in the upper layer, the maximum ground total electric field of +-/-+ arrangement is increased about 17% relative to the -+/-+arrangement; when±800 kV UHVDC transmission line is in the same side of the tower, the maximum ground total electric field of ++/--arrangement is increased about 9% relative to the +-/-+arrangement;with the same height, the ground total electric field of tower type 3 can increase maximum 18% relative to tower type 2. Furthermore,the distance between the upper layer and lower layer has little effect on the value of total electric field under HV/UHV doublecircuit DC transmission lines. Simultaneously, the paper gave the suggested minimum transmission line height of different tower types.

Keywords: double-circuit on the same tower; DC transmission line; total electric field; Deutsch assumption


Project Supported by Science and Technology Foundation of Hunan Electric Power Corporation Research Institute of States Grid(5216A516002D).


作者简介:

吕建红

吕建红(1981),男,博士,高级工程师,主要从事电网电磁环境、输变电设施噪声研究,E-mail:lv_jianhong@163.com。

李国勇(1981),男,硕士,高级工程师,主要从事电网环境保护管理工作。

何智强(1978),男,博士,高级工程师,主要从事电网环境保护管理工作。

(责任编辑 赵杨)

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