我國特高壓輸電線路的相導(dǎo)線布置和工頻電磁環(huán)境

1、第29卷 第8期 電 網(wǎng) 技 術(shù) V ol. 29 No. 8 2005年4月 Power System Technology Apr. 2005文章編號：1000-3673（2005）08-0001-07 中圖分類號：TM726.1；TM153 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 學(xué)科代碼：470·4034我國特高壓輸電線路的 相導(dǎo)線布置和工頻電磁環(huán)境邵方殷（中國電力科學(xué)研究院，北京市 海淀區(qū) 100085）PHASE CONDUCTOR CONFIGURATION AND POWER FREQUENCYELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT OF UHV TRANSMISSION L

2、INES IN CHINASHAO Fang-yin（China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijng 100085，China ）ABSTRACT ：The strategy and measures for solving the power frequency electromagnetic environment problems in developing their UHV transmission lines in former USSR, Japan and the US are briefly in

3、troduced and analyzed. Based on the construction and operation experiences gained from 500kV transmission lines in China a new phase conductor configuration scheme (compact line with verse triangle configuration of phase conductors is proposed. Distributions of power frequency electric field and mag

4、netic field for the above mentioned three types of UHV transmission lines abroad and that of the proposed scheme to be developed are calculated under the same control condition. The obtained results should be helpful in choosing and determining the phase conductor configuration and the type of tower

5、 of the first UHV lines in China. KEY WORDS ：Power system ；High voltage engineering ；UHV transmission line ；Compact transmission line ； Electromagnetic environment；Power frequency electric field；Power frequency magnetic field摘要：介紹了前蘇聯(lián)、日本和美國的特高壓輸電線路的研發(fā)簡況、國外解決工頻電磁環(huán)境問題的不同做法以及我國解決500kV 線路工頻電磁環(huán)境的措施。在相導(dǎo)線對

6、地距離和輸送電流相同的條件下，對國外已研發(fā)的三種特高壓輸電線路和作者建議研發(fā)的緊湊型特高壓輸電線路的工頻電場和磁場分布進(jìn)行了計算和比較，所得分析結(jié)論可為我國特高壓輸電線路的相導(dǎo)線布置選型提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；高電壓技術(shù)；特高壓輸電線路；緊湊型線路；電磁環(huán)境；工頻電場；工頻磁場1 引言我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長對電力的需求量在不斷增加，根據(jù)國網(wǎng)建設(shè)有限公司的規(guī)劃，近幾年內(nèi)將建設(shè)1000kV 特高壓輸電線路。美國、前蘇聯(lián)、日本和意大利等國已于20世紀(jì)70年代初先后開展了特高壓輸電工程建設(shè)的研究工作，由于各國的國情不同，各國研制開發(fā)適用于本國的特高壓輸電線路的相導(dǎo)線布置及塔型相差較大。我囯

7、的特高壓輸電線路應(yīng)采用哪一種相導(dǎo)線布置和塔型是一個值得研討的問題。在環(huán)境保護(hù)方面，針對如何解決工頻電場和磁場環(huán)境問題，各國的做法差別也很大。特高壓輸電線路的電磁環(huán)境問題主要涉及工頻電場和磁場、無線電干擾和可聽噪聲等方面，在滿足可聽噪聲和無線電干擾的限值方面，各國的一致做法是增加相導(dǎo)線分裂根數(shù)和減小導(dǎo)線表面場強(qiáng)。本文結(jié)合我國國情，從改善輸電線下工頻電磁環(huán)境的角度考慮，建議我國的特高壓輸電工程采用相導(dǎo)線倒三角布置緊湊型輸電線路，還對國外已開發(fā)和研制的三種相導(dǎo)線布置方式和本文建議采用的緊湊型相導(dǎo)線布置方式的線下工頻電場和磁場分布進(jìn)行了計算比較，為最終確定特高壓輸電線路的相導(dǎo)線布置方式和塔型提供參考依

8、據(jù)。2 國外特高壓輸電線路的建設(shè)情況2.1 前蘇聯(lián)前蘇聯(lián)于20世紀(jì)70年代開始研究特高壓，至1981年共建設(shè)了1150kV 特高壓線路2346km ：埃基巴斯圖茲科克切塔夫線段長500km ，于1985年建成，并按額定電壓投運(yùn)；科克切塔夫庫斯坦奈線段長390km ，于1988年建成并投運(yùn)，后因蘇聯(lián)解體，負(fù)荷需求改變，于1989年全線降壓為2 Power System Technology V ol. 29 No. 8500kV 運(yùn)行1-3，該線路曾是世界上按額定電壓正式運(yùn)行過的唯一特高壓輸電線路。前蘇聯(lián)的特高壓輸電線路中相導(dǎo)線為水平排列，每相最初采用8×AC 330/43分裂導(dǎo)線，分

9、裂間距為0.4m ，分裂導(dǎo)線的外接圓直徑為1.02m 。為減輕中相導(dǎo)線穿過鐵塔時局部線段導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度的增加，將長約22m 一小段的中相懸掛點(diǎn)分裂導(dǎo)線由8分裂改為10分裂。桿塔采用拉V 塔，兩邊相和中間相分別采用懸垂和V 型絕緣子串，相間距為24.2m ，桿塔的外型和主要尺寸如圖1(a所示。 長期運(yùn)行情況表明，電暈損失較大，特別是天氣較差時。在后建的輸電線路中相導(dǎo)線采用8×AC 400/53分裂導(dǎo)線，分裂間距不變3。線路跨越等級公路時地面電場限值取為12kV/m，導(dǎo)線對地距離為21m ；線路通過無人居住區(qū)時（但人類活動能達(dá)到的地區(qū)）地面電場限值取為15kV/m，導(dǎo)線弧垂最大時對地距

10、離為18.5m 。架空地線采用2×AC70/72型雙分裂鋼芯鋁絞線，分裂間距為0.4m 。 2.2 日本日本自1973年10月開始研究特高壓輸電技術(shù)，于1988年開始動工建設(shè)特高壓輸電工程，到1995年已建成1000kV 特高壓輸電線路350km 。已建成的兩段線路先后于1992年4月和1993年10月降壓為500kV 運(yùn)行，未完成的部分在繼續(xù)建設(shè)4-6。日本的1000kV 特高壓輸電線路采用同桿雙回線路，每相導(dǎo)線采用8分裂結(jié)構(gòu)，分裂間距為0.4m ，分裂導(dǎo)線外接圓直徑約為1.04m 。根據(jù)不同線路段的輸送容量，8分裂導(dǎo)線的單根導(dǎo)線可分別選用 610mm 2、810mm 2、940m

11、m 2和960mm 2等鋼芯鋁絞線。雙回路鐵塔上架設(shè)了兩條具有負(fù)保護(hù)角的架空地線，地線采用良導(dǎo)體以提高防雷效果，地線為空芯絞線結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯敷設(shè)5根光纖用于傳遞通信和控制信號。各相絕緣子均為懸垂串，每串約40片，長約7.8m （根據(jù)線路所處地區(qū)和絕緣子的型號略有差別），直線塔的相間距離為20m ，耐張塔的相間距離為17.5m 5,6。特高壓同桿雙回線路的直線鐵塔外型如圖1(b所示。 2.3 美國美國邦維爾電力局 （BPA ）曾計劃建設(shè)1100kV 電壓等級輸電線路，還曾設(shè)計了相導(dǎo)線正三角型布置的自立式鐵塔，該塔高60m ，寬56m ，在試驗(yàn)站建立了試驗(yàn)線段進(jìn)行了試驗(yàn)運(yùn)行，鐵塔的主要尺寸及外型如圖1

12、(c所示7。第29卷 第8期 電 網(wǎng) 技 術(shù) 3頻電場控制到足夠低需大幅抬高導(dǎo)線對地距離，由于輸送距離不長，日本經(jīng)濟(jì)是足以承受的。我國的特高壓輸電距離很長，采用日本的辦法在經(jīng)濟(jì)上的花費(fèi)很大，且日本的特高壓輸電線路雖已建成多年，尚無全電壓運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，也不宜直接搬用。美國BPA 研制的1000kV 特高壓輸電線路是正三角布置，與前蘇聯(lián)水平布置的特高壓輸電線路相比，線路走廊可以減小，但鐵塔較高，為將線下工頻電場限制到適合于農(nóng)業(yè)勞動，還需要通過抬高導(dǎo)線對地距離來實(shí)現(xiàn)。這種線路僅通過了試驗(yàn)站內(nèi)試驗(yàn)，還未用于實(shí)際工程。3 關(guān)于我國交流特高壓輸電線路相導(dǎo)線布置方式的建議3.1 建議采用相導(dǎo)線倒三角布置的緊湊型

13、線路以上三種特高壓輸電線路，按相導(dǎo)線布置方式來分類，可區(qū)別為相導(dǎo)線水平布置、正三角布置和同塔雙回線路，它們都是高壓和超高壓輸電線路中經(jīng)常見到的。中國的特高壓輸電線路如準(zhǔn)備采用其中一種，還需根據(jù)我國具體國情重新考慮和設(shè)計塔型、塔高和相間距等。根據(jù)我國已建的高壓和超高壓輸電線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和我國的國情，還應(yīng)考慮采用相導(dǎo)線倒三角布置的緊湊型輸電線路。（1）國外改善輸電線路工頻電場對環(huán)境影響的做法美國。為防止輸電線路線下及附近工頻電場對人造成不良影響，對500kV 及以上電壓等級的超高壓輸電線路允許電力公司征購線下一定寬度的土地，被征購的走廊內(nèi)和走廊邊緣地區(qū)的工頻電場都有明確限值，走廊內(nèi)最大工頻電場限值一

14、般為10kV/m，走廊邊緣的工頻電場限值各州各有規(guī)定，從而使相應(yīng)的走廊寬度也有較大差別8。各州走廊邊緣的電場限值參見表1。表1 美國各州500kV 和750kV 輸電線路走廊邊緣電場限值 Tab. 1 The threshold value for electric field around 500kVand 750kV transmission lines regulatedby different state of USA州 名佛羅里達(dá) 蒙大拿 紐約 新澤西 電場限值/(kV/m2.01.01.62.0目前美國還沒有正式運(yùn)行的特高壓輸電線路，在早期研制階段，有關(guān)于特高壓輸電線路電磁環(huán)境的文

15、獻(xiàn)建議特高壓輸電線路走廊邊緣工頻電場限值取為4kV/m。前蘇聯(lián)。由于土地國有不存在征購線路走廊問題，考慮到超高壓和特高壓輸電線路輸送距離長，為減少線路建設(shè)費(fèi)用，線下電場取值較高，最大電場限值為15kV/m。為防止電場對人造成不良影響，在線路經(jīng)過無人居住但人類活動可以到達(dá)的地區(qū)，將線下的一定寬度范圍劃定為防護(hù)區(qū)，防護(hù)區(qū)內(nèi)不允許有永久和臨時性住房，防護(hù)區(qū)邊緣設(shè)有警示牌要求人們不要在防護(hù)區(qū)內(nèi)長時間停留9。對于交流1150kV 線路，限制人員進(jìn)入的防護(hù)區(qū)邊緣電場限值為1kV/m，總寬度約為160m 1。日本。由于國土狹窄人口密集，輸電線路很難避開人員經(jīng)?；顒拥牡貐^(qū)，因此輸電線路線下工頻電場的限值比美國

16、和蘇聯(lián)低很多，例如500kV 線路跨越公路時工頻電場限值規(guī)定為3kV/m，跨越農(nóng)田時電場限值約為45kV/m。日本減小線下及其附近工頻電場的辦法主要是大幅提高導(dǎo)線對地距離，同時并輔以同塔雙回路采用逆相序布置。1100kV 同塔雙回線路采用逆相序布置后，為確保跨公路和人員可進(jìn)入地區(qū)的線下工頻電場限值達(dá)到3kV/m限值，導(dǎo)線對地最小距離為42m 5。（2）中國緊湊型輸電線路的線下工頻電場和磁場我國規(guī)定500kV 輸電線路的線下工頻電場限值為：跨越農(nóng)田時取10kV/m，跨越公路時取7kV/m。今后將建的1000kV 輸電線路線下工頻電場仍應(yīng)維持上述限值不變。目前500kV 常規(guī)單回和同塔雙回輸電線路

17、通過適當(dāng)抬高相導(dǎo)線對地距離來滿足上述限值。為在不增加導(dǎo)線對地距離的前題下改善線路附近民房和線下農(nóng)田的工頻電磁環(huán)境，20世紀(jì)80年代中期中國電力科學(xué)研究院曾提出常規(guī)500kV 線路采用相導(dǎo)線倒三角布置的方案10，由于條件所限未曾實(shí)現(xiàn)。在研發(fā)我國緊湊型輸電線路時采用相導(dǎo)線倒三角布置，與國外相比除可提高自然功率及減小線路走廊以外，還可大幅改善線下工頻電場和工頻磁場環(huán)境。這種緊湊型輸電線路已通過220kV 、330kV 和500kV 運(yùn)行考驗(yàn)，目前已在500kV 電網(wǎng)中推廣應(yīng)用。圖2和圖3分別表示了500kV 常規(guī)和緊湊型輸電線路的線下工頻電場和工頻磁場分布情況11。由圖2可見，緊湊型輸電線路導(dǎo)線對地

18、最小距離（10.5m ）小于常規(guī)線路（11m ），而最大工頻電場反而小于常規(guī)線路。大于4kV/m和2kV/mV工頻電場的范圍，常規(guī)線路的為52m 和64m ，緊湊型4 Power System Technology Vol. 29 No. 8 圖3 500kV 常規(guī)和緊湊型線路工頻磁場分布Fig. 3 The distribution of power frequency magnetic field under 500kV traditional transmission line and compacttransmission line線路的僅為16m 和32m 。采用緊湊型線路可顯著減小

19、線下高場強(qiáng)區(qū)的范圍和最大電場。由圖3可見，在通過相同電流（1kA ）、緊湊型線路最小對地距離（10.5m ）小于常規(guī)線路（11m ）的條件下，緊湊型線路的最大工頻磁場還不到常規(guī)線路的一半，同時還大大減小了高工頻磁場的范圍。由于我國人口多，用于農(nóng)業(yè)的耕地有限，能源點(diǎn)和負(fù)荷中心間的距離又長，電力輸送不可避免地要經(jīng)過農(nóng)業(yè)區(qū)。因此目前的輸電線路建設(shè)特別強(qiáng)調(diào)減小建設(shè)用地，盡可能壓縮線路走廊寬度和提高單位走廊寬度輸送容量，建設(shè)特高壓輸電線路也應(yīng)遵循這一原則。雖然建設(shè)特高壓輸電線路與建設(shè)相同輸送容量的500kV 線路相比，已大大節(jié)省了線路走廊寬度，如果特高壓輸電線路是緊湊型，減少走廊寬度和提高單位走廊寬度輸

20、送容量的幅度將會更大。特別是中國的緊湊型輸電線路是在認(rèn)真總結(jié)西方壓縮相間距離緊湊型線路的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)和吸收了前蘇聯(lián)提出的改變分裂導(dǎo)線結(jié)構(gòu)也可提高線路自然功率的某些新思路，采取了壓縮相間距離和增加分裂導(dǎo)線根數(shù)同時并舉的方法，進(jìn)一步提高了線路的自然功率，還解決了壓縮相間距離后導(dǎo)線表面場強(qiáng)增加的問題。以500kV 昌平房山緊湊型輸電線路為例，在無線電干擾和可聽噪聲水平與常規(guī)線路大體相同、相導(dǎo)線最小對地距離略小于常規(guī)線路的前題下，其自然功率較常規(guī)線路提高了34%，輸電走廊較常規(guī)線路減小了17.9m 。我國特高壓輸電線路如采用緊湊型線路，在提高線路自然功率、單位走廊寬度輸送容量和減小線路走廊方面將大大優(yōu)

21、于500kV 緊湊型線路。3.3 緊湊型輸電線路的可靠性問題已用于我國220kV 、330kV 和500kV 線路中的相導(dǎo)線倒三角布置的緊湊型輸電線路，在理論上和多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都可證明，這種相導(dǎo)線布置方式確實(shí)能夠大幅提高自然功率、大幅減小線路走廊寬度和大幅改善線下及其周圍的工頻電場和工頻磁場環(huán)境。主要問題是桿塔設(shè)計和相導(dǎo)線懸掛方式如何在不同電壓等級下安全可靠地實(shí)現(xiàn)這種導(dǎo)線布置。從220kV 、330kV 和500kV 緊湊型線路相導(dǎo)線的懸掛和桿塔設(shè)計情況來看，導(dǎo)線布置都是一次成功并長期安全運(yùn)行。昌房500kV 緊湊型線路自1999年投運(yùn)以來已安全運(yùn)行了5年多，500kV 緊湊型線路目前已在國內(nèi)

22、全面推廣。此外，三峽華東的500kV 線路中政平宜興段已建成投運(yùn)了同塔雙回相導(dǎo)線倒三角布置的緊湊型線路?；谶@些情況，特高壓輸電線路采用倒三角布置緊湊型線路在相導(dǎo)線懸掛和桿塔設(shè)計方面應(yīng)該沒有無法克服的困難。4 幾種特高壓輸電線路線下工頻電場和工頻磁場分布的比較特高壓輸電線路要解決的電磁環(huán)境問題主要包括工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聽噪聲幾方面。其中無線電干擾和可聽噪聲可通過增加相導(dǎo)線分裂根數(shù)、改進(jìn)分裂導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及減小導(dǎo)線表面第29卷 第8期 電 網(wǎng) 技 術(shù)5電場來實(shí)現(xiàn)，在這方面各國的做法基本一致。在消化吸收并適當(dāng)補(bǔ)充國外研究成果后可直接用于我國。但在解決輸電線路工頻電場和工頻磁場對環(huán)境影響方

23、面，各國的做法相差很大，除技術(shù)措施以外還與國情及政府行為等因素有關(guān)，需根據(jù)我國的具體國情確定解決方案。據(jù)此本文對國外已研發(fā)的三種特高壓線路和緊湊型特高壓線路，在每相的導(dǎo)線總截面相同、相同的對地距離和線路電流的條件下，計算和比較了線下的工頻電場和工頻磁場分布情況。計算時對前蘇聯(lián)、日本和美國研發(fā)的三種特高壓輸電線路保持相導(dǎo)線布置方式、相間距離、相導(dǎo)線分裂根數(shù)和分裂間距不變。對相導(dǎo)線按倒三角布置的緊湊型特高壓線路，取相間距離為13m （按滿足絕緣要求并留有足夠裕度的原則初步估算），分裂根數(shù)取10和12兩種情況，分裂間距取35cm 。按相同的相導(dǎo)線總截面條件，對三種常規(guī)特高壓輸電線路每相取8×

24、;LGJ-500/45導(dǎo)線，該型號導(dǎo)線的直徑為3cm （大于前蘇聯(lián)所選導(dǎo)線而小于日本和美囯所選導(dǎo)線）。這是考慮到除滿足輸送容量以外，還應(yīng)滿足可聽噪聲限值所需的最小直徑。緊湊型輸電線路的相導(dǎo)線可選擇為10×LGJ-400/65導(dǎo)線和12×LGJ-400/65導(dǎo)線，其中10×LGJ-400/65導(dǎo)線的每相總截面與常規(guī)線路一致，12×LGJ-400/65導(dǎo)線的每相總截面大于常規(guī)線路，這主要是因?yàn)闆]有合適的導(dǎo)線型號可選。計算時相導(dǎo)線對地距離取22m ，這是按前蘇聯(lián)相導(dǎo)線水平布置方案、滿足跨農(nóng)田場強(qiáng)小于10kV/m限值時所需的最小對地距離。計算時電壓取1050kV ，這是因?yàn)槲覈?000kV 特高壓輸電線路的最高運(yùn)行電壓為1100kV ，電磁環(huán)境計算電壓一般高出額定電壓5%；計算時電流取4000A 。表2列出了5種特高壓輸電線路的主要參數(shù)，其中水平排列、三角排列和雙回路分別是指前蘇聯(lián)、美國BPA 和日本研制的特高壓線路塔頭部分。表3列出了5種特高壓輸電線路每相導(dǎo)線的表面最大電場強(qiáng)度計算值。我國500kV 線路的相導(dǎo)線為4×LGJ-300時導(dǎo)線表面最大場強(qiáng)為18.02 17.02kV/cm，相導(dǎo)線為4×LGJ-400時為導(dǎo)線表面最大場強(qiáng)為15.9215.63kV/cm12。與表3比較后可見，三種常規(guī)