直流输电线路设计

1. 直流输电线路设计

2. 葛洲坝-上海±500kV直流输电线路设计 （一）工程概况

3. （二）导线选择 120万kW， ±500kV，额定电流1200A 选择经济电流密度1A/mm2，则需要1200mm2，则选择方案有：

6. （三）绝缘 决定因素 绝缘子要求

7. 绝缘子选型

8. 绝缘子片数确定方法：

10. （三）对地距离 对于超高压交流输 电线路对地 距 离 数 值是 由导线正下方地面电场强度控制的。 在直流输 电线上也发生和交流线路时的线下静 电感应相类似的现象,所不同的是直流线路除了静电场 以外还有所谓离子流效应、可听噪声、无线电干扰等。

11. 下表 列出了北美一些直流工 程 的设 计资 料

12. 本工程导线选用4*LGJQ-300，极间距14米~15米，由此算得导线对地各种高度的场强如下表

13. 综合上述 ,考虑我国人 口多 ,房屋密集 ,既要限制地面场强又要缩小房屋拆迁范围,故宜按实际情况区别对待。本工程采用的导线对地距离与相应的地面场强如下表：

14. （四）铁塔 杆塔选型： 本工程吸取了我国交流线路的 没计经验 ,杆塔选型仍沿用拉线塔和自立塔两大系列。直线塔分拉线塔和自立塔 ,转角、耐张塔只有自立塔，所有杆塔一律采用钢结构，为节约钢材，降低造价,在平丘地带以拉线塔为主,在不能或不宜使用拉线塔的地方则选用自立塔 ，转角塔分直线小转角和 耐张大转角两类，以选用直线小转角为主。

15. 杆塔荷载： 铁塔荷载设计亦沿用交流线路设计条件,对直线塔除正常荷载按最大风和最大复冰计算外,还按塔的使用条件考虑了不 同的纵向荷载,拉线塔取每极导线最大张力的15%,自立塔取每极导线最大张力的15~20%,不再计算复冰验算荷载。安装情况考虑了1.5倍导线、避雷线起吊荷载,所有直线塔均允许临时锚线主。

16. 杆塔形式：

20. （五）通讯干扰 直流输电线路对通信线的影响仍分为危险和干扰两部分。对于危险影响,直流线路与交流线路有很大区别。首先, 直流线路的短路电流能限制其最大值仅相当于正常输送最大电流的2~3倍,远比交流线路为小。其次, 直流电磁场是恒定的,对邻近的通信线不产生电磁危险影响,仅当高压直流线路极线发生故障的瞬间,暂态的交流分量对通信线产生影响,但这个分量持续时间极短,经0.01~0.02秒即趋稳定,故危险性较小。 我国允许的杂音电动势标 准为单线 电话不超过30 毫伏 ,双线电话不超过4.5毫伏（设有增音站）和10毫伏（未设 增音站）。我国直流输电工程系初次设计,为留有足够 的裕度,尽量减少干扰源,在换流设备方面选用 了平波 电抗器和较高水平的滤波装置 ,以有效地抑制极线的谐波 电流。另在选线时对通信线尽量保持足够 的间距,以减少相互间的影响。

21. 向家坝-上海±800kV直流输电线路设计 （一）工程概况

22. （二）气象条件及结构可靠度目标 输电线路的主要设计气象条件是： 1）基本设计风速 2）设计覆冰。 本工程设计在选取气象条件时,统计了沿线气象台站的观测资料结合全国基本风压分布图风压推算值,以及线路沿线风、冰灾调查情况,参考现有500 kV线路的设计和运行经验[2],并进行了“杆塔结构可靠度”专题研究,综合考虑线路可靠性和经济性确定了如下的设计气象条件。

23. 设计风速规定： 1）10 m高、10 min时距,重现期取100年一遇,且全线风速最小值≥27 m/s。 2）根据上述原则,并结合各冰区、风区的划分和归并,全线共分为5个风区：27、28、30、32、和35 m/s 3）4个冰区，10、15、20和30 mm等。

24. （三）极导线选择 导线选择的基本目标是在满足各种技术性能要求和环境限制条件下获得最为经济的导线束方案。 一般情况下导线选择应综合考虑输送容量、功率损耗、导线允许发热、机械特性、工程造价和电磁环境要求。 就±800 kV特高压线路而言,由直流电晕引起的电磁环境问题更是极其重要的因素,甚至是导线选择和极导线布置的控制因素。直流电晕可产生无线电干扰、可听噪声、电晕损耗、地面合成电场和地面离子电流等问题。

25. 工程设计中通过分析国内外现有±500 kV线路的运行经验,结合工程前期科学研究结论[4],最终采用了如下的设计原则: 1)海拔高度≤1000 m时,正极性导线外20 m处,测量频率0·5 MHz的双80%无线电干扰值≤58 dB。 2)海拔高度<1000 m时,正极性导线外20 m处,可听噪声中值(L50)≤45 dB。 3)在非居民区,地面合成场强和离子电流密度分别≤30 kV/m和100 nA/m2;在居民区,地面合成场强和离子电流密度分别≤25 kV/m和80 nA/m2。 4)当线路临近有人居住的民房时,湿导线条件下的民房所在处地面综合场强≤15 kV/m。 根据上述基本原则,对分裂根数为4~8、单根截面积为500~900 mm2的多种导线组合方案进行了分析计算。结果表明,当分裂根数≥6、单根截面≥630 mm2时,导线方案可满足电磁环境限值的要求。

26. 6×LGJ-720/50、分裂间距为450 mm的导方案经济性较好，双极线路极间距为22m,最小导线对地高度为18 m。 重冰区对导线的机械性能有特殊要求。重冰线路设计和运行经验表明,由于冰凌荷载大,导线承受拉应力很高,如果此时再叠加较大的不平衡张力,则将在线夹出口处出现导线断股现象[5]。通过对钢芯铝绞线、钢芯铝合金绞线等方案进行技术经济比较，结合重冰区线路的运行经验,最终： 在20 mm重冰区采用与轻冰区相同的导线方案。 30 mm重冰区则采用6×AACSR-720/50钢芯铝合金绞线。

27. （四）地线选择 地线要求： 1）应满足机械特性、短路热容量、耐雷击性能、防腐蚀、电力系统通信等技术要求。 2）对于±800kV特高压直流线路,因极导线感应电压而产生的地线电晕也应予以控制。为估算电晕对地线直径选择的影响,应计算地线表面场强Em和估计地线直流起晕场强E0。为使地线电晕较极导线更加难以产生,应对Em/E0给予 必要的限制。通过对上述各种因素的综合分析认为,电晕限制条件是地线直径选择的控制因素。考虑到地线应具有更好的耐腐蚀性能,以及耐雷击断股单丝直径≥3 mm的要求, 最终： 1）轻冰区采用直径为17 mm的JLB20A-180铝包钢绞线； 2）20 mm重冰区采用JLB20A-180铝包钢绞线； 3）30 mm重冰区选用JLB20A-240铝包钢绞线。 4）为满足系统通信要求,另一根地线采用具有类似特性的架空地线复合光缆(OPGW)。

28. 地线绝缘要求： 1）由于直流线路正常运行时导地线间不存在电磁感应,地线无需如交流线路一样采用绝缘运行方式。 2）但在上海受端站附近,由于路经条件的限制,不得不直接跨过±500 kV宜华直流工程的腰泾接地极。为减小接地极单极运行时对本线路的腐蚀影响,28km长度的地线和OPGW采用了分段绝缘、单点接地设计方案。

29. （五）绝缘子型式及片数选择 绝缘子类型： 通过对盘式瓷绝缘子、钢化玻璃绝缘子和悬式棒形复合绝缘子特点的分析,结合全线塔型规划,确定: 1）工程轻冰区悬垂串采用合成绝缘子,耐张串采用盘式绝缘子。 2）重冰区段悬垂串和耐张串均采用盘式绝缘子。原因是考虑重冰区受力条件比较严酷,而且合成绝缘子对改善覆冰闪络无明显效果。 3）钟罩型绝缘子，三伞型绝缘子价格明显高于钟罩型 利用航片及计算机优化排位程序统计分析得到,悬垂串需采用单联和双联210、300、400和530kN机械强度的绝缘子,而且300 kN和400 kN产品适用于90%以上的塔位。为简化设计,工程用绝缘子确定为300、400和530 kN 3种强度等级。

30. 直流污秽泄露比距确定： 对盐密值ρESDD和灰密值ρNSDD的调查分析表明,由于大量水泥厂、钢铁厂、化肥厂、各等级公路等污源的存在,沿线污秽十分严重。根据全线统计分析,轻、中、重三类污区及其长度和设计参数如表1所示。

31. 绝缘子片数确定： 基于直流污闪电压与绝缘子片数呈线性关系的基本原则,可以采用： 1）污耐压法； 2）爬电比距法 3）按±500 kV线路设计运行经验外推的方法 利用上述方法，求得绝缘子片数如下：

32. 绝缘子联数确定： 绝缘子串形式： 为减小走廊宽度、提高可靠性和节约投资,直线塔悬垂串和耐张塔跳线采用V型合成绝缘子串,根据不同荷载的要求,包括单V、双V串。 联数： 1）10~20 mm覆冰区耐张塔采用三联400 kN水平布置的瓷绝缘子串, 2）30 mm覆冰区采用同样布置的550 kN绝缘子。 说明：绝缘子串三联水平布置的目的是增强运行中雨和风的自然清洗效果,提高耐污能力

37. （六）杆塔空气间隙确定 对应直流工作电压和操作过电压的杆塔空气间隙,通过分析实际最高工作电压、操作过电压并利用空气间隙临界放电电压特性确定。对应最高直流工作电压816 kV(以此为基准),线路操作过电压标么值取1·7,带电作业过电压标么值取1·85,3种电压下工程杆塔空气间隙值见表 由于雷电过电压对于特高压直流线路不是十分敏感的因素,而且全线直线杆塔全部采用了Ⅴ型绝缘子串,因此不对雷电过电压下的杆塔空气间隙作具体规定。

38. （七）防雷设计 1）杆塔均采用负保护角。 由于极导线采用了Ⅴ型绝缘子串布置方式,杆塔实现负保护角比较容易,为降低线路绕击率,,且在丘陵和山地保护角按≤-10°设计。 2）降低接地电阻。 计算表明,当杆塔接地电阻为10~30Ω时,杆塔的反击耐雷水平为249~136 kA,高于交流500kV线路杆塔接地电阻为10~15Ω时的反击耐雷水平177~125 kA

39. （八）导线对地距离及交叉跨越距离 极导线对地及交叉跨越距离一般由操作过电压间隙、地面综合场强以及电力部门与其他行业的技术协议确定。 对于±800 kV直流线路,大多数距离决定于地面综合场强

40. （九）铁塔选型 1）工程少采用拉线塔，而采用自立式铁塔。虽然拉线塔可以大大减轻塔重,但拉线占地面积较大,而且影响机械化耕种,目前已很少在我国输电线路上采用,尤其是人口稠密地区 2）最终采用8个系列的塔型方案。主要是基于工程的经济性及沿线气象条件原因考虑的 3）山区铁塔采用了全方位长短腿设计

41. ZV28-1是一种极导线水平排列、地线保护角<0的直线塔,其水平档距和垂直档距分别为460 m和650 m,呼称高度为36~57 m,该塔型主要用于平地。

42. ZVF32-1P，是一种极导线垂直排列的直线塔,主要用于上海走廊拥挤地段,其水平档距和垂直档距分别为420 m和550 m,呼称高度为36~57 m

43. J28-1是一种导线水平排列、负保护角的耐张塔,其水平档距和垂直档距分别为550 m和600 m,呼称高度为30~48 m,设计转角为0~20°。

44. （十）基础选型 综合考虑工程地形及地质特点、经济指标和环境保护等因素,工程采用了如下的主要基础型式。 粘性土地基基础： 1）在山地及丘陵区域优先选择原状土掏挖基础, 2）在平地及施工场地开阔的塔位选用柔性斜柱基础, 3）因地制宜采用刚性基础、直柱平板基础和人工挖孔桩等特殊基础 碎石土地基基础： 1）优先采用柔性斜柱基础, 2）因地制宜采用刚性基础和人工挖孔桩基础。

45. 岩石地基基础： 1）结合基础作用力和塔位地质条件 2）因地制宜采用锚桩基础和嵌固式岩石基础。 软土、红粘地基基础： 1）基础作用力较大的塔位采用钻孔灌注桩基础; 2）基础作用力较小的塔位,根据塔位地质特点,及大板基础与钻孔灌注桩基础的技术经济比较选择合适的基础型式。 采用基础立柱加高、生态植被护坡和改善排水等措施,加强环境保护和水土保持。

46. （十一）走廊宽度 走廊宽度的主要目的用于确定房屋拆迁范围。确定房屋拆迁范围的技术方法通常基于两个原则,就±800 kV直流线路而言,第一是极导线外距离<7 m以内的有人居住房屋应该拆除,第二是极导线外合成场强>15 kV/m处的有人居住房屋应该拆除。对应上述两条原则,可将线路走廊定义为核心区和缓冲区两类,两类走廊宽度

47. （十二）长江大跨越 本工程有4个长江大跨越段,分别为杨家场大跨越、胡家滩大跨越、扎营港大跨越和新吉阳大跨越,各跨越点的主要技术特征如表7所示。 大跨越段的导线选型按导线发热条件下的输送功率以及机械特性确定,并通过无线电干扰、可听噪声和合成场强等技术条件进行校核。最终确定的导线为4×AACSR/EST-640/290四分裂钢芯铝合金绞线。一根地线采用JLB14-340铝包钢绞线,另一根地线采用相似特性的OPGW。 根据经济比较结果,直线塔和耐张塔均采用钢管塔。为保证大跨越段线路比一般线路拥有更高的可靠性,设计风速约比一般线路高10%,导线覆冰厚度较相邻的陆上线路增加5 mm。

48. （十三）与±500 kV线路的比较 我国现有直流线路的电压等级为±500 kV ,下面针对采用4×720 mm2导线方案的±500 kV线路与±800 kV线路作一简单比较。 1）±500 kV线路和±800 kV线路在海拔高度<1000 m时,运行电压间隙分别为1·4 m和2·3 m,操作过电压间隙分别为2·65 m和6·3 m。 2）当导线水平布置时,±500 kV线路对应核心区和缓冲区的走廊宽度分别为26 m和58 m,±800kV线路为36 m和76 m。 3）±500 kV线路和±800 kV线路的单位km长度线路的杆塔质量分别为40和100 t,混凝土量分别为75和160 m3。