CN101340088B - 特高压交流线路导线的选型及排列方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压交流线路导线的选型及排列方法，其具体方法是：根据给定的导线型式和导线排列方式建立空间坐标系，确定计算模型；根据《电力工程高压送电线路设计手册》给出的估算电晕损失的方法计算不同情况下的导线的电晕损耗；根据等效电荷法计算不同情况下的工频电场强度；把安培定律应用于载流导线，并将计算结果叠加，求出导线周围的磁场强度；采用BPA公式计算产生的可听噪声；采用激发函数法计算产生的无线电干扰；采用年费用法对不同情况下的年费用进行经济性比较，最后将各种技术因素和经济因素进行比较，得出最优的导线选型及排列。通过试验所获得的试验数据对比证明，本发明具有较高准确性，可应用于指导特高压输电线路建设中导线型式和排列方式的选择。

Description

特高压交流线路导线的选型及排列方法

技术领域

本发明属于高压输变电工程电磁兼容领域，具体地讲是一种1000kV特高压交流线路导线的选型及排列方法。

背景技术

为了满足经济社会可持续发展的用电需求，建设以特高压电网为核心的加强电网已成为电力建设的战略目标。在采用长距离、大容量输电时，特高压输电能够有效地节省线路走廊、有助于改善网络结构、减少输电瓶颈和实现大范围的资源优化配置，经济和社会效益十分明显。由于电压等级高，特高压的电磁环境不同于500kV线路，若采用500kV相同的分裂导线，线路产生的工频电场、可听噪声和无线电干扰等环境因素将成为影响线路建设的制约因素。通过增加导线的分裂数和导线的横截面积，可以控制导线的表面电场强度，将以上提到的环境因素控制在合适的范围；但增加导线的分裂数和导线截面积，必定会影响到线路建设的成本。除选择不同分裂数和不同截面积的导线外，改变的导线空间排列方式也可以控制导线的表面场强，进而也会影响到线路周边的电磁环境。因此，研究1000kV特高压交流线路导线的选择及其排列方法显得非常必要。

影响1000kV特高压交流线路导线选择和导线排列方式的因素主要包括线路的电晕损耗、工频电场、工频磁场、可听噪声和无线电干扰这5项技术因素及导线的工程造价这1项经济因素。目前对于电晕损耗、工频电场、工频磁场、可听噪声和无线电干扰的计算方法较多，但采用相同计算条件得出的结果差异较大。

发明内容

本发明的目的是为指导特高压交流输电线路选择合理的导线及排列方式，而提出一种1000kV特高压交流线路导线的选型及排列方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：首先根据给定的导线型式(包括分裂数和导线截面积)和导线排列方式建立坐标系，然后计算不同情况下导线的技术影响因素和经济影响因素，根据计算结果确定较好的导线形式和导线排列方式。

其具体步骤是：

第一步骤：根据给定的导线型式和导线排列方式建立空间坐标系，确定合理的计算模型；

第二步骤：根据《电力工程高压送电线路设计手册》给出的估算电晕损失的方法计算不同情况下的导线的电晕损耗，根据等效电荷法计算不同情况下的工频电场强度，把安培定律应用于载流导线，并将计算结果叠加，求出导线周围的磁场强度，采用BPA公式计算产生的可听噪声，采用激发函数法计算产生的无线电干扰；

第三步骤：对比以上计算结果，并根据现有线路工频电场、工频磁场、可听噪声和无线电干扰标准编写情况，得出技术性能较好的导线型式和导线排列方式；

第四步骤：采用年费用法对不同情况下的年费用进行经济性比较；

第五步骤：通过以上技术性能的比较和经济性能的比较，选出合理的导线型式和导线排列。

通过以往计算结果与实测结果对比证明，本发明具有较高可信度，可用于指导特高压交流输电线路的建设。

附图说明

图1为三相输电线路下的空间电场

图2为磁场强度与电流的关系

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

(1)对于三相线路的年平均电晕功率损失，为三相导线在各种天气条件下(好天气、雪天、雨天、雾淞天)产生的电晕功率损失的总和，可按下式求得

$P_k=\frac{n^2{r}_0^2}{8760}\left\{\right[F_1\left(\frac{E_{\mathrm{av}1}}{{\mathrm{\δ}}^{\frac{2}{3}}{E}_0}\right)+F_1\left(\frac{E_{\mathrm{av}2}}{{\mathrm{\δ}}^{\frac{2}{3}}{E}_0}\right)+F_1\left(\frac{E_{\mathrm{av}3}}{{\mathrm{\δ}}^{\frac{2}{3}}{E}_0}\right)]T_1+[F_2\left[\frac{E_{\mathrm{av}1}}{E_0}\right]$

$+F_2\left(\frac{E_{\mathrm{av}2}}{E_0}\right)+F_2\left(\frac{E_{\mathrm{av}3}}{E_0}\right)]T_2+[F_3\left(\frac{E_{\mathrm{av}1}}{E_0}\right)+F_3\left(\frac{E_{\mathrm{av}2}}{E_0}\right)+F_3\left(\frac{E_{\mathrm{av}3}}{E_0}\right)]T_3$

$+[F_4\left(\frac{E_{\mathrm{av}1}}{E_0}\right)+F_4\left(\frac{E_{\mathrm{av}2}}{E_0}\right)+F_4\left(\frac{E_{\mathrm{av}3}}{E_0}\right)]T_4\}$

式中Pk为三相总计的年平均功率损失，W/m；Eav1、Eav2、Eav3分别为三相导线表面电位梯度，对单导线取Eav。对分裂导线取平均电位梯度最大值，MV/m；

为好天气电晕损失，为

的函数，由曲线查出；

分别为雪天、雨天、雾凇天的电晕损失，为

的函数，由曲线查出。T1、T2、T3、T4分别为一年内好天气、雪天、雨天、雾凇天的计算小时。

雨天除包括一般的降雨天外，毛毛雨、雨夹雪以及湿雪天亦均属雨天。雪天系指干雪天，包括下雪花，雪球以及暴风雪等。雾凇天包括颗粒状或针状结晶的雾凇和坚实的雨凇、除上述以外均属好天气，包括下雾天和阴天，还包括考虑电流使导线发热经修正后排除的一部分雨天和雾凇天在内。考虑电流发热的修正如下：

(a)雾凇天计算小时数T4为实际雾凇小时数T₄乘上修正系数k1，k1可从曲线中查得(由于目前还缺少国产导线的试验数据，所以利用了相近的国外资料)。严格的说还需要进行修正的只是雾凇，不包括雨凇，但因通常缺少对雾凇天进一步划分的统计材料，所以一般就一同加以修正。

雨天计算小时数T3为实际雨天小时数T₃乘以修正系数k2。

$\left.\begin{array}{c}{k}_2=1-\frac{J_1}{J_P}\\ J_1=0.2j^2{r}_0\end{array}\right\}$

式中JP为平均降雨强度，mm/h。等于年降雨量除以降雨小时数；J1为临界降雨强度，mm/h。

(c)好天气计算小时数T1，按下式求得：

T₁＝T′₁+(1-k₁)T′₄+(1-k₂)T′₃

式中T′₁、T′₄、T′₃分别为实际好天气、实际雾天和实际下雨天的小时数。

(d)雪天计算小时数T2，可由气象资料内查得，不再做修正。

(2)输电线下的电场计算一般用等效电荷法。它主要由两个部分组成：

1)计算单位长度导线上的电荷；

2)计算由这些电荷产生的电场。

在计算时，一般认为输电线路是无限长并平行于地面的，且把地面视为良导体。计算多导线线路中单位导线上的等效电荷Q，是通过电压U和麦克斯韦电位系数P用以下方程求解，即：

|Q|＝[P]^-1[U]

考虑到地面工频电场强度最大的情况，计算时对于导线对地高度通常取最大弧垂时导线的最小对地高度。对分裂导线的情况，可以用等效的单根导线代替。

对于三相交流线路，由于电压为时间变量，计算时各相导线的电压要用复数表示，

相应的电荷也是复数量，

下述矩阵关系即分别表示了复数量的实数和虚数部分。

[Q_R]＝[P]^-1[U_R]

[Q_I]＝[P]^-1[U_I]

这样，根据求得的电荷计算的空间任一点电场强度的水平及垂直分量分别为

${\stackrel{\·}{E}}_x=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ix},R}^{\′}+j\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ix},I}^{\′}=E_{x,R}^{\′}+j{E}_{x,I}^{\′}$

${\stackrel{\·}{E}}_y=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{iy},R}^{\′}+j\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{iy},I}^{\′}=E_{y,R}^{\′}+j{E}_{y,I}^{\′}$

式中E′_x，R--由各导线的实部电荷在该点产生的场强的水平分量；

    E′_x，I--由各导线的虚部电荷在该点产生的场强的水平分量；

    E′_y，R--由各导线的实部电荷在该点产生的场强的垂直分量；

    E′_y，I--由各导线的虚部电荷在该点产生的场强的垂直分量。

该点的合成电场强度则为

$\stackrel{\→}{E}=(E_{x,R}^{\′}+j{E}_{x,I}^{\′})\stackrel{\→}{x}+(E_{y,R}^{\′}+j{E}_{y,I}^{\′})\stackrel{\→}{y}$

或写成三角函数的形式

式中

及

分别为该点场强的水平与垂直分量的振幅及相角，即

$E_x=\sqrt{E_{x,R}^{2\′}+E_{x,I}^{2\′}}$

$E_v=\sqrt{E_{y,R}^{2\′}+E_{y,I}^{2\′}}$

由上面可见，合成电场在空间x及y两个方向上的分量都是随时间变化的脉动量。由于通常

因此空间每一点的合成电场是一个旋转的椭圆场(如附图1)，它的大小和方向都随时间不断的变化，其最大值并不等于

但在地面上，因E_x＝0，该椭圆则变为垂直于地面的线段。

(3)工频情况下的电磁性能具有准静态性，则线路的磁场可看作仅由线路中的电流产生的。把安培定律应用于载流导线，并将计算结果叠加，就可求出导线周围的磁感应强度。采用镜像法计算时，可将大地的影响等效成为地下一个等值反向电流所产生的影响，其镜像深度d可取

$d=660\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{f}}$

式中：ρ为大地电阻率(Ω·m)，f为频率(Hz)。

如果取大地电阻率100Ω·m，f＝50Hz，则d＝660m，d远远大于导线距地面的距离，并且西北地区，土壤电阻率要大于此值，所以，忽略它的镜像进行计算，其结果已足够符合实际。

计算公式为： $H=\frac{I}{2\mathrm{\π}\sqrt{h^2+L^2}}$

式中，h为导线到计算点的垂直方向高度差，L为计算点到导线对地投影的距离。在空气中，有B＝μ₀H，μ₀为空气中的磁导率。

(4)美国、日本、意大利和加拿大等国根据各自长期的实测数据，提出了相应的预测高压输电线路可听噪声的公式。由于美国BPA推荐的预测公式是根据各种不同的电压等级、分裂方式的实际试验线路上长期实测数据推导出来的，并曾把预测结果与相应的输电线路的实测结果作过比较，比较结果说明，预测值与实测值之间的绝对误差绝大多数在1dB之内。因此，该公式具有较好的代表性和准确性。美国BPA推荐的高压输电线路的可听噪声的预测公式如下：

$\mathrm{SLA}=10\lg \underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}{\lg }^{-1}\left[\frac{\mathrm{PWL}\left(i\right)-11.41g\left(R_i\right)-5.8}{10}\right]$

其中：SLA--A计权声级

R_i--测点至被测i相导线的距离

Z---相数

PWL(i)--i相导线的声功率级，可按下式计算：

PWL(i)＝-164.6+120lgE+55lgdeq

E为导线表面的电位梯度(kV/cm)，采用有效值。

deq为导线等效半径，deq＝0.58n^0.48d(mm)

该式中n为导线分裂数，d为子导线直径(mm)

该预测公式对于分裂间距为30～50cm，导线表面电位梯度为10～25kV/cm的常规对称分裂导线均是有效的。

(5)1996年CISPR18-3的补充版推荐了利用激发函数法计算多分裂导线(＞4分裂)的无线电干扰的公式。激发函数法基于试验线路或电晕笼测量而得的大雨条件下的激发函数，通过一定的模量变换，得出各相导线的脉冲电流，再获得这些电流产生的场，即无线电干扰。计算步骤包括：激发函数的计算及气象影响的修正；根据模传播原理计算干扰场强的分布。

由激发函数可求出导线中的电晕脉冲电流，而这种电流是产生干扰场强的来源。

$\left[i_0\right]=\left[C\right]\left[\mathrm{\Γ}\right]/2^{{\mathrm{\π\ϵ}}_0}$

式中：C--导线电容矩阵；

      Γ--激发函数。

载流导体周围存在磁场H，高频电场和磁场存在一定的关系，磁场强度(无线电干扰)与电流的关系为(如附图2)：

$H=\frac{I}{2\mathrm{\π}\sqrt{h^2+y^2}}$

式中：h--载流导体的高度(即导线的实际高度，或最低高度)；

      y--测点到导线对地投影的距离。

所以载流导线在对地投影距离y处产生的电场为：

$E=60I[\frac{h}{h^2+y^2}+\frac{h+2p}{(h+2p)+y^2}]$

式中：p--磁场穿透深度。

激发函数采用下式计算：

Γ_大雨＝70-(585/g_max)+35lg(d)-10lg(n)

式中：g_max--子导线最大表面电位梯度有效值，kV/cm；

      d--子导线直径，cm；

      n--分裂导线数。

第1相导线电晕时，[Γ]＝[Γ，0，0]^T。通过模变换，电晕电流转换成模电流：

[i_0m]＝[N]^-1[i₀]，m＝1，2，3

[N]为模转换矩阵，[N]^-1[N]＝1，根据计算，三相导线排列方式不同，[N]的元素有一定差别。

电流注入导线后，由入点向两边传播，向参考点传播的电流为：

$\left[i_m\left(x\right)\right]=\frac{1}{2}\exp (L_m.x)\left[i_{0m}\right]$

其中L_m＝α_m+jβ_m为传播常数，由[B]＝[Y][Z]的特征值得到，[Y]和[Z]分别为线路的并联导纳矩阵和串联阻抗矩阵，把计算的模传播电流反变换成相电流：

[i(x)]＝[N][i_m(x)]

将相电流带入前式，即可求出每一相产生的无线电干扰。

三相线路的无线电干扰场强按下列方式计算：如果某一相的场强比其余两相至少大3dB，那么后者可以忽略，三相线路的无线电干扰场强可认为等于最大的一相的场强；否则有下式

$E=\frac{E_a+E_b}{2}+1.5$

式中：Ea、Eb--指三相中两相较大的场强值，dB/(μV/m)；

对于同杆架设的多回路线路，相导线产生的无线电干扰场强按上式计算，然后将同名相导线产生的场强几何相加，形成叠加后的三相Ea，Eb，Ec。

根据国际无线电干扰特别委员会的CISPR18-1出版物，以上公式适合于导线表面场强在12-20kV/cm的高压线路，导线表面场强若小于12kV/cm，可认为导线不起电晕，也就是说该导线不产生无线电干扰，因此在计算时不考虑表面场强小于12kV/cm的导线产生的无线电干扰电平。

(6)为了分析各种导线的经济性，采用年费用法对各种导线型式的年费用进行计算。

年费用最小法计算方法按电力工业部(82)电计字第44号文《颁发“电力工程经济分析暂行条例”的通知》第十五条经济计算--年费行最小法，计算公式为：

$\mathrm{NF}=Z\left[\frac{r_0{(1+r_0)}^n}{{(1+r_0)}^n-1}\right]+u$

式中：NF-年费用(平均分布在m+1到m+n期间的n年内)

Z-折算到第m年的总投资

$Z=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_i{(1+r_0)}^{m-i}$

u-折算年运行费用

$u=\frac{r_0{(1+r_0)}^n}{{(1+r_0)}^n-1}[\underset{t=t^{\′}}{\overset{t=m}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t{(1+r_0)}^{m-t}+\underset{t=m+1}{\overset{t=m+n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t\frac{1}{{(1+r_0)}^{t-m}}]$

Zt-第t年的基建投资

ut-第t年的运行费用

m-施工年数

n-经济使用年数

t-从工程开工这一年起到计算年的年数

t′-工程部分投产这一年的年数

ro-电力工程投资的回收率

通过以上计算结果，比较不同导线不同排列时各项技术指标和经济指标，得出最优的导线型式和排列方式。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种特高压交流线路导线的选型及排列方法，其具体步骤是：

第一步骤：根据给定的导线型式和导线排列方式建立空间坐标系，确定合理的计算模型；

第二步骤：依据计算模型计算不同情况下的导线的电晕损耗，计算不同情况下的工频电场强度，计算导线周围的磁场强度，计算产生的可听噪声，计算产生的无线电干扰；

第三步骤：对比以上计算结果，并根据现有线路工频电场、工频磁场、可听噪声和无线电干扰标准编写情况，得出技术性能较好的导线型式和导线排列方式；

第四步骤：对不同情况下的年费用进行经济性比较；

第五步骤：通过以上技术性能的比较和经济性能的比较，选出合理的导线型式和导线排列。

2.如权利要求1所述的特高压交流线路导线的选型及排列方法，其特征在于：计算模型计算导线电晕损耗，可听噪声和无线电干扰时，采用平均对地高度作为计算高度；在计算工频电场和工频磁场的时候选用最小对地高度作为计算高度。

3.如权利要求1所述特高压交流线路导线的选型及排列方法，其特征在于：电晕损耗计算方法采用《电力工程高压送电线路设计手册》给出的估算公式；工频电场强度采用等效电荷法计算；磁场强度的计算是将安培定律应用于载流导线，并将计算结果叠加；可听噪声采用BPA公式计算；无线电干扰采用激发函数法计算；各种组合的经济性采用年费用法计算。

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