CN103972919B - 一种交改三极直流后直流额定电压的选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交改三极直流后直流额定电压的选取方法，用于交流输电线路改造为高压直流三极输电线路后直流额定电压的确定，输电线路中包括绝缘子、杆塔和耐张塔，所述的选取方法包括以下步骤：1)选取多个交改三极直流的改造方案；2)计算各改造方案下输电线路的外绝缘参数，获得直流额定电压等级范围；3)根据步骤2)获得的直流额定电压等级范围精确计算直流额定电压等级。与现有技术相比，本发明具有操作方便、精确度高等优点。

Description

一种交改三极直流后直流额定电压的选取方法

技术领域

本发明涉及高压直流三极输电技术，尤其是涉及一种交改三极直流后直流额定电压的选取方法。

背景技术

高压直流三极输电的概念由M.Haeusler，G.Schlayer和G.fitterer于1997年首次提出，由于概念超前，同时没有工程需求，因此该技术并未引起人们的过多关注。从2005年起，美国电科院联合美国BPA公司，德国西门子公司等机构相继开展了高压直流三极输电技术的理论研究，主要从交直流转换的经济性、高压直流三极输电电路结构及工作原理、电流调制理论、输电特性等方面进行理论分析，并将研究成果通过IEEE、CIGRE以及IET的各种会议加以公布，因此取得了空前的宣传效果，世界各国开始关注高压直流三极输电技术。将现有交流输电线路改造成高压直流三极输电系统后，仍然使用原有的输电线路及绝缘设备，系统的输电容量将大大提高；而在系统安全稳定运行的性能方面，交流输电系统改造为直流输电系统，系统短路容量降低，且三极直流的灵活运行方式对其某一极发生故障的耐受能力比较大，且作为直流系统，其快速可控性等优点也将大大提升系统性能。可见，高压直流三极输电技术不仅提升了系统性能，具有技术优势，同时也节省投资，带来了经济效益。

将交流输电线路改造为高压直流三极输电线路(简称“交改三极直流”)，直流额定电压的选取关系到原有交流线路的外绝缘是否满足直流线路外绝缘的要求、改造力度(与改造投资密切相关)以及直流增容效果，因此有必要发明一种精确度高的直流额定电压选取方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作方便、精确度高的交改三极直流后直流额定电压的选取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种交改三极直流后直流额定电压的选取方法，用于交流输电线路改造为高压直流三极输电线路后直流额定电压的确定，输电线路中包括绝缘子、杆塔和耐张塔，所述的选取方法包括以下步骤：

1)选取多个交改三极直流的改造方案；

2)计算各改造方案下输电线路的外绝缘参数，获得直流额定电压等级范围；

3)根据步骤2)获得的直流额定电压等级范围精确计算直流额定电压等级。

所述的改造方案包括完全保留现有输电线路、取额定直流电压为U_dN＝240kV、取额定直流电压为U_dN＝316.06kV、额定直流电压取为交流线路相电压峰值和额定直流电压取为交流线路额定线电压有效值。

所述的外绝缘参数包括绝缘子串长、工作电压及操作过电压下的最小塔头间隙、杆塔最大地面合成场强、线间最小空气间隙和导线最大弧垂。

所述的步骤2)中，根据外绝缘参数对直流额定电压影响，选取直流额定电压等级范围。

所述的步骤3)中，在步骤2)获得的直流额定电压等级范围中，采用不同的绝缘子改造方案，由外绝缘计算结果最终确定同时具有最佳直流增容优势和线路改造力度的额定直流电压等级，具体为：

(301)所有杆塔的绝缘子全部改造为复合绝缘子，在保持串长不变的前提下，计算每基杆塔能够承受的最大直流电压；

(302)根据第(301)步计算得出的杆塔最大直流电压，选取合适的数值作为三极直流线路的额定直流电压，U_dN＝0.95U_m～1.05U_m，U_dN为额定直流电压，U_m为最大直流电压；

(303)对于所有耐张塔，在保持绝缘子类型不变的前提下，计算在步骤(302)的额定直流电压下的绝缘子串长以及较原绝缘子增加的串长；

(304)以额定直流电压为基础，验算所有杆塔的外绝缘是否满足HVDC工程要求，若满足，则确定额定直流电压，否则，返回步骤(302)。

与现有技术相比，本发明通过计算输电线路外绝缘参数对直流额定电压影响的计算，选取同时具有最佳直流增容优势和线路改造力度的额定直流电压等级，操作方便，计算精确度高。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一、输电线路外绝缘参数及计算公式

外绝缘参数包括绝缘子串长、工作电压及操作过电压下的最小塔头间隙、杆塔最大地面合成场强、线间最小空气间隙和导线最大弧垂。

(1)绝缘子串长N对直流电压的影响

$N=\frac{{\mathrm{\λU}}_m}{K_e{L}_o}---\left(1\right)$

式中，U_m为系统额定电压，kV：λ为爬电比距，cm/kV；L_o为每片悬式绝缘子的几何爬电距离，cm；K_e为绝缘子爬电距离的有效系数，主要由各种绝缘子爬电距离在试验和运行中提高污秽耐压的有效性确定，本次计算中取为1.0。

当已知λ、L_o、N、K_e时，就能由式(1)计算确定直流线路的额定电压U_m。

(2)线间距对直流电压的影响

在海拔1000m以下，导线水平相间距离D一般以下可按经验公式计算得到。

$D=0.4L_k+\frac{U_N}{110}+0.65\sqrt{f_m}---\left(2\right)$

式中L_k为悬式绝缘子串长度，m；U_N为线间额定电压，kV；f_m为导线最大弧垂，m，本次计算取为17m。

当导线采用垂直布置时，垂直相间距离一般采用式(2)计算值的75％，当导线采用三角形布置时，其等效导线间距按下式确定

$D=\sqrt{{D_H}^2+{\left(\frac{4}{3}{D}_V\right)}^2}---\left(3\right)$

式中D_H表示导线间距离在水平方向的投影，m；D_V表示导线间距在垂直方向的投影，m。

在确定了L_k、f_m、D后，由式(2)可计算确定直流线路的额定电压U_N。

(3)工作电压、操作过电压下塔头间隙对直流电压的影响

基本思路：先由导线和绝缘子所受的重力及风载荷确定工作过电压和操作过电压下的最大风偏角，然后由最大风偏角结合塔头尺寸确定对应的塔头空气间隙，最后由空气间隙、工作电压和操作过电压的放电特性确定直流线路电压值。

1)绝缘子风载荷的确定

$P_i=9.81A_i\frac{v^2}{16}---\left(4\right)$

式中A_i是绝缘子的受风面积；V为基准高度的风速，本计算中，工作电压下最大风速取25.3m/s，操作过电压下取15m/s。

2)导线的风载荷

W_x＝0.625αU_scβdL(k_hv)²sin²θ(5)

其中W_x为垂直于导线、底线方向的水平风荷载标准值；α为风压不均匀系数，按0.61选取；β为500kV线路及底线风荷载调整系数，仅用于计算作用于杆塔上的导线、底线风载荷，β取1.1；U_sc为导线和地线的体形系数：线径大于17mm时取1.1；d为导线和地线的外径，分裂导线取所有子导线外径的总和；L为杆塔的水平档距；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角；k_h电压平均高度为h时风速高度变化系数，h_α为线路风速基准高度，h为风速距离地面的高度，α为调整系数，陆地线路按0.16选取；v为基准高度的风速。

3)绝缘子串产生的重力

G₁＝m×g(6)

式中m为绝缘子的质量，kg；g为重力加速度。

4)导线产生的重力

G₂＝L×G₃×g(7)

式中L为档距，m；G₃为导线每千米的单位质量，kg/km。

5)偏角

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{P_i/2+W_x}{G_1/2+G_2}\right)---\left(8\right)$

式中P_i为绝缘子的风载荷，N；W_x为导线的风载荷，N；G₁为绝缘子串产生的重力，N；G₂为导线产生的重力，N。

6)运行过电压情况下

$U_{50\%n}=\frac{k_2\×k_3}{(1-{3\mathrm{\σ}}_n)k_1}\×U_n---\left(9\right)$

U_50％n＝S×480

式中U_n为额定工作电压；k₁、k₂为直流电压间隙放电电压的空气密度、湿度矫正系数，k₁取1，k₂取0.8；k₃为安全系数取1.1～1.15；σ_n为空气间隙直流放电电压的变异系数，取0.9％。

7)操作过电压情况下

$U_{50\%s}=\frac{k_2\×k_3}{(1-{2\mathrm{\σ}}_s)k_1}\×U_m---\left(10\right)$

U_50％s＝300S-150

式中U_m为最高运行电压；k₁、k₂为操作冲击电压下间隙放点电压的空气密度、湿度矫正系数，k₁取1，k₂取0.8；k₃为操作过电压倍数，取1.7；σ_s为空气间隙在操作过电压下的变异系数，取5％。

(4)弧垂的计算

采用连续档距内不等高档的导线弧垂进行计算

$f\≈\frac{{\mathrm{\γl}}^2}{{8\mathrm{\σ}}_c\cos {\mathrm{\β}}_r\cos \mathrm{\β}}---\left(11\right)$

式中f为计算弧垂档的档中最大弧垂，m；l为计算弧垂档的档距，m；σ_c为耐张段内代表档距l_r中央的应力N/mm²；β_r为代表高角差，(°)，本次计算中认为架设的杆塔均在同一海拔高度，通过对由杆塔高度不同而产生的代表高角差进行计算得出β_r的值较小，近似为0°，故计算中取cosβ_r为1；β为计算弧垂档的高角差，(°)，基本认为高角差为0°；γ为电线比载，N/m×mm²，根据牌渡线线路环境，只考虑导线自重和无冰情况下的风载荷，按式(12)进行计算。

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{9.8p_1}{A}---\left(12\right)$

${\mathrm{\γ}}_2=\frac{0.625v^{2}d{\mathrm{\α\μ}}_{\mathrm{ac}}*{10}^{-3}}{A}$

$\mathrm{\γ}=\sqrt{{\mathrm{\γ}}_1^2+{\mathrm{\γ}}_2^2}$

式中γ₁为导线自重所产生的比载，N/m×mm2；γ₂为风载荷所产生的比载，N/m×mm²；A为导线截面积，mm²；p₁为导线单位质量，kg/m；其他参数含义同式(5)。

(5)地面电场强度的计算

基本思路：先由导线型号计算出导线表面电晕起始电场强度g₀(kV/cm)，再由经验公式算出某一固定电压下导线表面最大电场强度g_max(kV/cm)，然后由g₀、g_max求的导线起始电晕电压U₀(kV)，最后根据半经验公式得到地面某点的合成场强E_s(kV/cm)。

1)导线临界电场强度g₀

$g_0=m*30(1+\frac{0.301}{\sqrt{r}})---\left(13\right)$

式中m为反映导线表面状况的粗糙系数，一般取0.45～0.6，本次取为0.5；r为导线半径，cm。

2)分裂导线表面最大电场强度g_max

$g_{\max }=\frac{1+(N-1)\frac{r}{R}}{\mathrm{Nr}\ln {\left(\frac{2H}{{\mathrm{NrR}}^{N-1}}\right)}^{1/N}\sqrt{{\left(\frac{2H}{S}\right)}^2+1}}U---\left(14\right)$

式中U为极导线对地电压，kV；S为极间距离，cm；H为极导线对地距离，cm；N为分裂导线根数；R为通过所有子导线中心的圆周半径，cm；r为子导线的半径，cm。

3)导线起始电晕电压V₀

$U_0=U\frac{g_0}{g_{\max }}---\left(15\right)$

4)空间某点地面合成场强E_s

$E_s=\frac{U}{H}F\left(x\right)[1-K_e\frac{U_0}{U}(1-\frac{E\·H}{U\·F\left(x\right)})]---\left(16\right)$

式中K_e是(U/U₀)的函数，由查H/Deq(Deq为分裂导线等效直径)和(U/U₀)的比值曲线得到；F(x)为地面某点与极导线间中心的合成电场强度修正系数，可由地表归一化电场强度横向分布曲线查取；E为地面标称电场强度，kV/cm，本次计算中取限值3kV/cm。

二、交直流改造方案

(1)方案1-完全保留现有输电线路

即不改变铁塔塔架结构、导线、绝缘子等线路设施此时，改造为三极直流后线路的机械强度自动认为满足要求，因此不需要额外校核。需要根据计算结果确定最小直流电压，进而计算三极直流输送总功率。

(2)方案2-取额定直流电压为U_dN＝240kV

此时，必须重新计算每一基铁塔所需要的最小绝缘子串长及各种最小空气间隙。在这种情况下，三极直流输送总功率为P_d3T＝0.76PN，其中PN为交流线路额定功率。即直流增容-0.24PN。

(3)方案3-取额定直流电压为U_dN＝316.06kV

此时，必须重新计算每一基铁塔所需要的最小绝缘子串长及各种最小空气间隙。此时，三极直流输送总功率为P_d3T＝PN，即直流增容为0。

(4)方案4-额定直流电压取为交流线路相电压峰值(U_dN＝408.25kV)

此时，必须重新计算每一基铁塔所需要的最小绝缘子串长及各种最小空气间隙。在这种情况下，三极直流输送总功率为P_d3T＝1.29PN，即直流增容为0.29PN。

(5)方案5-额定直流电压取为交流线路额定线电压有效值(U_dN＝500kV)

此时，必须重新计算每一基铁塔所需要的最小绝缘子串长及各种最小空气间隙。此时，三极直流输送总功率为P_d3T＝1.58PN，即直流增容为0.58PN。

三、本发明原理

本发明交改三极直流后直流额定电压的选取方法，用于交流输电线路改造为高压直流三极输电线路后直流额定电压的确定，输电线路中包括绝缘子、杆塔和耐张塔，所述的选取方法包括以下步骤：

1)选取多个交改三极直流的改造方案；

2)计算各改造方案下输电线路的外绝缘参数，获得直流额定电压等级范围；

3)根据步骤2)获得的直流额定电压等级范围精确计算直流额定电压等级。

步骤2)中，根据外绝缘参数对直流额定电压影响，选取直流额定电压等级范围。

步骤3)中，在步骤2)获得的直流额定电压等级范围中，采用不同的绝缘子改造方案，由外绝缘计算结果最终确定同时具有最佳直流增容优势和线路改造力度的额定直流电压等级，具体为：

(301)所有杆塔的绝缘子全部改造为复合绝缘子，在保持串长不变的前提下，计算每基杆塔能够承受的最大直流电压；

(302)根据第(301)步计算得出的杆塔最大直流电压，选取合适的数值作为三极直流线路的额定直流电压，U_dN＝0.95U_m～1.05U_m，U_dN为额定直流电压，U_m为最大直流电压；

(303)对于所有耐张塔，在保持绝缘子类型不变的前提下，计算在步骤(302)的额定直流电压下的绝缘子串长以及较原绝缘子增加的串长；

(304)以额定直流电压为基础，验算所有杆塔的外绝缘是否满足HVDC工程要求，若满足，则确定额定直流电压，否则，返回步骤(302)。

四、实例

针对牌渡5903线路的交改三极直流线路额定电压计算，采取以下改造方案和计算步骤：

(1)所有直线杆塔(共78基，占全部90基杆塔的87％)的绝缘子全部改造为复合绝缘子，在保持串长不变的前提下，计算每基杆塔能够承受的最大直流电压；

(2)从第1)步计算得出的直线杆塔最大直流电压中，选取合适的数值作为三极直流线路的额定直流电压；

(3)对于所有耐张塔(共12基，占全部90基杆塔的13％)，在保持绝缘子类型(绝大部分为瓷绝缘子，只有35号直线转角塔采用复合绝缘子)不变的前提下，计算在此额定直流电压下的绝缘子串长以及较原绝缘子增加的串长；

(4)以此额定直流电压为基础，验算所有90基杆塔的外绝缘是否满足HVDC工程要求。

直线塔最大直流电压计算及杆塔外绝缘验算：

对所有78基直线杆塔，取其绝缘子串长不变，由式(1)可计算出改造为复合绝缘子后，每基杆塔所能承受的最大直流电压均为388.89kV。从安全角度出发，取三极直流线路的额定直流电压为380kV，该值为交流线路500kV的76％。

同时取直流额定电压为400kV，其值较380kV高出5.27％，为交流线路500kV的80％。

对于所有直线塔，计算在400kV及380kV额定直流电压下的外绝缘是否满足HVDC工程要求。由计算结果表明：

1)380kV下，所有直线塔的外绝缘指标均满足工程要求，这是因为380kV较最大直流电压388.89kV为小。

2)当取额定直流电压U_dN＝400kV时，所有直线塔的运行电压下塔头间隙均不满足要求，表现为运行电压下塔头间隙差值为负，负值越大，表明越不满足要求。

3)当取额定直流电压U_dN＝400kV时，几乎所有直线塔的操作过电压下塔头间隙也不满足要求，表现为操作过电压下塔头间隙差值为负，负值越大，表明越不满足要求。

这是因为，当400kV直流电压下，原线路的绝缘子只改造为1串复合绝缘子已不可能，需要采用2串复合绝缘子，因此导致杆塔的塔头间隙不足。

4)当取额定直流电压U_dN＝400kV时，所有直线杆塔的线下地面合成场强均小于规程要求的30kV/cm限值，因此合格。

如果仍然希望采用400kV额定直流电压，则建议：

(1)瓷绝缘子和复合绝缘子相结合的办法。当使用1串复合绝缘子不能满足绝缘水平要求时，改用瓷绝缘子；

(2)采用V型、八字型及人字型悬垂绝缘子串布局形式。

耐张塔绝缘子串长计算及杆塔外绝缘验算：

(1)400kV直流电压

对于所有耐张塔，在保持绝缘子类型不变的前提下，计算在400kV额定直流电压下的绝缘子串长以及较原绝缘子增加的串长，同时验算其外绝缘是否满足HVDC工程要求。根据计算结果可得如下结论：

1)12基耐张塔如果继续保留原绝缘子型号，则需要增加复合绝缘子串长2.54～3.41m。当不计由于绝缘子重量增加对杆塔的影响时，计算表明：无论运行电压还是操作过电压下，塔头空气间隙均满足规程要求(备注：空气间隙差值为正，表明满足要求。正值越大，安全裕度越高。)。

2)12基耐张塔的线下地面合成场强均小于规程要求的30kV/cm限值，因此合格。

因此，选额定直流电压为400kV时，能满足耐张塔输电线路的外绝缘要求。

在计算绝缘子片数时，复合绝缘子的爬电比距统一取45mm/kV，其他形式绝缘子的爬电比距统一取54mm/kV。

(2)380kV直流电压

对于所有耐张塔，在保持绝缘子类型不变的前提下，计算在380kV额定直流电压下的绝缘子串长以及较原绝缘子增加的串长，同时验算其外绝缘是否满足HVDC工程要求。根据计算结果可得如下结论：

1)交改三极直流后，如果额定直流电压取为U_dN＝380kV，则所有78基直线塔全部改为与原交流绝缘子同串长的复合绝缘子后，不会恶化杆塔的空气间隙，因此不需要改造这些杆塔。

2)余下的12基耐张塔如果继续保留原绝缘子型号，则需要增加复合绝缘子串长2.15～3.1m。当不计由于绝缘子重量增加对杆塔的影响时，计算表明：无论运行电压还是操作过电压下，塔头空气间隙均满足规程要求(备注：空气间隙差值为正，表明满足要求。正值越大，安全裕度越高。)。

3)12基耐张塔的线下地面合成场强均小于规程要求的30kV/cm限值，因此合格。

4)由于选定的额定直流电压U_dN＝380kV小于直线塔的最大直流电压388.89kV，因此所有直线塔的空气间隙均自然满足规程要求，故不再计算。

5)当取额定直流电压U_dN＝380kV、额定直流电流为原线路额定电流时，三极直流输送总功率为Pd3T＝(2.74×380/(√3×500))PN＝1.2PN，其中PN为交流线路额定功率。由此表明，三极直流较原交流线路具有多送20％的增容优势。

Claims (4)

1.一种交改三极直流后直流额定电压的选取方法，用于交流输电线路改造为高压直流三极输电线路后直流额定电压的确定，输电线路中包括绝缘子、杆塔和耐张塔，其特征在于，所述的选取方法包括以下步骤：

1)选取多个交改三极直流的改造方案；

2)计算各改造方案下输电线路的外绝缘参数，获得直流额定电压等级范围；

3)根据步骤2)获得的直流额定电压等级范围精确计算直流额定电压等级，具体为：

在步骤2)获得的直流额定电压等级范围中，采用不同的绝缘子改造方案，由外绝缘计算结果最终确定同时具有最佳直流增容优势和线路改造力度的额定直流电压等级，具体为：

(301)所有杆塔的绝缘子全部改造为复合绝缘子，在保持串长不变的前提下，计算每基杆塔能够承受的最大直流电压；

(302)根据第(301)步计算得出的杆塔最大直流电压，选取合适的数值作为三极直流线路的额定直流电压，U_dN＝0.95U_m～1.05U_m，U_dN为额定直流电压，U_m为最大直流电压；

(303)对于所有耐张塔，在保持绝缘子类型不变的前提下，计算在步骤(302)的额定直流电压下的绝缘子串长以及较原绝缘子增加的串长；

(304)以额定直流电压为基础，验算所有杆塔的外绝缘是否满足HVDC工程要求，若满足，则确定额定直流电压，否则，返回步骤(302)。

2.根据权利要求1所述的一种交改三极直流后直流额定电压的选取方法，其特征在于，所述的改造方案包括完全保留现有输电线路、取额定直流电压为U_dN＝240kV、取额定直流电压为U_dN＝316.06kV、额定直流电压取为交流线路相电压峰值和额定直流电压取为交流线路额定线电压有效值。

3.根据权利要求1所述的一种交改三极直流后直流额定电压的选取方法，其特征在于，所述的外绝缘参数包括绝缘子串长、工作电压及操作过电压下的最小塔头间隙、杆塔最大地面合成场强、线间最小空气间隙和导线最大弧垂。

4.根据权利要求1所述的一种交改三极直流后直流额定电压的选取方法，其特征在于，所述的步骤2)中，根据外绝缘参数对直流额定电压影响，选取直流额定电压等级范围。