1000kV交流架空輸電線路的設(shè)計-李勇偉

1、1000kV交流架空輸電線路的設(shè)計電力規(guī)劃設(shè)計總院李勇偉招電力專業(yè)人才，上一覽電力英才我國特高壓工程簡況交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計與國外特高壓工程的簡單比較 交流特高壓線路的主要指標(biāo)我國特高壓工程簡況 我國特高壓輸電技術(shù)包含1000kV交流輸電和800kV直流輸電兩局部。 關(guān)鍵技術(shù)研究和工程可行性研究均始于2005年。代表性工程分別是1000kV晉東南南陽荊門特高壓交流試驗示范工程、 800kV云南-廣東直流輸電工程和800kV向家壩-上海直流輸電工程。我國特高壓工程簡況 后續(xù)建設(shè)中的工程包括1000kV晉東南南陽荊門特高壓交流擴建工程、 800kV

2、錦屏-蘇南直流輸電工程。 正在設(shè)計的工程包括1000kV淮南浙北上海、錫盟-南京特高壓交流工程、 800kV溪洛渡-浙西、糯扎渡-廣東直流輸電工程等。交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新 立足自主創(chuàng)新，1000kV特高壓交流輸電關(guān)鍵技術(shù)研究取得了一系列重要的創(chuàng)新性研究成果，形成了全套特高壓交流輸電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)，提高了我國在國際高壓標(biāo)準(zhǔn)制定領(lǐng)域的話語權(quán)。交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新基于超大型電網(wǎng)仿真系統(tǒng)和其他技術(shù)手段，綜合分析了電網(wǎng)平安穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、設(shè)備制造水平、外絕緣等因素，提出了符合國情的特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)最高運行電壓，確定了無功控制、系統(tǒng)平安穩(wěn)定、穩(wěn)態(tài)過電壓、聯(lián)絡(luò)線功率控制等技術(shù)原那么。交流試

3、驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新通過真型桿塔和長波前放電特性試驗，獲得了接近實際運行條件的特高壓操作沖擊電壓放電特性曲線；基于超長絕緣子串人工污穢試驗所獲得的大量數(shù)據(jù)，提出了污穢條件下特高壓絕緣子串的配制原那么； 通過不同海拔點的桿塔間隙試驗研究，提出了外絕緣放電電壓的海拔修正方法。交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新 通過系統(tǒng)過電壓計算分析和絕緣配合研究，揭示了不同接線方式下特快速瞬態(tài)過電壓VFTO的特性和規(guī)律，提出了將特高壓操作過電壓水平降低到1.61.7p.u、工頻過電壓水平限制在1.31.4p.u的過電壓限制措施，降低了設(shè)備的絕緣水平；在理論上分析了我國特高壓線路不采用快速接地開關(guān)而使用中性點小電抗

4、抑制潛供電流的合理性。交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新通過分析和試驗，研究了無線電干擾、可聽噪聲和地面場強等電磁環(huán)境參數(shù)，提出了滿足環(huán)保要求的限值。通過特高壓輸電線路對航空導(dǎo)航系統(tǒng)干擾影響飛行試驗，在國際上首次確定了1000kV特高壓交流輸電線路與各種無線臺站的防護間距；交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新自主研制了代表世界最高水平的全套特高壓交流設(shè)備，掌握了特高壓設(shè)備的核心制造技術(shù)。包括額定容量1000MVA單體式變壓器；單臺容量320Mvar的并聯(lián)電抗器；額定電流6300A、額定短路開斷電流50kA的GIS；1000kV避雷器、電壓互感器、支柱絕緣子、接地開關(guān)、油紙絕緣瓷套管、氣體絕緣瓷套管、氣體

5、絕緣復(fù)合套管和復(fù)合絕緣子等。交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新 制定了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的1000kV特高壓交流設(shè)備試驗標(biāo)準(zhǔn)、工程啟動及竣工驗收規(guī)程；進行了用于指導(dǎo)設(shè)備調(diào)試的現(xiàn)場設(shè)備缺陷超聲精確定位，提出了特高壓交流變壓器和套管局部放電試驗的試驗方法和特殊處理措施，在理論分析和仿真計算的根底上，成功進行了特高壓系統(tǒng)人工接地短路和系統(tǒng)抗擾動等試驗。交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新確定了交流特高壓輸電線路和變電站的設(shè)計原那么及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，編制完成了1000kV架空線路和變電站設(shè)計技術(shù)規(guī)程。交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新 研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的1000kV檢修工具、帶電作業(yè)工具、平安防護服及系列工具，確

6、定了交流1000kV輸電線路帶電作業(yè)各工況及作業(yè)位置的平安距離，形成了特高壓交流工程運行檢修的規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)。交流試驗示范工程的主要技術(shù)創(chuàng)新 建成了特高壓綜合試驗?zāi)芰κ澜绲谝坏奶馗邏航涣髟囼灮?、高海拔試驗基地、工程力學(xué)試驗基地和開關(guān)試驗基地，大電網(wǎng)仿真分析中心，系統(tǒng)仿真研究平臺。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 1000kV晉東南南陽荊門特高壓交流試驗示范工程，是我國首條單回路1000kV交流特高壓架空輸電線路。下面介紹其主要設(shè)計原那么和特點，并將其主要技術(shù)及經(jīng)濟指標(biāo)與其他電壓等級架空輸電線路進行比較和分析。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計特高壓輸電技術(shù)具有輸電距離長、輸送功率大

7、的特點，是解決我國一次能源分布不均衡，主要負(fù)荷中心遠離主要能源基地而需要高效輸送電能的有效手段。開展特高壓輸電技術(shù)，成為滿足我國今后能源平安可靠供給，加快電網(wǎng)技術(shù)升級，提高國內(nèi)輸變電裝備制造水平的有力之舉。 特高壓輸電是國際上領(lǐng)先的技術(shù)，國外實踐不多，在我國更有許多科研、設(shè)計、制造和施工等方面的技術(shù)需要實踐。綜合評價特高壓輸電的技術(shù)風(fēng)險，特別是驗證主設(shè)備的可靠性水平，是試驗示范工程的主要目標(biāo)。 1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計20 世紀(jì)60 年代以來，前蘇聯(lián)和日本等國，通過大量研究先后建成了1 150 kV 單回路特高壓輸電線路和1 000 kV同塔雙回路線路，但由于經(jīng)濟增長速度比預(yù)期

8、減緩等原因，目前國外特高壓工程的應(yīng)用處于停滯狀態(tài)，已建成的線路均降壓至500 kV運行。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計額定電壓為1000kV，最高運行電壓為1100kV，功率因數(shù)為0.95。1000kV晉東南南陽荊門輸電線路經(jīng)過山西、河南和湖北，全長640km，其中晉東南南陽段長約359km，南陽荊門段長約281km。沿線最高海拔1400米。 工程起于山西晉東南站，經(jīng)河南南陽站，止于湖北荊門站。線路全長約640km，先后跨越黃河和漢江，動態(tài)投資57.36億。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 2006年8月獲得國家開展改革委員會核準(zhǔn)。 2

9、006年10月完成初步設(shè)計。 2006年12月開工建設(shè)。 2021年12月工程竣工并順利完成各項調(diào)試，12月30日投入試運行。 2021年1月6日正式投入商業(yè)運行至今已近1年，運行穩(wěn)定。 該工程是目前世界上運行電壓最高，技術(shù)水平最先進的，我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的特高壓交流輸變電工程。 風(fēng)速重現(xiàn)期按100年一遇設(shè)計，離地10m高、10min平均風(fēng)速，且最小值不低于27m/s。工程用基準(zhǔn)風(fēng)速值為：平丘段27m/s，山區(qū)段30m/s，黃河大跨越段和漢江大跨越段分別為31m/s和30m/s。 特高壓輸電線路鐵塔的結(jié)構(gòu)可靠度目標(biāo)值可到達b 3.7，比500 kV線路(b 3.2)高1級。桿塔結(jié)構(gòu)重要性

10、系數(shù)取1.1。全線覆冰按10mm設(shè)計。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 特高壓線路因?qū)Ь€電暈而產(chǎn)生的無線電干擾和可聽噪聲成為導(dǎo)線選擇的主要因素。 1、邊相導(dǎo)線水平距離20m處，濕導(dǎo)體情況下可聽噪聲值不大于55dB(A) 。 2、離地2m高距邊相導(dǎo)線水平距離20m處，測量頻率為0.5 MHz的好天氣無線電干擾限值不大于55dBV/m 。 從各項技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟性看，8分裂導(dǎo)線方案具有比其它分裂導(dǎo)線更突出的優(yōu)越性。 根據(jù)年費用的計算結(jié)果，當(dāng)輸送容量為5000MW時，采用8LGJ500/35導(dǎo)線最為經(jīng)濟。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 在通過河

11、南省國家級獼猴自然保護區(qū)時可聽噪聲設(shè)計限值不超過50 dB(A)，該段線路采用了單根直徑更大的8LGJ630/45導(dǎo)線。 8LGJ500/35導(dǎo)線方案RI和AN計算值： 上述計算值與特高壓試驗線段以及工程線路投運后的測試值比照，結(jié)果符合設(shè)計預(yù)期值，滿足工程環(huán)評批復(fù)的限值要求 。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 地線選擇應(yīng)綜合考慮如下因素： 1、滿足機械性能要求 2、滿足短路熱容量要求 3、耐雷擊性能以及電力系統(tǒng)通信要求 4、應(yīng)控制因相導(dǎo)線感應(yīng)電壓而產(chǎn)生的地線電暈，Em/E00.75。 5、需考慮防腐和長期耐振性能問題。 最終采用最小直徑約為17 mm 的JLB20A170鋁包鋼絞線以及

12、對應(yīng)的OPGW為地線。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 分析地線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流和電能損耗，普通地線采用分段絕緣單點接地運行方式。 地線絕緣子的絕緣間隙根據(jù)地線最大感應(yīng)電壓、潛供電流分析結(jié)論以及絕緣子空氣間隙的擊穿電壓和恢復(fù)電壓試驗特性確定，間隙取值為2025 mm。 為方便維護運行，OPGW仍采用逐塔接地運行方式。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 絕緣子型式及片數(shù)應(yīng)使線路能在工作電壓、操作過電壓和雷電過電壓等條件下平安運行。 通過對沿線污穢情況的詳細(xì)調(diào)查，不同外形絕緣子耐污特性的比照分析，以及全尺寸絕緣子串污耐壓試驗研究，分別按爬電比距法和污耐壓法進行了絕緣子片數(shù)選擇，同時

13、作了操作沖擊和雷電沖擊校驗。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 從國內(nèi)外目前研究結(jié)果看，在1000kV特高壓線路的條件下，長絕緣子串的污耐壓值與串長依然呈線性關(guān)系，以往超高壓線路采用的絕緣子配置方法和理論依然適用。絕緣子串長度與閃絡(luò)電壓的關(guān)系(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院) 絕緣子串長度與閃絡(luò)電壓的關(guān)系(中國電力科學(xué)研究院) 1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 1000kV特高壓線路的絕緣子配置： 1、本工程采用300、400和550kN 3種強度的絕緣子。2、0、級污穢區(qū)采用普通型懸式絕緣子，級污穢區(qū)選用大爬距的三傘或鐘罩型懸式絕緣子，級及以上重污穢區(qū)采用合成絕緣子。3、級污區(qū)采用54片雙

14、傘型盤式絕緣子。4、級污區(qū)采用合成絕緣子。合成絕緣子的結(jié)構(gòu)高度按9750mm，爬電距離按30000mm。單聯(lián)串、雙聯(lián)串片數(shù)或長度相同，雙聯(lián)串的聯(lián)間距取600mm。 1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 為減小塔窗尺寸和橫擔(dān)長度，直線桿塔的懸垂串采用IVI型布置方式。按照不同的荷載，采用了單、雙I型和單、雙V型絕緣子串。懸垂串絕緣子的機械強度分為300和400 kN 2種，懸垂跳線串采用210 kN絕緣子。 使用8LGJ500/35導(dǎo)線的耐張塔采用水平布置的雙聯(lián)550 kN瓷或玻璃絕緣子串。 使用8LGJ630/45導(dǎo)線的耐張塔采用水平布置的三聯(lián)550 kN瓷或玻璃絕緣子串。 各聯(lián)水平布置增

15、強了自然清洗效果，提高絕緣子串的耐污能力，多聯(lián)串的聯(lián)間距取600mm。 1000kV特高壓線路的絕緣子串及金具的電暈問題更加突出，為改善沿絕緣子串的電位分布及限制金具起暈，利用三維仿真計算成果和試驗驗證，確定合理的絕緣子串均壓和屏蔽方案。 絕緣子串均壓環(huán)直徑取1 m，管徑取120 mm。當(dāng)采用盤式絕緣子時，均壓環(huán)上扛到23片絕緣子之間。 由于懸垂絕緣子串未加裝屏蔽環(huán)，所有導(dǎo)線懸垂線夾需滿足防暈要求。 1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 首次開展線路的全場域三維電場計算及真型試驗，研制出線路成套金具，成功解決了特高壓工程的電磁環(huán)境控制難題。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 1000

16、kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 懸垂串耐張串1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 為提高空氣間隙可靠性和減輕耐張塔重量，設(shè)計采用剛性跳線，根據(jù)不同安裝位置，采用安裝跳線串和使用斜爬梯 2 種鋁管式鋼性跳線，典型的鋁管式剛性跳線如以下圖所示： 安裝跳線串 使用斜爬梯 1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 1000kV交流特高壓線路工作電壓下和操作過電壓下的桿塔空氣間隙，通過分析實際最高工作電壓、操作過電壓并利用空氣間隙臨界放電電壓特性確定。經(jīng)真型塔空氣間隙放電特性驗證試驗完成后，最終采用的塔頭空氣間隙如下：注：1為操作過電壓倍數(shù)取1.70 pu

17、；2為括號內(nèi)數(shù)值為對上橫擔(dān)的最小間隙值。 針對特高壓系統(tǒng)操作過電壓波前時間較長的特點，開展了長波前操作沖擊試驗。首次采用1000s長波前操作波試驗數(shù)據(jù)進行絕緣配合，有效地減小了塔頭尺寸。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 1000kV輸電線路導(dǎo)線對地及交叉跨越距離，也是根據(jù)電場強度限值、操作過電壓下的電氣絕緣強度以及電力部門與其他行業(yè)的技術(shù)協(xié)議要求等確定，與超高壓線路相同。 區(qū)別在于，由于電壓的升高，原來一些由電氣絕緣強度確定的間隙變?yōu)橛呻妶鰪姸瓤刂?，或需要進行電場強度校驗予以確認(rèn)。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 導(dǎo)線對地是根據(jù)電場強度限值確定的，1000kV交流特高壓線路采用

18、的場強為非居民區(qū)、居民區(qū)、鄰近民房分別按10，7和4 kV/m控制。對鐵路軌頂和公路路面等，取居民區(qū)的場強限值(7 kV/m)。對地最小距離取值如下：1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 由電氣絕緣強度確定最小距離時(如對山坡、峭壁、電力線和桅桿頂?shù)?，主要考慮操作過電壓間隙并另加一定裕度，操作過電壓間隙取7m。對交叉跨越物的距離取值如下：1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計采用了綜合防雷保護措施降低雷擊跳閘率，在不同地形、地段采取有針對性的防雷保護措施，實現(xiàn)了單回路線路負(fù)保護角設(shè)計，特高壓線路防雷水平比500kV線路有大幅提高。 平丘地形直線塔保護角小于5。 山區(qū)直線塔保護角為-5。

19、 變電站進出線2km范圍內(nèi)采用-5保護角的酒杯塔,并加裝第3根地線。 計算所得的跳閘率為0.1次/(100kma)，該值約為我國500kV平均運行值的70%。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計貓頭型塔 酒杯型塔 干字型耐張塔 各塔型的設(shè)計水平檔距和垂直檔距利用輸電線路優(yōu)化排位軟件以及航測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析確定。為滿足塔位的環(huán)境保護要求，丘陵和山區(qū)鐵塔采用了全方位長短腿設(shè)計方案。 1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計限高區(qū)門型塔 分體式耐張塔 為解決塔高限制區(qū)和采空區(qū)的問題，特殊設(shè)計了門型塔和分體耐張塔。 1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 綜合

20、考慮地形及地質(zhì)特點、經(jīng)濟指標(biāo)和環(huán)境保護等因素 。普遍采用了根底立柱加高、生態(tài)植被護坡和改善排水等措施，加強環(huán)境保護和水土保持，主要采用的根底型式如下： 1、剛性根底 2、直柱平板根底 3、人工挖孔樁 4、嵌固式巖石根底 5、鉆孔灌注樁 6、錨桿根底 1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計線路走廊示意圖 線路設(shè)計時定義走廊寬度的目的用于確定房屋拆遷范圍。線路走廊寬度1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計 包括西化工黃河大跨越和沿山頭漢江大跨越，導(dǎo)線選型由導(dǎo)線發(fā)熱條件下的輸送功率以及機械特性確定，并校核無線電干擾和可聽噪聲指標(biāo)。采用導(dǎo)線為6AACSR/EST500/230特強鋼芯高強鋁合金絞線

21、。 為保證大跨越段線路比一般線路擁有更高的可靠性，設(shè)計風(fēng)速約比一般線路高10%，導(dǎo)線覆冰厚度比相鄰陸上線路增加5mm。直線塔采用酒杯型鋼管塔，耐張塔采用干字型角鋼塔。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計各大跨越段主要技術(shù)特征見下表：1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計黃河大跨越線路穿越晉城和洛陽偃師附近的煤礦采動區(qū)。在國內(nèi)首次采用物探手段及量化分析模型等先進技術(shù)確定采空區(qū)地基及根底處理措施，有效保證采空區(qū)線路平安穩(wěn)定運行。 國內(nèi)首次對線路塔基開展三維地震等物探工作，查清塔基下方采空狀況。 首次采用數(shù)學(xué)模型定量評價塔基穩(wěn)定性。 依據(jù)穩(wěn)定評價結(jié)果及采深采厚比逐基確定采空區(qū)地基、根底處理措施

22、。 采取根底加固、大板根底、分體耐張塔等綜合措施，解決了塔基的不均勻沉降，確保線路能長期平安穩(wěn)定運行 。1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計煤礦采空區(qū)大板根底及分體式耐張塔與國外特高壓工程的簡單比較 評價輸電線路設(shè)計方案合理與否的的根本判據(jù)是其能否在滿足平安性、環(huán)保性、易維護性和壽命期內(nèi)運行經(jīng)濟性等要求的前提下投資最為節(jié)省。一般而言，技術(shù)要求越高，投資也越高。因此設(shè)計人員不懈的追求最終歸結(jié)為尋找符合國情的工程技術(shù)性和經(jīng)濟性的平衡點。 由于各國國情的不同，一般難以將不同國家的設(shè)計方案籠統(tǒng)地加以比較；但從以下幾個具體的例子，還是可以看出我國試驗示范工程與前蘇聯(lián)和日本設(shè)計方案的差異： 在無線電干擾、可聽噪聲和地面電場強度等電磁環(huán)境指標(biāo)上，我國要求遠高于蘇聯(lián)，根本接近日本，而日本的標(biāo)準(zhǔn)是全世界少數(shù)幾個要求最高的國家之一；與國外特高壓工程的簡單比較 在絕緣設(shè)計上，桿塔空氣間隙絕緣強度根