1000kv交流架空输电线路的设计——李勇伟

1000kV交流架空输电线路的设计,电力规划设计总院李勇伟,招电力专业人才，上一览电力英才,我国特高压工程简况交流试验示范工程的主要技术创新1000kV单回路交流架空输电线路的设计与国外特高压工程的简单比较 交流特高压线路的主要指标,我国特高压工程简况,我国特高压输电技术包含1000kV交流输电和800kV直流输电两部分。 关键技术研究和工程可行性研究均始于2005年。代表性工程分别是1000kV晋东南南阳荆门特高压交流试验示范工程、 800kV云南-广东直流输电工程和800kV向家坝-上海直流输电工程。,我国特高压工程简况,后续建设中的工程包括1000kV晋东南南阳荆门特高压交流扩建工程、 800kV锦屏-苏南直流输电工程。 正在设计的工程包括1000kV淮南浙北上海、锡盟-南京特高压交流工程、 800kV溪洛渡-浙西、糯扎渡-广东直流输电工程等。,交流试验示范工程的主要技术创新,立足自主创新，1000kV特高压交流输电关键技术研究取得了一系列重要的创新性研究成果，形成了全套特高压交流输电技术标准和规范，提高了我国在国际高压标准制定领域的话语权。,交流试验示范工程的主要技术创新,基于超大型电网仿真系统和其他技术手段，综合分析了电网安全稳定性、经济性、设备制造水平、外绝缘等因素，提出了符合国情的特高压电网系统最高运行电压，确定了无功控制、系统安全稳定、稳态过电压、联络线功率控制等技术原则。,交流试验示范工程的主要技术创新,通过真型杆塔和长波前放电特性试验，获得了接近实际运行条件的特高压操作冲击电压放电特性曲线；基于超长绝缘子串人工污秽试验所获得的大量数据，提出了污秽条件下特高压绝缘子串的配制原则； 通过不同海拔点的杆塔间隙试验研究，提出了外绝缘放电电压的海拔修正方法。,交流试验示范工程的主要技术创新,通过系统过电压计算分析和绝缘配合研究，揭示了不同接线方式下特快速瞬态过电压（VFTO）的特性和规律，提出了将特高压操作过电压水平降低到1.6（1.7）p.u、工频过电压水平限制在1.3（1.4）p.u的过电压限制措施，降低了设备的绝缘水平；在理论上分析了我国特高压线路不采用快速接地开关而使用中性点小电抗抑制潜供电流的合理性。,交流试验示范工程的主要技术创新,通过分析和试验，研究了无线电干扰、可听噪声和地面场强等电磁环境参数，提出了满足环保要求的限值。通过特高压输电线路对航空导航系统干扰影响飞行试验，在国际上首次确定了1000kV特高压交流输电线路与各种无线台站的防护间距；,交流试验示范工程的主要技术创新,自主研制了代表世界最高水平的全套特高压交流设备，掌握了特高压设备的核心制造技术。包括额定容量1000MVA单体式变压器；单台容量320Mvar的并联电抗器；额定电流6300A、额定短路开断电流50kA的GIS；1000kV避雷器、电压互感器、支柱绝缘子、接地开关、油纸绝缘瓷套管、气体绝缘瓷套管、气体绝缘复合套管和复合绝缘子等。,交流试验示范工程的主要技术创新,制定了具有我国自主知识产权的1000kV特高压交流设备试验标准、工程启动及竣工验收规程；进行了用于指导设备调试的现场设备缺陷超声精确定位，提出了特高压交流变压器和套管局部放电试验的试验方法和特殊处理措施，在理论分析和仿真计算的基础上，成功进行了特高压系统人工接地短路和系统抗扰动等试验。,交流试验示范工程的主要技术创新,确定了交流特高压输电线路和变电站的设计原则及建设标准，编制完成了1000kV架空线路和变电站设计技术规程。,交流试验示范工程的主要技术创新,研制了具有自主知识产权的1000kV检修工具、带电作业工具、安全防护服及系列工具，确定了交流1000kV输电线路带电作业各工况及作业位置的安全距离，形成了特高压交流工程运行检修的规程、规范。,交流试验示范工程的主要技术创新,建成了特高压综合试验能力世界第一的特高压交流试验基地、高海拔试验基地、工程力学试验基地和开关试验基地，大电网仿真分析中心，系统仿真研究平台。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,1000kV晋东南南阳荆门特高压交流试验示范工程，是我国首条单回路1000kV交流特高压架空输电线路。下面介绍其主要设计原则和特点，并将其主要技术及经济指标与其他电压等级架空输电线路进行比较和分析。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,特高压输电技术具有输电距离长、输送功率大的特点，是解决我国一次能源分布不均衡，主要负荷中心远离主要能源基地而需要高效输送电能的有效手段。发展特高压输电技术，成为满足我国今后能源安全可靠供应，加快电网技术升级，提高国内输变电装备制造水平的有力之举。 特高压输电是国际上领先的技术，国外实践不多，在我国更有许多科研、设计、制造和施工等方面的技术需要实践。综合评价特高压输电的技术风险，特别是验证主设备的可靠性水平，是试验示范工程的主要目标。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,20 世纪60 年代以来，前苏联和日本等国，通过大量研究先后建成了1 150 kV 单回路特高压输电线路和1 000 kV同塔双回路线路，但由于经济增长速度比预期减缓等原因，目前国外特高压工程的应用处于停滞状态，已建成的线路均降压至500 kV运行。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,额定电压为1000kV，最高运行电压为1100kV，功率因数为0.95。1000kV晋东南南阳荆门输电线路经过山西、河南和湖北，全长640km，其中晋东南南阳段长约359km，南阳荆门段长约281km。沿线最高海拔1400米。,工程起于山西晋东南站，经河南南阳站，止于湖北荆门站。线路全长约640km，先后跨越黄河和汉江，动态投资57.36亿。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,2006年8月获得国家发展改革委员会核准。 2006年10月完成初步设计。 2006年12月开工建设。 2008年12月工程竣工并顺利完成各项调试，12月30日投入试运行。 2009年1月6日正式投入商业运行至今已近1年，运行稳定。 该工程是目前世界上运行电压最高，技术水平最先进的，我国具有完全自主知识产权的特高压交流输变电工程。,风速重现期按100年一遇设计，离地10m高、10min平均风速，且最小值不低于27m/s。工程用基准风速值为：平丘段27m/s，山区段30m/s，黄河大跨越段和汉江大跨越段分别为31m/s和30m/s。 特高压输电线路铁塔的结构可靠度目标值可达到b 3.7，比500 kV线路(b 3.2)高1级。杆塔结构重要性系数取1.1。全线覆冰按10mm设计。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,特高压线路因导线电晕而产生的无线电干扰和可听噪声成为导线选择的主要因素。 1、边相导线水平距离20m处，湿导体情况下可听噪声值不大于55dB(A) 。 2、离地2m高距边相导线水平距离20m处，测量频率为0.5 MHz的好天气无线电干扰限值不大于55dB（V/m） 。 从各项技术指标和经济性看，8分裂导线方案具有比其它分裂导线更突出的优越性。 根据年费用的计算结果，当输送容量为5000MW时，采用8LGJ500/35导线最为经济。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,在通过河南省国家级猕猴自然保护区时可听噪声设计限值不超过50 dB(A)，该段线路采用了单根直径更大的8LGJ630/45导线。 8LGJ500/35导线方案RI和AN计算值：,上述计算值与特高压试验线段以及工程线路投运后的测试值对比，结果符合设计预期值，满足工程环评批复的限值要求 。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,地线选择应综合考虑如下因素： 1、满足机械性能要求 2、满足短路热容量要求 3、耐雷击性能以及电力系统通信要求 4、应控制因相导线感应电压而产生的地线电晕，Em/E00.75。 5、需考虑防腐和长期耐振性能问题。,最终采用最小直径约为17 mm 的JLB20A170铝包钢绞线以及对应的OPGW为地线。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,分析地线感应电压、感应电流和电能损耗，普通地线采用分段绝缘单点接地运行方式。 地线绝缘子的绝缘间隙根据地线最大感应电压、潜供电流分析结论以及绝缘子空气间隙的击穿电压和恢复电压试验特性确定，间隙取值为2025 mm。 为方便维护运行，OPGW仍采用逐塔接地运行方式。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,绝缘子型式及片数应使线路能在工作电压、操作过电压和雷电过电压等条件下安全运行。 通过对沿线污秽情况的详细调查，不同外形绝缘子耐污特性的对比分析，以及全尺寸绝缘子串污耐压试验研究，分别按爬电比距法和污耐压法进行了绝缘子片数选择，同时作了操作冲击和雷电冲击校验。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,从国内外目前研究结果看，在1000kV特高压线路的条件下，长绝缘子串的污耐压值与串长依然呈线性关系，以往超高压线路采用的绝缘子配置方法和理论依然适用。,绝缘子串长度与闪络电压的关系(国网电力科学研究院),绝缘子串长度与闪络电压的关系(中国电力科学研究院),1000kV单回路交流架空输电线路的设计,1000kV特高压线路的绝缘子配置： 1、本工程采用300、400和550kN 3种强度的绝缘子。2、0、级污秽区采用普通型悬式绝缘子，级污秽区选用大爬距的三伞或钟罩型悬式绝缘子，级及以上重污秽区采用合成绝缘子。3、级污区采用54片双伞型盘式绝缘子。4、级污区采用合成绝缘子。合成绝缘子的结构高度按9750mm，爬电距离按30000mm。单联串、双联串片数或长度相同，双联串的联间距取600mm。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,为减小塔窗尺寸和横担长度，直线杆塔的悬垂串采用IVI型布置方式。按照不同的荷载，采用了单、双I型和单、双V型绝缘子串。悬垂串绝缘子的机械强度分为300和400 kN 2种，悬垂跳线串采用210 kN绝缘子。 使用8LGJ500/35导线的耐张塔采用水平布置的双联550 kN瓷或玻璃绝缘子串。 使用8LGJ630/45导线的耐张塔采用水平布置的三联550 kN瓷或玻璃绝缘子串。 各联水平布置增强了自然清洗效果，提高绝缘子串的耐污能力，多联串的联间距取600mm。,1000kV特高压线路的绝缘子串及金具的电晕问题更加突出，为改善沿绝缘子串的电位分布及限制金具起晕，利用三维仿真计算成果和试验验证，确定合理的绝缘子串均压和屏蔽方案。 绝缘子串均压环直径取1 m，管径取120 mm。当采用盘式绝缘子时，均压环上扛到23片绝缘子之间。 由于悬垂绝缘子串未加装屏蔽环，所有导线悬垂线夹需满足防晕要求。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,首次开展线路的全场域三维电场计算及真型试验，研制出线路成套金具，成功解决了特高压工程的电磁环境控制难题。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,悬垂串,耐张串,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,为提高空气间隙可靠性和减轻耐张塔重量，设计采用刚性跳线，根据不同安装位置，采用安装跳线串和使用斜爬梯 2 种铝管式钢性跳线，典型的铝管式刚性跳线如下图所示：,安装跳线串,使用斜爬梯,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,1000kV交流特高压线路工作电压下和操作过电压下的杆塔空气间隙，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。经真型塔空气间隙放电特性验证试验完成后，最终采用的塔头空气间隙如下：,注：1为操作过电压倍数取1.70 pu；2为括号内数值为对上横担的最小间隙值。,针对特高压系统操作过电压波前时间较长的特点，开展了长波前操作冲击试验。首次采用1000s长波前操作波试验数据进行绝缘配合，有效地减小了塔头尺寸。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,1000kV输电线路导线对地及交叉跨越距离，也是根据电场强度限值、操作过电压下的电气绝缘强度以及电力部门与其他行业的技术协议要求等确定，与超高压线路相同。 区别在于，由于电压的升高，原来一些由电气绝缘强度确定的间隙变为由电场强度控制，或需要进行电场强度校验予以确认。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,导线对地是根据电场强度限值确定的，1000kV交流特高压线路采用的场强为非居民区、居民区、邻近民房分别按10，7和4 kV/m控制。对铁路轨顶和公路路面等，取居民区的场强限值(7 kV/m)。对地最小距离取值如下：,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,由电气绝缘强度确定最小距离时(如对山坡、峭壁、电力线和桅杆顶等)，主要考虑操作过电压间隙并另加一定裕度，操作过电压间隙取7m。对交叉跨越物的距离取值如下：,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,采用了综合防雷保护措施降低雷击跳闸率，在不同地形、地段采取有针对性的防雷保护措施，实现了单回路线路负保护角设计，特高压线路防雷水平比500kV线路有大幅提高。 平丘地形直线塔保护角小于5。 山区直线塔保护角为-5。 变电站进出线2km范围内采用-5保护角的酒杯塔,并加装第3根地线。 计算所得的跳闸率为0.1次/(100kma)，该值约为我国500kV平均运行值的70%。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,各塔型的设计水平档距和垂直档距利用输电线路优化排位软件以及航测数据统计分析确定。为满足塔位的环境保护要求，丘陵和山区铁塔采用了全方位长短腿设计方案。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,限高区门型塔,分体式耐张塔,为解决塔高限制区和采空区的问题，特殊设计了门型塔和分体耐张塔。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,综合考虑地形及地质特点、经济指标和环境保护等因素 。普遍采用了基础立柱加高、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，主要采用的基础型式如下： 1、刚性基础 2、直柱平板基础 3、人工挖孔桩 4、嵌固式岩石基础 5、钻孔灌注桩 6、锚杆基础,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,线路走廊示意图,线路设计时定义走廊宽度的目的用于确定房屋拆迁范围。,线路走廊宽度,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,包括西化工黄河大跨越和沿山头汉江大跨越，导线选型由导线发热条件下的输送功率以及机械特性确定，并校核无线电干扰和可听噪声指标。采用导线为6AACSR/EST500/230特强钢芯高强铝合金绞线。 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%，导线覆冰厚度比相邻陆上线路增加5mm。直线塔采用酒杯型钢管塔，耐张塔采用干字型角钢塔。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,各大跨越段主要技术特征见下表：,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,黄河大跨越,线路穿越晋城和洛阳偃师附近的煤矿采动区。在国内首次采用物探手段及量化分析模型等先进技术确定采空区地基及基础处理措施，有效保证采空区线路安全稳定运行。 国内首次对线路塔基开展三维地震等物探工作，查清塔基下方采空状况。 首次采用数学模型定量评价塔基稳定性。 依据稳定评价结果及采深采厚比逐基确定采空区地基、基础处理措施。 采取基础加固、大板基础、分体耐张塔等综合措施，解决了塔基的不均匀沉降，确保线路能长期安全稳定运行 。,1000kV单回路交流架空输电线路的设计,煤矿采空区大板基础及分体式耐张塔,与国外特高压工程的简单比较,评价输电线路设计方案合理与否的的基本判据是其能否在满足安全性、环保性、易维护性和寿命期内运行经济性等要求的前提下投资最为节省。一般而言，技术要求越高，投资也越高。因此设计人员不懈的追求最终归结为寻找符合国情的工程技术性和经济性的平衡点。,由于各国国情的不同，一般难以将不同国家的设计方案笼统地加以比较；但从以下几个具体的例子，还是可以看出我国试验示范工程与前苏联和日本设计方案的差别： 在无线电干扰、可听噪声和地面电场强度等电磁环境指标上，我国要求远高于苏联，基本接近日本，而日本的标准是全世界少数几个要求最高的国家之一；,与国外特高压工程的简单比较,在绝缘设计上，杆塔空气间隙绝缘强度基本相当