专题报告之二同塔双回线路导线选择研究

专题报告之二40-AS200631-A0302-02
750kV兰州东−平凉−乾县送电线路工程
（兰州东−七里铺标段）
设计投标文件
750kV同塔双回线路导线选择研究
【摘要】导线的选择是750kV同塔双回输电线路的重要课题。

本报告根据《750kV架空送电线路设计暂行技术规定》（Q/GDW
102-2003）的有关规定，结合750kV兰州东—平凉—乾县送
电线路工程的实际情况，选取了本工程可能采用的导线截面
和分裂型式组合，并按照本工程可能采用的塔型，对各种导
线分裂方案，进行了电气性能（导线表面电场强度、无线电
干扰、可听噪声、对地距离、走廊宽度、电晕损失等）、机
械性能（机械特性、负荷特性等）等计算，并进行了经济比
较分析。

通过电气性能、机械性能计算和技术经济比较，本阶段可以
按6×LGJ-400/50导线开展工作，建议在初步设计阶段，进
行导线的专题论证工作。

【关键词】750kV 同塔双回导线选择无线电干扰可听噪声电晕损失
目录
1 概述
2 工程概况
2.1 沿线的路径情况
2.2 沿线的气候情况
2.3 电力系统条件
2.4 计算主要铁塔型式
3 导线选择的主要控制原则
3.1 无线电干扰限值
3.2 可听噪声限值
3.3 地面最大场强和邻近民房时的场强限值
4 导线截面和分裂方式的选取
4.1 导线型号的选取
4.2 导线分裂根数的选取
4.3 导线分裂间距
5 导线表面电场强度计算
5.1 导线电晕临界电场强度计算
5.2 导线表面最大电场强度计算
6 无线电干扰计算
6.1 计算方法
6.2 无线电干扰预测结果
7 可听噪声计算
7.1 计算方法
7.2 可听噪声预测结果
8 导线最小对地距离和走廊宽度
8.1 导线最小对地距离
8.2 走廊宽度
8.3 地面场强分布
9 机械特性比较
9.1 导线的机械特性比较
9.2 相导线的荷载特性
10 经济比较
11 主要结论
附录A 导线表面电场强度计算方法附录B 无线电干扰水平预估方法附录C 可听噪声的预计公式
附录D 电晕损耗计算公式
1 概述
导线的选择是750kV同塔双回输电线路的重要课题，它对线路的输送容量、传输性能、环境问题(静电感应、电晕、无线电干扰、噪声等)对输电线路的技术经济指标都有很大的影响，因此，导线选择对降低造价有着十分深远的意义。

750kV同塔双回输电线路的工程架线工程投资一般占工程本体投资的比例较大，再加上导线方案变化引起的杆塔和基础工程量的变化，其对整个工程的造价影响是极其巨大的，直接关系到整个线路工程的建设费用以及建成后的技术特性和运行成本，所以在整个输电线路的技术经济比较中，应该对导线的截面和分裂型式进行充分的技术经济比较，推荐出满足技术要求而且经济合理的导线截面和分裂型式。

导线作为输电线路最主要的部件之一，它要满足线路的主要功能——输送电能的要求，同时要安全可靠地运行，对750kV同塔双回输电线路还要求满足环境保护的要求，而且还要在经济上是合适的，因此，对导线在电气和机械两方面都提出了严格的要求。

在导线截面和分裂方式的选取中，要充分考虑导线的电气和机械特性，在电气特性方面，导线电晕而引起的各种问题，特别是环境问题（无线电干扰、可听噪声等），将更加突出，从世界一些国的实验研究和工程实践情况看，一般均采用多分裂导线来解决这方面的问题，通过合理选择导线的截面和分裂形式来解决由电晕引起的环境影响问题；对于导线的机械特性，要使线路能安全可靠的运行，导线要有优良的机械性能和一定的安全度，特别是线路经过高山大岭、大档距、大高差及严重复冰地区时，导线必须具备优良的机械性能和留有一定的安全裕度。

原则上，在导线选型时，应综合考虑以下因素：
1)导线的允许温升
2)对环境的影响：包括无线电干扰、电晕噪声等
3)经济电流密度
4)电晕临界电压
5)必要的机械强度
导线的选择还受到线路建设环境条件的控制，如设计荷载条件、海拔高度、线路长度等，本专题研究报告是根据本工程的实际情况，对各种导线截面和分裂型式进行比较，对导线截面和分裂型式提出推荐意见。

2 工程概况
2.1 沿线的路径情况
750kV兰州东—平凉—乾县送电线路工程（兰州东~七里铺标段）起点为甘肃省兰州市愉中县境内的750kV兰州东变电站，终点为静宁县的七里铺，线路全长约148km（标书路径长度）。

本标段线路整体走向由西向东，途径甘肃省的愉中县，定西市、会宁县以及静宁县的七里铺。

本标段投标路径方案跨越110kV线路8次，铁路3次，高速公路4次（包括在建），公路14次。

沿线地形分布为山地129.5km，丘陵12.5km，平地6km。

线路所经地区的海拔高度在1700m—2290m之间。

750kV兰州东—平凉—乾县送电线路工程（七里铺~平凉标段）起点为甘肃省静宁县的七里铺，终点为平凉市四十里铺东侧的750kV平凉变电所，线路全长约130km（标书路径长度）。

本标段线路整体走向由西向东，途径甘肃省的静宁县、平凉市、宁夏的西吉县、隆德县以及泾源县。

本标段投标路径方案跨越330kV线路7次，110kV线路3次，铁路1次，高速公路3次（包括在建），公路12次。

沿线地形分布为高山34.5km，山地85.5km，丘陵7.5km，平地2.5km。

线路所经地区的海拔高度在1210m—2740m之间，双回同塔线路所经地区的海拔高度不超过2200m。

2.2 沿线的气候情况
综合分析了本工程的气象资料，用于导线分析的气候情况如下表。

表2-1 沿线气候情况表
通过对沿线气象台站气象资料的收资、统计、分析，本工程同塔双回线路的设计气象条件为：大风风速30m/s，最大覆冰厚度10mm、15mm。

2.3 电力系统条件
2.3.1 系统额定电压：750kV
2.3.2 系统最高运行电压：800kV
2.3.3 系统输送功率：2300MW
2.3.4 事故时极限输送功率：4000MW
2.3.5 功率因数：0.9～0.95
2.3.6 最大负荷利用小时数：最大负荷利用小时数为3000（2008～2015年）小时、3000～5000（2015年以后）小时。

2.3.7 导线标称截面：6×400mm2
2.4 计算主要铁塔型式
根据本工程杆塔规划结果，本报告计算采用的杆塔型式采用I串的双回路塔和采用V串的双回路塔，其导、地线布置尺寸详见图2-1。

“ I ”串塔“ V ”串塔
图 2-1 杆塔塔头尺寸
3 导线选择的主要控制原则
3.1 无线电干扰限值
输电线路的无线电干扰主要是由导线、绝缘子或线路金具等的电晕放电产生，电晕形成的电流脉冲注入导线，并沿导线向注入点两边流动。

从而在导线周围产生磁场，即无线电干扰场。

由于高压架空送电线的导线上沿线“均匀地”出现电晕放电和电流注入点，考虑其合成效应，导线中形成了一种脉冲重复率很高的“稳态”电流，所以架空送电线周围就形成了的脉冲重复率很高的“稳态”无线电干扰场。

图3-1 电晕产生的无线电干扰
可以认为电晕放电产生的无线电干扰是高压架空送电线的固有特性，其频率基本上就在30MHz以内。

同时，由于电晕放电会因天气的变化而强弱变化，雨天交流线路电晕放电明显变强，所以送电线路的无线电干扰电平会随天气变化而有很宽范围的变化，因此通常采用具有统计意义的值来表示线路的无线电干扰水平，如好天气平均值、80%值和95%值（大雨条件）等。

根据《750kV架空送电线路设计暂行技术规定》Q/GDW 102-2003有关规定，无线电干扰限值取：距送电线路边相导线投影外20m处，80%时间，80%的置信度，频率0.5MHz时的无线电干扰限值取55～58dB。

3.2 可听噪声限值
根据国外超高压线路的研究经验，随着电压的升高和导线分裂根数的增加，输电线路的电晕噪声问题越显突出，必须重点关注。

武汉高压研究所在其完成的输电线路电磁环境研究报告中曾提出的噪声限制指标为53dB（A）～55dB（A）。

本报告根据《750kV架空送电线路设计暂行技术规定》Q/GDW 102-2003有关规定，可听噪声限值取距送电线路边相导线投影外15m处，湿导线条件下55～58dB（A）。

3.3 地面最大场强和邻近民房时的场强限值
根据《750kV架空送电线路设计暂行技术规定》Q/GDW 102-2003有关规定，对居民区线路下地面最大电场强度按7kV/m控制，对非居民区线路下地面最大电场强度按10kV/m控制，送电线路跨越非长期住人的建筑物或邻近民房时，房屋所在位置离地1m高处最大未畸变场强不超过4kV/m。

4 导线截面和分裂方式的选取
近年来，我国西北地区建设的750kV输电线路均为单回线路，大都采用6分裂400mm2的导线，部分地段采用了扩径导线。

本工程招标书要求导线标称截面为6×400mm2导线。

4.1 导线型号的选取
在进行导线型号的选取时，首先应立脚于国内也有成熟制造经验的导线型式，所以，本工程主要根据我国的导线制造标准，参考国内输电线路常用的导线型号，对导线型式进行选择，初步选定如下几种导线型号作为本工程现阶段导线比较的型式。

表4-1 导线型号及特性
4.2 导线分裂根数的选取
根据国内、外超高压线路的导线实际采用情况，在超高压线路中为解决电晕问题，一般都需要增加分裂导线根数和导线截面，目前已经建成的750kV超高压线路均采用6分裂方式，所以我们以六分裂为基础选择了五、六、八共三种分裂方式，组成了如下导线分裂型式进行计算。

表4-2 选定的导线分裂型式和截面
4.3 导线分裂间距
导线分裂间距的选取要考虑分裂导线的次档距振荡和电气两个方面的特性，次档距振荡是由迎风侧子导线的尾流所诱发的背风侧子导线的不稳定振动现象，一般认为分裂导线间保持足够的距离就可以避免出现次档距振荡现象，根据国外研究当分裂间距与子导线直径之比S/d>16-18时，就可以避免出现次档距振荡；从电气方面看，有一个最佳分裂间距，在此分裂间距时，导线的表面电场强度最小，由计算可知，限制次档距振荡要求的分裂间距与最佳电气性能要求的分裂间距是矛盾的，我国500kV交、直流线路采用得S/d的比值为15-18.7，但对于750kV线路，由于分裂数较多，电气要求又比较苛刻，因此上要比500kV线路困难得多，一般难以满足上述要求。

从国外经验看，美国345-750kV线路无论导线截面大小均采用18英寸，即45.7cm的分裂间距，推算得分裂间距与子导线直径的比值为9.57-16.9，其S/d值的变化范围较大，最小值比我国采用的数值小。

实际上，由于分裂根数的增加，在采用大大截面导线时，很难保证S/d>16～18，除苏联外其余的数值均小于我国500kV线路的数值，根据上述情况，结合我国超高压线路的设计、运行经验，推荐本工程线路的S/d值采用不小于10，参加计算的导线分裂型式和分裂间距，详见表4-3。

表4-3
导线分裂型式和分裂间距
5 导线表面电场强度计算
导线表面电场强度是导线选择的最基本条件，导线表面电场强度过高将会引起导线全面电晕，不但电晕损耗急剧增加，而且会带来其他很多问题，所以在750kV 双回线路设计中必须限制导线表面电场强度，对于导线表明电场强度一般按照导线表面最大电场强度和导线临界电场强度的比值来控制。

5.1 导线电晕临界电场强度计算
试验证明，导线的临界电场强度与极性的关系很小，可以采用根据试验数据确定的皮克（peek ）公式计算各种导线的临界电场强度，计算公式如下。

(
)
032/
3.0103.3r m E mo +=δ
式中：m —导线表面系数，对绞线一般可取0.82 δ —相对空气密度 δ＝289×10-5(p/（273+t ）) p －气压 Pa t －气温 ℃
r0 —导线半径cm
按照上述公式计算得出的各导线的临界电场强度列入下表5-1。

表5-1 各种导线的临界电场强度
5.2 导线表面最大电场强度计算
导向表面最大工作场强取决于运行电压，子导线直径，相导线分裂形式及相间距离等，其计算方法较多，本报告采用有限元法进行计算，计算方法详见附录A。

5.2.1 导线表面电场强度分布等值图
对于分裂导线，位于不同相线或同一相线不同位置的子导线，其表面面电荷密度或电场强度的分布是不同的。

本报告计算出每根子导线表面及整个空间的电场分布情况。

以6×LGJ-400/50线型为列，在下导线平均高度为23m时，其左边相导线周围的电场分布等值图如图5-1所示，最右侧子导线表面电场分布等值图示于图5-2中。

图5-1 6×LGJK-400/50相线左边相周围电场分布等值图
图5-2 6×LGJK-400/50线型左边相最右侧子导线周围电场分布
5.2.2 导线表面电场强度分布曲线
按图5-3的方法给每相线的子导线编号，按图5-4所示的方法选取每根子导线沿圆周方向的起点和绕向，则6×LGJ-400/50线型铁塔右侧回路每相子导线的表面电场强度有效值沿表面的分布曲线如图5-5—5-7所示。

图5-3 相线的编号示意图
图5-4 子导线沿表面坐标选取
同相序运行方式下，铁塔右则回路导线表面的电场强度分布如图5-5所示。

a) 铁塔右则上层相线子导线表面电场分布曲线
b) 铁塔右则上中相线子导线表面电场分布曲线
( c ) 铁塔右则下层相线子导线表面电场分布曲线图5-5 同相序布置时各子导线表面电场分布
逆相序运行方式下，铁塔右则回路导线表面的电场强度分布如图5-6所示。

( a ) 铁塔右则上层相线子导线表面电场分布曲线
( b ) 铁塔右则上中相线子导线表面电场分布曲线
( c ) 铁塔右则下层相线子导线表面电场分布曲线
图5-6 逆相序布置时各子导线表面电场分布
异相序运行方式下，铁塔右则回路导线表面的电场强度分布如图5-7所示。

( a ) 铁塔右则上层相线子导线表面电场分布曲线
( b ) 铁塔右则上中相线子导线表面电场分布曲线
( c ) 铁塔右则下层相线子导线表面电场分布曲线
图5-7 异相序布置时各子导线表面电场分布
其它线型导线表面电场强度的分布规律与上图一致，本报告不再给出。

5.2.3 导线表面最大电场强度
现将各种不同导线截面和分裂方式在不同导线布置方式下，计算得出的导线表面最大电场强度E m和海拔1000米以下的E m/E m0比值列入表5-2、表5-3、表5-4、表5-5、表5-6和表5-7中。

表5-2 同塔双回路垂直排列I串（同相序布置）海拔1000m
表5-3 同塔双回路垂直排列I串（逆相序布置）海拔1000m
表5-4 同塔双回路垂直排列V串（同相序布置）海拔1000m
1000m
表5-5 同塔双回路垂直排列V串（逆相序布置）海拔
表5-6 各种导线方案在海拔2200m时的Em/Em0值(I串
)
表5-7 各种导线方案在海拔2200m时的Em/Em0值(V串)
由上述计算结果可以看出，导线表面最大电场强度与临界电场强度的比值，逆相序布置时较同相序布置大；对于逆相序布置，采用V型绝缘子串时比采用I型绝缘子串大；对于同相序布置，采用V型绝缘子串时则比采用I型绝缘子串略小。

导线分裂间距增大，导线表面电场强度略有增加。

对于导线表面电场强度的限制，主要考虑导线表明电场强度不宜大于全面电晕电场强度的85%左右，以避免导线出现全面电晕。

考虑到我国导线的制造水平，以及本工程线路所在地区地理环境的具体情况，除6×LGJ-300/40和5×LGJ-500/45外，导线表面电场强度基本可以接受，更进一步的研究待下一阶段进行。

6 无线电干扰计算
6.1 计算方法
对于无线电干扰水平的预估，目前主要有三种方法，其一为半理论分析法，目前各国使用的较少；其二为比较法，即从已知线路的无线电干扰水平，通过线路参
数比较，预估新线路的无线电干扰水平；其三为激发函数法，即利用在实验笼内的导线在“大雨”状态下求得的激发函数，用以预估新线路的无线电干扰水平。

除第一种方法使用较少外，其余两种方法均有采用，其计算方法详见附录B。

各国广泛采用的是比较法，该方法不但简单行，而且对于随机因素很多的送电线路，是方便准确的。

在比较法中参与比较的因素有：导线表面最大电场强度，单根导线的直径，干扰频率，导线对地高度，海拔高度，运行老化时间，天气，空气密度，空气温度，分裂导线的根数及其布置，大地电导率，运行电压，线路器材的制造水平，线路施工水平等等。

国家标准GB15707-95建议采用方法二。

本报告分别按《电力工程高压送电线路设计手册》、国家标准和美国西屋电力公司(WestingHouse Electric Corpoation)的经验公式分别进行了计算，称为“国标法”，“手册法”和“西屋法”。

“西屋法”是美国西屋电力公司(WestingHouse Electric Corpoation)通过多条高压试验线路的测试，并结合Apple Grove 750kV试验线路的试验，总结出的无线电干扰水平计算公式，用于750kV超高压送电线路的无线电干扰水平计算要合适一些，建议本工程采用“西屋法”的计算值。

6.2 无线电干扰预测结果
现将各种布置方式下，距边线投影外20m处，0.5MHz时的无线电干扰计算结果列于表6-1和表6-2，
表6-1 双回路 I串塔各种导线布置方式的无线电干扰（dB）
表6-2 双回路 V串塔各种导线布置方式的无线电干扰（dB）
以上计算没有考虑海拔高度，本工程最高海拔为2200米，因此应考虑海拔高度的影响。

根据IEC出版物的相关标准，海拔每升高300m，无线电干扰水平增加1dB，据此，若海拔2200m时的无线电干扰值按58dB控制，则低海拔时的无线电干扰值应不大于50.67dB。

由上表可以看出，用手册上的方法计算值偏大，“国标法”偏小，而“西屋法”计算值居中，本报告以“西屋法”的计算结果为基准。

逆相序布置时的无线电干扰水平比同相序布置时高；逆相序布置布置时，V串塔的无线电干扰水平比I串塔高；同相序布置时，V串塔的无线电干扰水平则比I 串塔低。

从“国标法”和“西屋法”两种方法的计算结果可知，对于双回路I串塔型，所选的各型号导线和分裂形式均能满足无线电干扰的限值要求。

对于双回路V 串塔型，只有6×LGJ-400/50和6×LGJ-500/45导线在各种排列方式下均能满足无线电干扰的限值要求。

7 可听噪声计算
超高压架空送电线路上电晕所产生的可听噪音强度取决于导线的几何特性、电压和天气条件，当超高压架空送电线路的运行电压在500kV以下时，无线电噪声是更加严重的问题。

当运行电压在500kV及以上时，可听噪声必须与无线电噪声一起加以考虑，并且在许多情况下它对导线选择起着更为重要的作用。

由于在好天气条件下，实际架空送电线路在工作场强下的电晕较小，因而其所产生的可听噪声也较低，一般平均好天气可听噪声比大雨可听噪声低9dB。

而在坏天气（大雨、中雨、小雨、雾、雪）条件下，导线上存在着大量的电晕源，使噪声增加到相当高的声压级，因此，坏天气条件下的可听噪声水平是衡量架空送电线路整体噪声水平的一个特征量。

大雨（降雨强度范围约在1.8～8.9cm/h间）情况下的可听噪声表征了高压送电线路可听噪声的最大值。

它受导线表面场强变化的影响及分裂导线几何形状的影响不大，大雨天气在实际自然天气情况中很少发生，而在中雨、小雨、雾、雪等天气条件下的可听噪声更加令人讨厌，所以我们用“湿导线可听噪声”来表征高压送电线路可听噪声水平。

7.1 计算方法
国际上有许多国家的研究机构对超高压输电线路的可听噪声进行过深入的研究，提出了各自的预测公式，但由于各自的实验环境和条件不同，其预测公式的计算结果也存在差异，目前世界各国和我国比较常用的有《345kV及以上输电线路设计参考手册》推荐的预测公式（详见附录C），和美国BPA电力公司根据实验研究结果推荐的预测公式（详见附录C），该两个公式的计算理论基本相同，只是公式的表达和系数的取值有差别。

BPA公司利用他的预测公式的结果与其他送电线路的实测结果作了比较，比较结果说明，预测值与实测值的误差绝大多数仅1dB左右，因此，我们认为BPA公司的这个预测公式有较好的代表性和准确性，所以本报告推荐采用BPA公式进行可听噪声计算。

7.2 可听噪声预测结果
按BPA推荐的可听噪声预测公式和“手册”中的预测公式，按各种导线分裂方式、“I”串和“V”串两种塔型，对距边导线投影外15m处的可听噪声进行了计算，其结果列入表7-1和表7-2。

表7-1 双回路I串各种导线布置方式的可听噪声（dB（A））
表7-2 双回路V串各种导线布置方式的可听噪声（dB（A））
BPA的预测公式有较好的代表性和准确性，所以本报告以BPA公式计算为准。

本工程最高海拔为2200米，因此应考虑海拔高度的影响。

对于高海拔地区的可听噪声，国际上还没有相关标准，根据美国相关文献，海拔每升高300m，可听噪声与无线电干扰水平增加值相当，约为1dB，据此，若海拔2200m时的可听噪声按58dB控制，则低海拔时的可听噪声应不大于50.67dB。

从上表可以看出，逆相序布置时的可听噪声比同相序布置时高；逆相序布置布置时，V串塔的可听噪声比I串塔高；同相序布置时，V串塔的可听噪声则比I串塔低。

单从可听噪声的角度考虑，同相序布置优于逆相序布置。

在2200m海拔地区，采用I型绝缘子串塔、逆相序布置时，6×LGJ-400/50导线的可听噪声略有超标。

考虑到高海拔地区属于山区人烟稀少，同时计及到上述可听噪声值是最高海拔处的数值，实际上，不是整条线路都处于2200m的海拔地区，再结合到我国导线的制造水平，以及本工程线路所在地区地理环境的具体情况，所以该地区的双回同塔线路，当采用I型绝缘子串的双回路塔时，其可听噪声水平基本可以接受，本阶段可以考虑按6×LGJ-400/50导线开展工作，建议初步设计阶段进行专题研究。

8 导线最小对地距离和走廊宽度
8.1 导线最小对地距离
关于750kV输电线路导线对地面的最小距离，虽然《750kV架空送电线路设计暂行技术规定》Q/GDW 102-2003中有规定，但对于750kV同塔双回线路，相导线的布置方式不同，导线对地面的最小距离要求不同，线路的造价也不同，因此，有必要对相导线不同布置方式下的对地最小距离进行计算，以供相导线及其分裂型式确定时参考。

本报告以分裂间距400mm的6×LGJ-400/50导线为例，按相导线的不同布置方式进行对地最小距离计算，其结果如下表。

表8-1 不同布置方式下的对地最小距离（m）
由计算结果可知，对于同相序布置，采用V串塔的对地距离比采用I串塔大，而逆相序、异相序布置时，采用V串塔的对地距离比采用I串塔小；采用同相序布置时，要求的对地最小距离比采用逆相序时大2.4m以上。

单从对地距离的角度，逆相序布置优于同相序布置。

8.2 走廊宽度
随着社会经济的加速发展，环保意识的普遍增强，人们对环境的要求将越来越高。

对于超高压线路设计、建设，应充分压缩线路走廊、珍惜土地资源、重视环境保护。

本报告以分裂间距400mm的6×LGJ-400/50导线为例，相导线的不同布置方式，以离地1m高处最大未畸变场强4kV/m为限值，对不同的相导线布置方式进行了走廊宽度计算，结果如下表。