架空输电线路设计优化 7页

架空输电线路设计的优化12杨之望，薛伍德(1.上海电力设计院有限公司，上海市，200025）(2.上海电力学院，上海市，200090)摘要:本文介绍了由于电能需求的增长，使加强电网建设，发展智能电网成为电力系统的战略目标。电网设计中所面临的优化问题：①城市中电网的建设，将导致高压架空输电线路对周围环境产生一定的电磁辐射，防治电磁环境的污染成为输电线路设计的首要考虑因素，引入WHO关于电磁场暴露标准、提高了架空输电线周围的电磁环境和设计标准。②为了确保电网运行的安全性和可靠性，确保输电线路面对各种灾害时的正常运行。必须建立输电线路综合防灾和安全保障信息共享机制和技术平台，实现对线路影响较大的自然灾害信息的监测、分析、预报，提高线路综合防灾和安全运行保障。本文阐述了随着高级传感技术、高速双路通讯、分布式计算机的电力传输和分配网络等技术逐步应用，使智能电网的实现成为可能。本文将围绕电力设计人员经过多年的研究，成功设计的一套新型高级输电线路安全运行监测系统，该系统包括对传输导线、绝缘子、覆冰等进行全天候监测，同时，系统引入了远程视频监测装置，并采用先进的传感器，通过高速通讯网络，对输电线路各状态量进行在线监测，该系统可实时掌握输电线路安全运行状态。进一步的研究表明：高压输电线路设计的优化涉及电网的社会效益和经济效益。近年来，经济的快速发展，城市部分的输电网将向地下空间发展，高效利用有限的地下空间资源，对节约城市用地、保护生态环境具有重要意义。输电线路安全运行需拥有强大的自愈和抗外界干扰的能力，我们的设计目标是加强对输电线路运行状态的实时监测，利用监测数据进行连续的自分析、自诊断，及时发现输电线路故障隐患，并用自动控制手段将故障消灭在萌芽状态。关键词：架空输电线路电磁环境高级输电运行（ATO）在线监测无线通信技术1.引言21世纪，随着人们对电能需求的快速增长，电网建设呈现严重滞后，输电能力不足，电网与电源发展不协调的矛盾十分突出，为此加强电网建设，发展智能电网已成为电力系统的战略目标。电网开发人员在设计中所面临的优化问题：①城市化进程的加快，在市区人口密集地区兴建高压变电站，以提高电网负荷输送电力的能力，这将导致高压架空输电线路的规模巨大，架空线下跨越民房众多，由于输电线路对周围环境产生一定的电磁辐射，防治电磁环境的污染成为输电线路设计的首要考虑因素。②为了确保电网运行的安全性和可靠性，确保输电线路面对各种灾害时的正常运行。随着高级传感技术、高速双路通讯、分布式计算机的电力传输和分配网络等技术逐步应用，使智能电网的实现成为可能。本文将围绕以上两点展开探讨，进而实现高级输电运行（ATO）中，输电线路设计的优化。2.WHO关于电磁场暴露导则和标准中国电力工业的高速发展，环境问题必须予以充分重视，作为世界卫生组织（WHO）的成员国，选择和确定与我国国情相适应的电磁环境政策和环境标准，积极顺应WHO为代表的国际主流趋势，将是符合中国国情的合理选择。2007年WHO发布了关于《极低频场环境健康准则(EHC,No.238)》,WHO明确指出,在电力线路、电缆、民房布线和用电设备周围存在电场和磁场。目前,各国电力普遍采用50Hz或60Hz的频率运行，在高压架空电力线下方，磁场约为20微特斯拉（µT），电场约为几千伏每米（kV/m）。WHO极低频场环境健康准则（EHC）中，对于高水平磁场暴露（大大超过100µT），产生的生物影响已被确定。用生物物理机理予以解释：外部极低频磁场在人体 内感应出电场和电流，当场强非常高时，会导致神经和肌肉的刺激，并引起中枢神经系统中神经细胞兴奋性的变化。WHO推荐的国际导则和标准认定：人体暴露在电场和磁场中的“基本极限”，即人体暴露可测量的最大允许暴露水平（ICNIRP导则称之为“参照水平”，IEEE标准称之为“最大允许暴露水平MPE”），符合参照水平即可确保符合基本极限。3.架空输电线路的电磁环境(1)电磁环境保护行业标准随着社会环保要求的提高、WHO关于电磁场的健康标准、环保部门环评报告提出的要求，输电线路的生态环境影响主要表现在电晕所引起的通信干扰，以及可听噪声、工频电磁场影响等方面。由于高压输电线路电压高、占地面积广等特点，它周围出现的电晕现象和电场效应对人体和生态环境是否会带来危害，输电线路的工频电磁场和电晕放电引起的高频电磁场等，一直是人们非常关心的问题。当输电线路的电磁感应以及电磁场强度超过某一限度时，可能产生对广播、电视、电信及电子设施的干扰。高压、超高压、特高压输电线路下方和附近的静电感应可能造成对人的电击，严重时可导致伤亡；特高压输电线路电晕放电产生的可听噪声，即宽频带噪声——爆裂声（无规噪声）和100赫及其整数倍的纯音——嗡嗡声(交流声)影响身心健康，成为设计中必须考虑的判据。流过大型接地网中的大量交流或直流电流，在行人的两脚间（约0.8米）的电位差或附近金属物与脚之间（约0.8米）的电位差，超过一定值时，可能造成跨步电压和接触电压的电击。直流输电换流站接地网的电流以及为防止输油（气）管道电蚀而装设的阴极保护装置所流散的地中电流，可能造成附近其他金属建筑物的电腐蚀。为防止电磁污染，各国都制订了电磁辐射控制标准，特别是WHO推荐的极低频场环境健康国际导则和标准，是我们应该遵循的。我国环境保护总局制定的环境保护行业标准，即HJ/T24-1998《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》规定：“本规范适用于500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响的评价。也可参考本规范应用于110kV、220kV及330kV送变电工程电磁辐射的环境影响评价”，“关于超高压送变电设施的工频电场、磁场强度限值目前尚无国家标准。为便于评价，根据我国有关单位研究成果、送电线路设计规定和参考各国限值，推荐暂以4kV/m作为居民区工频电场评价标准，推荐应用国际辐射防护协会关于对公众全天辐射的工频磁场限值0.1mT作为磁感应强度的评价标准”。根据国内相关标准和规程规范，220kV架空线路，工频电场的限值取4kV/m，工频磁场的限值取0.1mT（相当于80A/m），对于输电线路距边导线投20m距离处，晴天测试频率为0.5MHz，无线电干扰限值为53dB（µV/m），线路噪声限值取为55dB（A）。将我国制订的相关标准和规程、规范与WHO推荐的国际导则和标准作比较，两者还是存在一定的距离。(2)城市地区高压架空线路设计标准对城市地区典型高压架空输电线路的电磁环境参数进行研究分析、仿真计算和实地测量，建立与实际情况相符合的模型，对高压架空线路产生的电磁场以及无线电干扰和可听噪声进行仿真与分析，并委托相关测量机构，对高压典型输电线路电磁环境参数进行实地测量和资料收集得到需要的数据。然后通过仿真数据和实测数据的对比，全面评估城市典型高压输电线路对周围环境的影响，对可能超标的线路区域提出切实可行的防治措施，有效解决目前架空线电磁场超标的问题。最后结合相关规程和环评要求，同相关权威部门一起，针对这一地区，提出一整套能完全满足环评要求的高压输电线路的架设方案，为架空线路设计、解决架空线周围的电磁场超标问题提供可靠的依据。按照高压输电线路设计条件，当新建架空高压输电线路由于导线最低点对地高度控制在12m以上，导线按照逆相序进行排列，则地面1.5m处工频电场最大值将小于2.5kV/m，将远低于国家规定的工频电场限值4kV/m；地面1.5m处工频磁场最大值将小于0.05mT，远低于国家规定的工频磁场限值0.1mT（相当于80A/m）；离边相导线投影处20m处的0.5MHz 的无线电干扰值将小于43dB（µV/m），远低于国家规定的无线电干扰限值53dB（µV/m）。对城市典型架空线高压下电磁环境进行了全面测量，测量线路范围包括单回、双回、三回以及四回线路下及居民房屋附近，导线类型涉及各种新老导线，相序排列也包括正相序和逆相序等。测量数据和计算结果基本吻合，大部分测量点都远小于国家限制标准。对城市电磁环境的分析，这一地区高压架空线路下的工频电磁场基本不超标，可能超标的区域集中在城市周围环境架空线下存在房屋时，居民有可能达到的屋顶及阳台区域，这些区域的畸变电场、磁场有可能会超过国家工频电场的限值4kV/m，或工频磁场的限值0.1mT（相当于80A/m），。针对这些线路环评工作的焦点区域，结合上文对电磁环境影响参数的分析，探讨架空线下建筑物附近的减小措施。对于架空线下建筑物畸变电场、磁场的改善，目前主要有采取杆塔升高、杆塔加屏蔽线以及建筑物设置接地线等方法.总之，电磁环境是生态环境的一部分，科学设计输电线路对电磁辐射的防护极为重要，规划、设计输电线路不仅需满足电力部门供电半径，还须考虑环保部门对电磁辐射等的控制，并兼顾公众心理、景观布设及城市发展的需求，进而优化输电线路的电磁环境。4.输电线路的智能化设计(1)智能电网的特征以物理电网为基础，将现代先进的网络技术、传感技术、计算机技术与物理电网高度集成，形成新型智能化的电网。为了电网的安全、可靠、经济、高效、环境友好、电能质量、适应电力市场化发展等目的必须实现电网的智能化。强大的智能电网具有：坚强（安全、可靠、高效、抵御攻击）、自愈、兼容、经济、优化、集成等特征，智能电网主要强调自愈功能，自愈电网（包括对事故预测和决策）的目标是让电网具有自我预防和自我恢复的能力。电网的自愈即实时掌握电网的运行状态，预测电网运行趋势，及时发现、快速诊断故障隐患和预防故障发生，并且在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障，自我恢复，避免大面积停电的发生。智能电网中的高级输电运行（ATO）技术强调阻塞管理和降低大规模停运风险，是实输电系统的优化，保障电能正常输送的重要环节。输电网是电网的骨干，智能电网的ATO技术对输电线路开展在线监测、评估诊断与决策的研究，实现输电线路状态评估智能化，加快输电线路的状态维修、全寿命周期管理和智能防灾技术的应用有着积极的作用。(2)输电线路的智能化设计输电线路是电网的重要组成部分，为了实现远距离、大容量输电的目的，增强了输电线路防范、减少各类运行故障和抵御各类灾害的能力，提高电网安全运行水平，必须建立输电线路综合防灾和安全保障信息共享机制和技术平台，实现对线路影响较大的自然灾害信息的监测、分析、预报，提高线路综合防灾和安全运行保障。电力设计人员经过多年的研究，成功设计了一套新型高级输电线路安全运行监测系统，系统包括对传输导线、绝缘子、覆冰等进行全天候监测，同时，引入远程视频监测装置。系统采用先进的传感器，通过高速通讯网络，对输电线路各状态量进行在线监测，该系统可实时掌握输电线路安全运行状态。监测所采用的高级传感器有红外、光纤、电流、湿度、气敏、超声波、振动传感器等。将获取的被测信号（电的或非电的）转换成单一的电磁（模拟）信号，并通过光纤或无线通信传输到信号监控中心。1）安全运行的监测为了确保输电线路的安全运行，对线路运行状态进行实时监测，及时掌握相关参数的变化，近年来，国外一些大型电力设备厂商，纷纷将目标锁定在新型传感器的开发应用上，在输电架空线铁塔上，将各类传感器的传感探头直接安装在输电线路的探测热点，以取得运行时的相关监测信号，从监测效果来看，是非常有效的，有进一步推广应用的价值。在输电线路上安装各类传感装置，如图1所示。 覆冰监测图1传感装置线路安装示意传感器特性是在线监测的关键，对输电线路的状态（导线温度、电流强度）和环境条件（温度、日照等）进行全方位监测。其在线监测设备主要采用安装测导线温度的红外传感器；测电流的互感器；监测环境变化的传感器；及监测绝缘子污闪、覆冰拉力传感器、远程视频装置等。图中气象站测量输电线路运行工况（包括气温、湿度、日照、风速等）。目前，我国输电线路普遍采用钢芯铝绞线和钢芯合金绞线，从输电线路安全运行的角度，主要考虑发热对导线自身机械强度和对导线连接处两个因素的影响，设计按导线允许温度限额为70℃的规定，在保持现有输电线路结构和确保电网安全运行的前提下，提高线路输电能力，具有十分重要的意义。例如在测试JL/G3A-400/55钢芯铝绞线（环境温度40℃；电压等级500KV；标准档距为400m；风速0.5～35M/S；日照100W/㎡；吸热系数0.95）温度由70℃上升到80℃、90℃时，导线输电量可从2390MW分别提高到2780MW、3110MW，而导线温度在70～90℃范围内，导线综合机械强度几乎不变。这样，在保障输电线路安全的同时，提高导线允许温度，可充分发挥线路输电能力，可产生十分明显的经济和社会效益。2）绝缘子污闪的监测绝缘子是用来支持导线的绝缘体。绝缘子可以保证导线和横担、杆塔有足够的绝缘。它在运行中应能承受导线垂直方向的荷重和水平方向的拉力。它还经受着日晒、雨淋、气候变化及化学物质的腐蚀。绝缘子既要有良好的电气性能，又要有足够的机械强度，绝缘子的好坏对线路的安全运行是十分重要的。输电线路绝缘子在运行中的污闪会造成大面积停电，严重影响电网的可靠性和稳定性。目前，领域专家为防止污闪事故的发生，提出对绝缘子污秽的程度进行在线监测，通过监测表征绝缘子污秽状态的物理量，来预诊断污闪发生的几率，并针对绝缘子污秽程度，作出判断和鉴定，及时提供防范污闪事故发生的方法和措施。由于绝缘子污闪一直是威胁输电线路安全的隐患，如何准确地检测绝缘子污秽程度是采取防污闪措施的前提。国际大电网会议推荐最大泄漏电流法（即Ih法），为表示污秽度的一种实用方法，泄漏电流可反映电压、气候、污秽等综合要素，可直接判断污闪形成的状况，Ih法利用流经绝缘子表面的泄漏电流值来表示绝缘子的污秽程度，能实现污秽程度自动检测和报警。由于泄漏电流测量相对方便，特别适合于在线监测。绝缘子泄漏电流的在线监测，采用安装在绝缘子上的电流传感器，实时监测泄漏电流大小。常用的泄漏电流传感器测量的技术制订：绝缘子污闪临闪前，运行电压下泄漏电流的最大脉冲幅值为Ih，动态Ih值可根据现场记录、数值，实验室测定来确定，有关文献把泄漏电流Ih报警值设为40mA（在干旱少雨地区，最大泄漏电流法不很适合）。3）覆冰的监测 输电线路覆冰在我国分布比较广泛，由于覆冰导线舞动振幅很大，可导致相间闪络、金具损坏、跳闸停电、拉倒杆塔、导线折断等严重事故，输电线路覆冰灾害对电力供应将产生极其恶劣的影响，造成重大经济损失。及时控制输电线路覆冰状况，使其免于遭到进一步的破坏，目前，国内外大多进行覆冰理论、冰闪机理和杆塔强度设计等方面的研究工作，并建立了大量的观冰站、气象站进行现场观察和数据收集，研究了大量预报结冰事件、导线除冰、地线除冰等技术，尽力减小输电线路覆冰雪事故对输电线路造成的损害。针对输电线路分布的区域地形复杂、环境恶劣，维护困难，采用输电线路覆冰在线监测和预警系统，可大大节省了人力、财力。它能及时、准确、详实的记录现场覆冰的相关参数信息，为线路设计、防冰改造提供真实的数据信息参考。根据覆冰在线监测原理，可以采取图像法、称重法、导线倾角—弧垂法等监测手段。输电线路覆冰在线监测的图像法是在塔杆上安装远程视频装置，采集图片，并利用导线固有的几何尺寸，计算出覆冰面积，再换算到等效的覆冰厚度。该方法简单易行，能直观地观察气候环境恶劣地区的覆冰情况。由于摄像头只能观测近处覆冰状况，采集信息量有限，在积雪较厚的气候条件下，摄像头有可能被冰雪覆盖，致使整个监测系统效果受到一定的影响。称重法是在输电线路上安装拉力传感器替代球头挂环，测量一个垂直档距内导线的质量，通过排除法减去导线质量，最终得出覆冰质量，再用0.9g/cm³换算成为等值覆冰厚度。这种方法直接、计算简便、相对较可靠，是现在各国最常用的覆冰在线监测手段，采用称重法，根据沿线气象条件，结合长期积累的气象资料。可较方便掌握覆冰实时状况。此外，倾角—弧垂法可将采集到的导线倾角、弧垂等参数，结合输电线路状态方程、线路参数和气象环境参数，推断出导线的覆冰重量和覆冰平均厚度等参数。这个方法可以应用于输电导线的状态方程简化不规则计算，但这种方法计算出的覆冰厚度是档内平均值，无法反映覆冰具体分布情况，并且在不均匀覆冰情况下，使用输电线状态方程计算，误差较大。建立覆冰的监测预警、融冰等的综合防治体系，在覆冰严重地区尤为必要，对冰害及时预警，可提高覆冰区电网运行的安全性。另外，适当提高重冰区输电线路设计标准，提高对输电线路的铁塔抗冰性能，推广应用融冰新技术，可将覆冰危害降低，减少损失。(3)远程视频的监控我国电力输电线路的迅速增长，给输电线路的巡视和监测带来工作量剧增，现阶段，人工巡视仍是主要采用的方式，但它已完全不适应智能电网发展的需要，特别对人口密集地区和深山谷地线路的监测，传统人工巡视方式应被远程可视监控系统替代。远程视频监控系统为开放式结构，采用B/S（Browser/Server）方式，其远程视频的结构包括现场图像监测单元、无线通讯单元和监控中心单元，远程视频监控系统的关键技术包括微控制器、图像传感器、图像采集、数字图像压缩及远程传输协议等。其中微控制器为系统的事务处理核心，完成对视频处理芯片和JPEG图像压缩编码芯片的初始化设置，接受远程监控端的控制命令，并根据命令处理相应事务。输电线路数字远程视频监控系统是在铁塔上安装多台不同类型的摄像机，分别监控不同的对象，并由计算机控制显示的（computercontroldisplay,CCD）高性能图像传感器（摄像头）获取现场图像，经专用视频处理芯片(例如SAA71、FPGA系列)，将模拟视频信号数字化，现场采集监测信号经视频图像压缩、编码处理，形成符合JPEG/MPEG-4标准的图像数据流，再通过无线通讯GPRS/CDMA/3G，将现场图像信号传输到监控中心，由其进行解包和解压缩以还原为视频图像信号，可在视屏上显示，并可在任何地点上网浏览。远程视频的监控实现了对输电线路的运行和周边环境全天候的监测，运行人员根据可视图像信息对输电线路、塔杆、绝缘子、导线风偏、舞动、覆冰等的实际情况，及时掌握现场设备运行状况，从而提高输电线路的安全性能。全面保障了线路的可靠性，大大减轻了线路巡视人员的劳动强度。输电线路数字远程视频监控系统在输电线路运行管理中日益发挥不可替代的作用，它的 应用极大提高了运行人员的工作效率。对输电线路应着重解决远程视频监控的统一控制，对监控中心应着力搭建统一基于IEC61850标准的通讯平台，建立统一、开放的输电线路远程视频监控集成平台，即插即用式接入和对在线监测数据的统一管理，为向智能电网发展升级提供了可靠的支撑。综上所述，我们的设计针对输电线路安全运行、绝缘子污闪、覆冰监测、远程视频监控等方面，采用了先进的传感技术，实现了在线监测。进一步实践表明：对输电线路中的导线舞动、防盗报警、驱鸟害等的在线监测，都是十分有效的监测手段。5.远程无线通信的方式高压输电线路安全运行系统中，采用安装在输电线路各部位的先进传感器获取监测信号，这些信号大多经基于无线通信网络，实现远程数据、图像传输。无线通信技术将现场取得的监测信号输送到监控中心，有效地完成输电线路安全运行系统中包括导线运行温度、环境状况、绝缘子泄漏电流、覆冰视频等监测数据的实时传输，同时系统可实现远程设备的无人化巡视。这样形成的电力专网，安全为电力公司所控制，运行过程中，设备的检修可在电力部门内部，无需通讯部门的配合，安全得到保障，进而可随时掌握输电线路运行状况，提高输电线路的安全性、可靠性。目前，主流技术是采用通用分组无线业务GPRS/CDMA/3G方式包括了GSM在内全新的分组数据承载业务，它可以与Internet网以GGSN相连，构成“中心计算机—多个用户点”的组网方式。GPRS具有高资源利用率、高传输速率、网络覆盖广等优势，随着GPRS技术的发展，它已成为故障定位系统、输配电监测系统等无线传输通道的首选运用基于GPRS网络的无线图像监控通讯技术，很好地解决了对输电线路及设备进行数据信号的采集和监控在线监测的信息传输问题。通过GPRS技术，集成对输电线路安全运行的在线监测技术，结合人工智能的故障诊断技术，建立起一体化的监测信息平台，可实现对输电线路的实时监测，将大大提高输电线路安全运行水平和智能化管理能力。总之，远程无线通信技术的推广应用是实现智能电网的重要步骤。6.展望高压输电线路设计的优化涉及电网的社会效益和经济效益，输电线路设计的优化将围绕生态电磁环境和智能化方向展开，它已成为广大设计人员的工作目标，高新技术的引入和推广应用正是我们孜孜以求的。近年来，经济的快速发展、电力需求的不断增加，城市部分的输电网将向地下空间发展，高效利用有限的地下空间资源,对节约城市用地、保护生态环境具有重要意义。由于城市负荷的增大、架空线建设难度的增大，各大城市纷纷投入建设电缆隧道，根据国家标准《城市电力规划规范（GB50293—1999）》明确规定了采用架空线入地的范围。伴随我国城市电网改造和发展进程，新一轮的输电线路电缆下地程度在不断地提高，高电压等级电缆隧道的城市电网建设步伐将加快。近年来，随着智能电网研究的深入，高级输电运行（ATO）技术的开发和应用，特别是传感技术、计算机技术的普及，为大幅度提高电力系统的智能化程度，保障输电线路的安全、可靠，降低事故的发生率，起着积极的作用。为实现输电线路的优化，设计将以国家电网公司《输变电设备在线监测系统管理规范》、《输变电设备在线监测系统技术导则》为依据，全面贯彻状态维修理念，使输电线路的运行始终处于正常状态。进一步的研究，输电线路安全运行需拥有强大的自愈和抗外界干扰的能力，我们的设计目标是加强对输电线路运行状态的实时监测，利用监测数据进行连续的自分析、自诊断，及时发现输电线路故障隐患，并用自动控制手段将故障消灭在萌芽状态。优化的输电线路设计能及时监测到温度变化、电源接入等外界因素，从而采取智能手段积极应对。此外，面对冰雪、地震等极端自然灾害，应具有较高的抗攻击能力;在输电线路故障发生停电后，能够快速反应，迅速、有序地恢复供电，最大程度降低停电影响。 参考文献1.韦绍波.电磁辐射污染及其测量装置[J].中国电子学会第七届学术年会论文集,2001:125～129.2.WHOEnvironmentalHealthCriteriaforExtremelyLowFrequency(EHC,No238)[R].June2007.3.中华共和国环境保护行业标准DL/T-200HJ/T24-1998《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》.4.王昌长.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京:清华大学出版社,2006:85～93.5.刘迎春.传感器原理设计与应用技术[M].国防科技大学出版社,2002:250～255.6.贺博,林辉.基于泄漏电流的污秽绝缘子闪络风险预测[J].高电压技术,2006,32(11):22～25.7.李如虎.输电线路雷电绕击及其防雷研究[J].南方电网技术,2009(1):53～57。8.胡毅.输电线路运行故障分析与防治[M].北京:中国电力出版社,2007:187～225.作者简介：杨之望(1986--)，男，上海电力设计院有限公司送电室，设计员，从事送电电气专业设计工作。E-mail：yangzw1986@hotmail.com。薛伍德(1945--)，男，上海电力学院，教授，从事电工理论的教学和科研工作。