高容量/效率传输线路设计

摘要

一种用于将以紧凑三角构造布置的三相电路悬挂在弓形横臂上的传输塔架结构，其改善了传输线路的浪涌阻抗负载(SIL)、减小了其串联阻抗、降低了电阻和电晕损失两者，且减轻了地面水平处的磁场和可听噪音影响，这所有都以成本效益合算的方式实现。该结构还具有提高实施例的公众接受度的较低总体高度和美观外形。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请请求享有2012年4月27日提交的关于High- Capacity/Efficiency Transmission Line Design的美国临时专利申请序列第61/ 639,126号的权益，其通过引用并入本文中。

技术领域

本申请针对高容量高效交变电流(AC)高架传输线路。在一个实施例中，具有三相紧凑三角构造的输电线路由单个横臂悬挂。本发明涉及一种新型传输线路，以最大限度地增大承载能力、环境适应性、成本有效性和公众接受度。

背景技术

与在远离负载中心的区域中开发的可再生发电项目组合的清洁、可靠的供电中的公共利益需要传输基础结构能够在长距离上有效地输送大量电力。鉴于公众通常会反对高架传输，且尤其是765千伏(kV)(即，美国的最高传输电压类别)，电力公司采取构筑常规的345kV线路，且对此线路增加串联补偿，以实现高电压传输的性能特征。

优选实施例的传输线路设计将345kV线路的性能提高至超过其传统的能力，而不依靠昂贵的外部装置，如，串联电容器。在优选实施例中，低轮廓的美观特征最大限度减小了环境影响和结构成本，试图改善新传输项目的公众接受度。

已经通过工程分析和实施确立了传输线路的承载能力或负载能力由一个或多个以下因素限制：(i)热额定值，(ii)电压降约束，以及(iii)稳态稳定性限制。热额定值为导体和/或终端设备选择过程的结果，且对于线路最多限于50英里以内。较长的线路主要由电压降和/或稳定性考虑限制，这两者都直接地受线路的取决于长度的阻抗影响。

对于给定的线路长度，减小阻抗且因此改善负载能力的最有效方法在于升高传输电压类别。然而，由于公众反对，故构筑了具有串联补偿的多个较低电压的线路来减小阻抗和实现所需的负载能力目标。

传统上，串联补偿已经用作延伸AC系统能力的短期补救方法。另外，在一些区域中，串联补偿线路用作较高电压的传输的替换方案，以在长距离上点对点传输大量电力。这些应用不变地是伴有诸如次同步谐振(SSR)和次同步控制交互(SSCI)的问题，这已知的是存在电力机械和电网稳定性的风险。

其它问题包括系统保护复杂性、维护和备用设备要求、电力损耗、关于线路自身寿命的有限寿命预期，以及将来的电网扩展性的挑战。当搭接串联补偿线路来用于新负载中心或整体结合新的发电源时，尤其要考虑电网扩展性，因为这些发展：(i)可导致过度补偿线路段，以及(ii)可超过有效控制。

新传输线路设计(在优选实施例中为345kV)最大限度减小了这些问题，同时本身对电网内的长距离和短距离两者的大量电力输送还提供了所需的容量和效率。

发明内容

在本发明的所有实施例中，高容量高效率的345kV的高架传输线路设计提供了相对于现在在电力公用行业中使用的典型构造的性能优势。该设计提供了使用串联补偿的345kV线路和/或较高压线路的可行备选方案以用于在长距离(例如，100英里)上高效传输大量电力；其在设计和施工、构造和操作的简单性、电网扩展性、预期寿命和寿命周期成本方面是优异的。

本发明的优选实施例提出了双电路(和能够单电路/双电路)的线路，其特征在于，使用导线束的紧凑相间构造悬挂在具有较低的美观轮廓的结构上。新的结构优选包括单个弓形管状钢横臂，其围绕单个管状钢杆轴对称地支承两个电路。具有两个、三个、四个(或更多)的导线束的三相分别优选以"三角"布置借助于V形串悬垂绝缘体组件和相间绝缘体保持在一起，同时保持期望的相与结构的绝缘体组件连接。本发明的该优选实施例改善了传输线路的浪涌阻抗负载(SIL)(即，线路负载能力量度)，减小了其串联阻抗、降低了电阻和电晕(空气等离子化)损失两者，且缓解了地面水平处的电磁场(EMF)和可听噪音影响，所有都以成本效益合算的方式实现。

附图说明

示例性实施例的以下描述提到了形成其部分的附图。该描述通过示例性实施例提供了阐释。将理解的是，可使用具有机械和电气变化的其它实施例，其结合了本发明的范围，并未脱离本发明的精神。

除上文提到的特征之外，本发明的其它方面将容易从附图和示例性实施例的以下描述中清楚，其中若干视图中的相似参考数字指出了相同或等同的特征，且在附图中：

图1示出了本发明的传输线路的优选实施例；

图2示出了本发明的传输线路的优选实施例(简图)；

图3示出了使用中的一种典型的345kV的传输线路(现有技术)；

图4示出了本发明的传输线路的另一个实施例；

图5示出了本发明的传输线路的另一个实施例；

图6示出了本发明的传输线路的另一个实施例；

图7示出了本发明的传输线路的另一个实施例；

图8示出了本发明的传输线路的另一个实施例；

图9示出了4导线束的轭板的一个实施例；

图10示出了3导线束的轭板的一个实施例；

图11示出了2导线束的轭板的一个实施例。

具体实施方式

图1示出了本发明的345kV双电路线路设计的优选实施例。 其特征为流线型的相对低轮廓的结构，具有借助于相间绝缘体布置成紧凑的"三角"构造的相导线束("三角"意思是以大致三角形，其具有在30到120度的范围中的内角)。紧凑的三角构造具有的优点在于改善线路浪涌阻抗负载(SIL)、降低串联阻抗，以及减小地面水平的EMF影响("紧凑"意思是比典型的传输线路构造相对紧密的布置，这避免了对串联补偿或任何大量串联补偿的需要；"紧凑"意思是任何两相之间10到20英尺的范围中)。SIL(线路在无效电力中获得自足(即，没有净无效电力进入或离开线路)的负载水平)为测量相似或不相似的标称电压下操作的长线路的相对负载能力的方便的"标尺"。

图1的设计使用了每相达到四(或更多)个导线，提供了线路的热容量和能量效率的显著增益。在四个导线或更大的线束处于热原因而认为不必要的情形中，本发明可与三导线或两导线束一起使用，其中降低了相关联的成本，但将产生SIL的一些损失。作为备选，较大线束的较高成本可通过较小直径的导线来降低，同时保留了大部分SIL改善。另外，较大线束的较高成本可由较高线路效率引起的电力和能力节省来抵消。这些变化将提出本文所示的本发明的设计的细化。

考虑到传输线路布置中涉及的灵敏性，新设计的低总体高度和美观外形预计会提高新传输项目的公众接受度。新设计有效地容纳在345kV构造的典型的150英尺宽的路权(ROW)内。

图2示出了图1中所示的345kV双电路设计的简图。其优选包括单个钢杆轴(1)，其支承弓形管状钢横臂(2)，这给出了流线型的美观低轮廓外形。在大约100英尺下的平均总体结构高度比具有底部相导线束的相同附接高度的传统345kV的双电路设计的高度低大约30%。各个相均包含多导线，其形成直径上大约16到32英寸的线束。在示例性实施例中，三相之间的间距(大约14英尺、14英尺和18英尺)使用相间绝缘体(7)和(9)来保持。这些大小和线束/相布置可变化，则规定了维护所需的相间空隙来保护线路工人和公众。横臂(2)支承优选两条地线/屏蔽线(12)，其定位成提供与最外相传导线束(62)的优选零度的屏蔽角。

如图2中所示，弓形管状钢横臂为优选的；其提供了在期望位置处的绝缘体组件附接点，同时具有简单且优雅的外形。横臂形状可从具有30到50英尺的弓形变至直臂，只要绝缘体组件的附接点保持期望的相与地面和相与相的空隙。

新的345kV设计的优选构造使用了相间绝缘体，其将相导线束保持为紧凑的三角构造，且使用了其它绝缘体，其将这些线束中的各个附接到结构/横臂本体上，以最大限度减小相与相的故障的风险。绝缘体对(3)和(4)、(6)和(7)、(9)和(10)之间的内角优选在100度，但可从60度变化至120度。优选的角将在达到6psf的风负载下将V形串绝缘体的两侧保持张紧，该风负载对应于大约50mph的风速。例如，绝缘体(3)、(4)、(6)和(10)可为陶瓷、玻璃或聚合物。

相间绝缘体(7)和(9)将具有经得起设计张力、压缩和扭力负载的能力，且保持相与相的干弧距离和泄漏距离要求。相间绝缘体的屏蔽环(如果需要)之间的净距离优选不小于9.25英尺。相间绝缘体(7)和(9)将优选具有与V形串中使用的其它绝缘体相同的污染性能。这将导致实际的泄漏距离比相与地面绝缘体的距离三的平方根倍长。聚合物绝缘体可在干弧距离上提供较高比率的泄漏距离，以将更多泄漏距离配合到相同总体区段长度中。由于相比于乙撑丙二烯单体(EPDM)橡胶聚合物绝缘体和标准陶瓷或玻璃绝缘体的较高飞弧应力能力，故硅橡胶聚合物绝缘体是优选的。

如果需要，则屏蔽环优选安装在聚合物绝缘体 的两端上。对于陶瓷或玻璃绝缘体，这需要由电性测试来形成。屏蔽环及其附接将经得起穿过绝缘体的闪络的电弧和来自雷击的那些。这些环和端接头应当优选在干燥情况下无电晕。对于沿绝缘体的纵轴线测得的10mm以上的距离，绝缘体的聚合物部分的任何部分上的60Hz的电场优选将不会超过0.42kVrms/mm。

如图2中所示，对于1号电路(70)，绝缘体(3)通过称为穿索(16)的连接板悬挂在弓形管状钢横臂(2)上。绝缘体(4)通过穿索(13)附接到管状钢轴(1)上。绝缘体(3)和(4)继而又悬挂第一相导线束(60)的轭板(5)。绝缘体(6)通过穿索(15)悬挂在横臂(2)上，且绝缘体(7)悬挂在轭板(5)上。绝缘体(6)和(7)悬挂第二相导线束(62)的轭板(8)。绝缘体(9)悬挂在轭板(8)上，且绝缘体(10)通过穿索(14)附接到管状钢轴(1)上。绝缘体(9)和(10)悬挂第三相导线束(64)的轭板(11)。2号电路(72)中的绝缘体、穿索和轭板类似于1号电路(70)中的对应构件布置。此构造的结构可在平地形条件下具有大约100英尺的高度。

为了比较，现今使用的具有电路一(74)和电路二(76)的典型的345kV双电路杆结构在图3中示出。 六个导线横臂(18)和两个屏蔽线臂(21)由单个缸杆轴(17)支承。绝缘体I形串硬件组件(19)悬挂在各个导线横臂(18)的端部上，且悬挂双导线相线束(20)。屏蔽线硬件组件(22)附接在两个屏蔽线臂(21)中的各个的端部处。三相之间的垂直间距可变化，但在该结构中，它们为25.5英尺、25.5英尺和51英尺。此构造的结构可在平地形条件下具有大约150英尺的高度。

表1归纳了典型345kV双电路线设计的物理和电性特征的实例，以及使用双导线、三导线和四导线线束布置的本发明的一个实施例的三个变型。特别关注直接影响线的负载能力和效率的SIL、阻抗和能量损失性质的改善。这些是构筑成在长距离上传送大量电力的任何传输发展中的关键因素。表1还提供了新的和典型的线路设计的热额定值、EMF和可听噪音发射、安装成本和以每SIL兆瓦每英里美元来表示的成本有效性之间的比较。后者是传输线成本的更完整的量度，且在考虑全部寿命周期成本时，其进一步强调了新设计的优点。

表1

典型的和本发明的345kV线路设计的比较

注意：

(1)在AEP(西部地区)中的连续操作的夏季额定值

(2)基于两个电路中的各个的1000MVA负载的线路损失

(3)每年的平均电晕损失(降雨20%、降雪2%、晴天78%的时间)

(4)示出了"超线束"相布置的结果(相1-2-3；1-2-3，顶部到底部)；其它布置是可能的。路权(ROW)宽度为150英尺

(5)海平面上的降雨的可听噪音的平均值

(6)基于NESC重载区域等级B设计标准的估计线路成本

(7)基于SIL MW能力的成本有效性(双电路)

如展示那样，分别接近60%和40%的SIL改善和阻抗减小可利用本发明的345kV设计的一个实施例，使用布置成紧凑三角构造的流线型低轮廓结构和相导线束来实现。另外，通过使用三导线或四导线相线束，在线路的热容量和能量效率中获得了显著的增益，两者导致较低的操作温度。这些改善的次级利益在于有助于卸载传输系统中的较高阻抗/较低容量的线路，因此改善了总体系统性能。

其它利益包括：(i)减小地面水平的可听噪音，其与图书馆环境中遇到的噪音相比，以及(ii)甚至在最需要的操作条件期间，对应于适用的工业方针的一部分的低EMF水平。

由本发明和典型设计产生的地面水平电场很弱，但与前者相关联的电场很高。在线路ROW边缘处计算的两个场良好地在对应的工业方针(5kV/m)内。目前在科学界和线路选址活动中受到更多关注的磁场为该实施例中的相同线路负载条件中的一半。取决于应用，电场和/或磁场中的进一步减小通过使用来自表1中采用的其它相布置而可能。

在优选实施例中，考虑了ACSR(钢增强的铝导线)和对称线束；然而，不同导线类型和/或非对称线束可在本发明中使用，具有对线路的成本、电性和机械性能的不同影响。

如表1相关的实施例中展示的本发明设计的所有三个变型由于其更大的负载能力而比典型设计在$/MW英里方面成本效益很高。此外，在一般将需要串联补偿的项目中，避免的成本为在长期的补偿设备(包括SSR/SSCI评估和/或减轻成本)的安装和维护/替换的成本，考虑了传输线路的预期长寿命。除之前注意到问题之外，此成本可能也较大。

如图2中所示的本发明的345kV双电路设计的四导线选择还有利地与典型500kV线路设计(其中三相以水平构造悬挂于塔架横臂下方)比较。如表2中所示，置于150英尺宽的ROW上的前者比后者提供了高40%的SIL，后者通常较高且以175英尺的ROW构筑。两个设计的能量效率和安装成本相似，其中本发明的345kV设计由于其较高的负载能力而显著成本效益更高，这是大量电力传输发展中的重要目标。

从表2清楚的是，本发明的设计不可看作是典型的765kV传输线路(其中三相以水平构造悬挂在塔架横臂下方)的替换方案，但可用作次好的备选方案。使765kV或500kV的线路与345kV的传输整体结合将需要变压器和其它站点设备，其成本未包括在该比较中。

表2

新345kV对高电压设计

注意：

(1)针对新345kV设计的组合的两个电路提供的数据

(2)基于各个345kV电路中的1000MVA负载；500kV和765kV线路中的2000MVA的线路损失

(3)每年的平均电晕损失(降雨20%、降雪2%、晴天78%的时间)

(4)基于NESC重载区域等级B设计标准的估计线路成本

(5)基于SIL MW能力的成本有效性

在备选实施例中，两个直线形状的管状钢横臂和网格钢横臂可替换图2的双电路设计的单个弓形管状钢横臂使用。

图4示出了使用两个直线管状钢横臂(23)来支承第一电路(78)和第二电路(80)的相导线和屏蔽线(12)的新设计的备选结构构造。绝缘体组件(24)的长度将不同于图2中的对应绝缘体组件(6)，以配合该备选构造。此构造的结构可在平地形条件下具有大约105英尺的高度。

图5示出了具有两个弓形网格钢横臂(25)的另一个备选方案，其替代了图2中所示的单个弓形管状钢横臂(2)，以支承第一电路(82)和第二电路(84)的相导线和屏蔽线(12)。网格横臂上的附接板(26)和(27)，以及钢杆轴(1)上的穿索(13)和(14)提供绝缘体组件的支承。此构造的结构可在平地形条件下具有大约105英尺的高度。

图6示出了具有网格类型的钢横臂(28)和塔架本体(33)的又一个备选方案，以支承第一电路(86)和第二电路(88)的相导线和屏蔽线(12)。在该备选方案中，横臂上的附接板(29)和(30)及塔架本体上的附接板(31)和(32)支承绝缘体组件。这是用于山地地形中较长跨度的成本效益合算的备选方案。此构造的结构可在平地形条件下具有大约105英尺的高度。

优选的是，备选设计都不需要物理相/导线位置的变化，因此保持了最典型设计(图2中提到)的基本电性性质，包括其承载能力和效率。

以上备选方案将简化结构制造过程和降低成本，但将总体高度增加了5到6英尺。此外，它们可有损线路的流线型外形(和公众接受度)，这是新设计的工艺中的重要考虑。

图7示出了本发明的改型，其中一个弓形钢横臂(56)支承直接在支承2号电路(92)的另一个弓形钢横臂(57)上的1号电路(90)，两者都在单个管状杆轴(55)结构上，该结构可置于较窄的ROW内，在宽度上小于150英尺。该设计可进一步改变成包括达到两个附加电路，优选与1号电路(90)和2号电路(92)对称地定位，在150英尺的ROW宽度内使总体线路负载能力加倍。

图8示出了本发明的又一个改型，其使用横臂(35)、类似于Lindsey Manufacturing Co.的那些的支柱绝缘体组件(36)和(37)，以及I形串悬挂绝缘体组件(38)，以悬挂代替V形串绝缘体组件的轭板(39)，以保持相处于类似三角布置，而没有相间的绝缘体。横臂(35)支承1号电路(94)和2号电路(96)。三相(各个具有多条导线)的间距在该改进设计中增大至达到大约20英尺，以在6psf的风下保持I形串的吹出空隙。增大相间距将导致SIL能力的相同损失。地线/屏蔽线组件(42)布置在横臂(35)的端部处。在该示例性实施例中，穿索板(43)和(44)用于将绝缘体(38)和柱状绝缘体组件(37)连接到横臂上。此外，轭板(40)和(41)通过支柱绝缘体组件(36)和(37)附接到杆轴(34)上。各个绝缘体组件(36)和(37)通过穿索板(45),(46)和(47)连接到杆轴(34)上。

图9示出了具有设计为用于具有四条导线的相线束的轭板的一个实施例。保持相线束(60)的导线的四个悬挂线夹(50)附接到该轭板(5)上。板优选具有四个绝缘体附接孔(51)，其中两个用于绝缘体(3)和(4)，且第三孔用于相间绝缘体(7)。该板中的第四孔并未用于相导线束(60)；其提供了该线路设计的其它相中的相间绝缘体的备选附接位置。绝缘体(3),(4)和(7)的两端优选配备有屏蔽环(48),(49)和(52)。

轭板(5)可由三导线相线束(图10)的轭板(53)替换，提供了对保持相导线束(60)的导线的三个悬挂线夹(50)的支承。该轭板还具有四个绝缘体附接孔(51)，其中两个用于绝缘体(3)和(4)，且第三孔用于绝缘体(7)。第四孔并未用于相导线束(60)。

轭板(5)还可由双导线相线束(图11)的轭板(54)替换，提供了对保持相导线束(60)的导线的两个悬挂线夹(50)的支承。该轭板具有三个绝缘体附接孔(51)，其中两个用于绝缘体(3)和(4)，且第三孔用于绝缘体(7)。

本发明(图2)的345kV双电路线路设计以成本效益合算的方式提供了用于电力传输的高容量和高效率两者。在该实施例中，其包括单个弓形管状钢横臂，其支承围绕单个管状杆轴对称的两个电路，给出了简单、相对低轮廓的美观外形；六个V形串绝缘体组件，形成了具有每个相达到四个(或更多)导线的相导线束的紧凑三角构造；各个相具有与支承结构连接的至少一个绝缘体，最大限度减小了涉及多相的故障风险；以及四个相间导体，其允许了线路的紧凑。图2(四导线相线束)的345kV的双电路设计提供了线路的改善的浪涌阻抗负载，相比传统设计的420MW，其接近每电路670MW。此外，其降低了电阻和电晕损失，且减轻了线路中的EMF和可听噪音影响。

六个V形串绝缘体组件优选包括八个相到地面的绝缘体，以及四个相间绝缘体。例如，这些绝缘体可为陶瓷、玻璃和聚合物绝缘体。在V形串绝缘体的两侧之间的内角优选100度，但可在60到120度的范围内变化。

在优选实施例中，绝缘体应当满足两个主要要求：其必须具有：高到足以用于给定应用的(i)电阻率，以及(ii)介电强度。次级要求涉及热性能和机械性能。在某些情形中，还必须观察涉及介电损耗和介电常数的第三要求。在优选实施例中，绝缘体性质将不会在给定环境和期望寿命内变差。

本发明的传输线路为柔性的，且可容纳双导线、三导线、四导线或更大相的线束。可以使用不同导线类型和/或非对称线束，对成本、电性和机械性能具有不同影响。相间间距由针对雷击和屏蔽环之间的切换脉冲过电压的相与相的干弧距离，以及泄漏距离控制，泄漏距离比相与地面的绝缘的三的平方根倍长。

两条地线/屏蔽线优选安装在单个弓形横臂的顶部上，提供了最外相导线的优选零度的屏蔽角。

新设计的单个弓形管状钢横臂可由两个直管状钢横臂或两个网格钢横臂替换，同时不需要物理相导线位置的变化，因此保持了优选设计的基本电性性质。

单个弓形管状钢横臂和单个钢杆轴可分别由网格钢横臂和网格钢塔架本体替换，保持了相导线布置(和线路的电性性质)不变。

1号电路可通过使用两个弓形钢横臂来直接地安装在单个结构上的2号电路上方，而不会影响相布置。本发明的该改型可布置在小于150英尺宽的较窄ROW内。该设计可进一步改变来包括达到两个附加电路，优选与1号电路和2号电路对称地定位，使150英尺的ROW上的总体线路负载能力加倍。

V形串绝缘体组件可由支柱绝缘体和I形串悬挂绝缘体组件替换来保持相处于类似的三角构造，而没有相间绝缘体。然而，该改型可需要增大相间距，导致SIL能力的一些损失。

新设计针对现在长距离大量电力传输所需的串联补偿的345kV线路和/或更高电压的线路的使用提供了可行的、优雅的、成本效益合算的备选方案。

尽管上文详细描述了本发明的某些实施例，但不认为本发明的范围由此公开内容限制，且改型有可能不脱离由以下权利要求提出的本发明的精神。