東南沿海地區(qū)大跨越導線選型新思路

王軼文

（浙江省電力設(shè)計院，杭州 310012）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟和電力建設(shè)的高速發(fā)展，在建以及投產(chǎn)的大跨越輸電線路急速增加，我國已經(jīng)成為世界上大跨越數(shù)量最多的國家之一。江陰大跨越、舟山大跨越等超大規(guī)模大跨越工程的建設(shè)，標志著我國已經(jīng)成為世界上輸電線路跨越規(guī)模最大、跨越鐵塔最高的國家之一。

大跨越設(shè)計中，導地線的選擇是核心環(huán)節(jié)之一，其結(jié)果直接決定了工程投資規(guī)模。隨著電網(wǎng)建設(shè)和導線制造工藝水平的發(fā)展，我國大跨越導線材料不斷向高強度鋼芯鋁合金絞線、耐熱型鋼芯鋁合金絞線等高強度、大容量導線發(fā)展。近年來又出現(xiàn)了碳纖維耐熱導線、陶瓷纖維耐熱導線等新型導線，進一步拓展了大跨越導線的選擇范圍。如何結(jié)合不同工程的特點合理選擇大跨越導線，是設(shè)計研究人員面臨的新問題。

由于自然地理條件的原因，我國大跨越工程主要分布在浙、閩等東南沿海地區(qū)及蘇、皖、鄂等沿江地區(qū)。針對沿海地區(qū)的工程特點進行總結(jié)分析，優(yōu)化設(shè)計，對于我國超/特高壓電網(wǎng)的工程建設(shè)和安全運行具有重要意義。

本文結(jié)合浙江沿海地區(qū)幾個大跨越工程的實際條件，提出了新的導線比選思路，并得出一些可供今后工程參考的結(jié)論。

1 工程環(huán)境及設(shè)計特點

1.1 環(huán)境特點

我國東南沿海地區(qū)大跨越輸電線路工程具有獨特的環(huán)境特點：

（1）大跨越線路多為跨越大江大河、海灣或連接海上島嶼，地形條件復雜，土地資源緊張，路徑選擇困難。

（2）跨越的江河及海域多為航運發(fā)達地段，通航要求越來越高。

（3）途經(jīng)區(qū)域多為沿海平原或海島，臺風、雷雨等強對流天氣十分頻繁，工程經(jīng)常受熱帶氣旋（臺風）的影響。

1.2 設(shè)計特點

環(huán)境特點決定了大跨越工程具有以下特點：

（1）跨越檔距大，耐張段長，特大型跨越多。

（2）導線對地距離要求高。

（3）可利用的地形條件差，桿塔高度高。

（4）基本風速較大。

以上特點決定了沿海地區(qū)大跨越導線選型中最顯著的特點就是導線設(shè)計風速特別大。以舟山螺頭水道大跨越及樂清灣大跨越工程為例，其基準風速均為42 m/s，導線設(shè)計風速分別達61 m/s和60 m/s。

2 導線比選思路—拉力荷載比

對沿海大跨越工程若干桿塔的荷載分析顯示，在全高超過200 m的跨越塔中，導地線荷載僅占桿塔總荷載25%左右，而且隨著塔高的增加，比例逐步降低。也就是說導線的荷載及張力變化對工程投資的影響較為有限，在滿足輸送容量要求下選擇弧垂特性好的導線、盡可能降低跨越塔高度能有效降低工程投資。

輸電線路設(shè)計中傳統(tǒng)意義上用拉重比來衡量導線的弧垂特性，在實際工程中也得到了有效的應用。但是，在沿海地區(qū)大跨越導線選型中，這個概念存在某些不足，為彌補這些不足，筆者提出了拉力荷載比的概念。

以擬建的樂清灣大跨越設(shè)計條件為例，選取特高強度鋼芯鋁合金絞線、高強度鋁包鋼絞線、碳纖維復合芯鋁合金絞線3大類共7種不同的導線進行分析計算。其中，載流量計算條件：環(huán)境溫度35℃，日照0.1 W/cm2,風速0.6 m/s；導線最高允許溫度：鋼芯鋁合金絞線和碳纖維芯鋁合金絞線取90℃、鋁包鋼絞線根據(jù)舟山大跨越研究成果按130℃考慮；導線LHA1/EST－780/460的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是理論配置，目的是為了分析大截面、小鋁鋼比導線的性能，該型導線目前國內(nèi)尚無制造能力。計算結(jié)果見表1。

由表1可知，拉重比特性最好的碳纖維導線弧垂反而最大，說明在這類設(shè)計條件下以拉重比來衡量導線的弧垂特性是不合理的。分析其原因，導線最大弧垂是由其控制工況的荷載和張力通過狀態(tài)方程計算至高溫工況確定，控制工況對導線狀態(tài)的控制作用越強，按狀態(tài)方程推算至高溫工況時張力就越小，導線弧垂越大。

當多種導線控制條件一致時，其控制強弱可由導線抗拉力或使用張力與該工況荷載的比值來代表。如在表1中，序號為1，4，6，7的導線均為大風工況控制，拉力荷載比越大的導線弧垂越?。恍蛱枮?，3，5的導線均為年平均工況控制，其拉力荷載比與弧垂的排序也一致。

由此可知，拉力荷載比的概念其實是拉重比概念的延伸，反映了導線在不同工況及控制張力下的弧垂特性，而拉重比只是拉力荷載比在年平均工況控制下的情況。兩個概念是普遍和特殊的關(guān)系，根本上是一致的。其原理可用拋物線公式來分析：

表1 導線特性計算及比較

式中：γ為導線單位荷載；σ0為導線水平張力；l為檔距；β為高差角。

由式（1）可知，導線弧垂fm與導線水平張力與單位荷載的比值成反比。需要說明的是，這里的拉力荷載比并非與最大弧垂成線性相關(guān)，其原因在于拉力荷載比可直接計算出控制工況的弧垂，但導線最大弧垂仍需經(jīng)過狀態(tài)方程的折算，而狀態(tài)方程是非線性的。

另外需要說明的是，只有在各參比導線均為外荷載控制或均為年平均控制的情況下用拉力荷載比進行分析才是準確的。例如表1中1號和5號導線，其拉力荷載比與弧垂的相關(guān)關(guān)系不存在，是因為其控制工況不同所致。

同樣類型、同樣鋁鋼比的導線，截面越大，其拉力荷載比越高。這是因為導線強度與截面成近似比例關(guān)系，導線截面基本與外徑的平方成正比，但導線外荷載基本與外徑成比例。由此看來，采用大截面導線、減少相導線分裂數(shù)，對于降低相導線風荷載和減少弧垂是有利的。

按照沿海地區(qū)大跨越的設(shè)計條件，大部分導線的控制工況均為大風工況，此時可通過拉力荷載比對導線進行比選，甚至可以更加粗略地用張力外徑比來進行初步篩選。

3 導線適用性總結(jié)分析

利用上述方法對目前常用的大跨越導線進行分析，可以得出在沿海地區(qū)大跨越中不同類型導線的適用范圍。

不同的跨越規(guī)模，其設(shè)計條件相差很大。在浙江沿海一帶，較小規(guī)?？缭降臋n距不大，導線平均高度約為70～90 m，線路設(shè)計風速50～55 m/s；而部分超大規(guī)模跨越的檔距很大，導線高度可達170～220 m，設(shè)計風速在60 m/s以下。下面以50 m/s，55 m/s，60 m/s 3種設(shè)計風速進行計算分析，計算結(jié)果見表2。

對表2計算結(jié)果分析如下：

對于外荷載較小或檔距在1 000 m以內(nèi)的跨越，碳纖維芯鋁合金絞線有優(yōu)勢，自重輕、張力及弧垂均較小。但是由于目前最大只能制造直徑約10.5 mm的碳纖維芯，其總強度較低，在外荷載控制時弧垂優(yōu)勢很快喪失。碳纖維芯導線運行、制造經(jīng)驗尚有不足，大跨越需謹慎采用。

高強鋼芯耐熱鋁合金導線在檔距1 000 m～1 500 m時優(yōu)勢明顯，其優(yōu)點在于單位截面載流量大，弧垂與特強鋼芯鋁合金導線相差不多，是中等規(guī)模大跨越工程首選。甚至在2 000 m檔距的特大跨越中，大截面、小鋁鋼比高強鋼芯耐熱鋁合金導線也具有一定優(yōu)勢。

表2 不同導線的弧垂比較

對于2 000 m以上的特大跨越，弧垂對塔重指標的影響更為明顯，這時特強鋼芯鋁合金導線和鋁包鋼絞線相對較優(yōu)，當外荷載及代表檔距很大時，其弧垂特性優(yōu)勢明顯。在目前國內(nèi)大截面、小鋁鋼比特強鋼芯鋁合金導線的制造能力尚難以滿足要求時，鋁包鋼絞線由于其鋁鋼比調(diào)整靈活、弧垂特性好，更加具有優(yōu)勢。但由于鋁包鋼絞線交直流電阻比較大，一般在大輸送容量交流線路中應盡量避免使用。

從計算結(jié)果可知，大截面、小鋁鋼比導線在大跨越工程中優(yōu)勢非常明顯。根據(jù)目前國內(nèi)制造能力，導線最大截面為800 mm2，成型的鋼芯鋁合金導線最小鋁鋼比約2.2。如果能夠參考國外經(jīng)驗，研制出總截面1 000 mm2以上、鋁鋼比在1.7左右的導線（如表1中的6號導線），將能夠大大降低大跨越工程的總投資。

4 結(jié)論

應用拉力荷載比的思路，針對沿海地區(qū)常見的大跨越工程的設(shè)計特點，計算分析了各種常用導線，得出以下結(jié)論：

（1）外荷載或跨越檔距較小時，碳纖維鋁合金導線有一定優(yōu)勢，但該導線仍需積累制造及運行經(jīng)驗，在大跨越工程中應謹慎選用。

（2）高強鋼芯耐熱鋁合金導線單位載流量大，是跨越檔距1 500 m左右的中等規(guī)模大跨越工程首選導線類型。

（3）對于檔距2 000 m以上的特大跨越，采用特強鋼芯鋁合金導線和鋁包鋼絞線較有優(yōu)勢，但鋁包鋼絞線應盡量避免在大輸送容量的交流線路中使用。

（4）為適應沿海地區(qū)大跨越的發(fā)展需要，應研制大截面、小鋁鋼比的各類特強鋼芯（耐熱）鋁合金導線。

[1]張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]李文浩，徐睿，劉斌.用于大跨越的高強度耐熱鋁合金導線的研制[J].電線電纜，2008（1）：21-25.

[3]朱天浩，徐建國，葉尹，等.舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)大跨越設(shè)計中主要研究結(jié)論介紹[C].中國電機工程學會輸電電氣五屆二次學術(shù)年會論文集，2009.