特高壓直流輸電線路1 250 mm2截面導(dǎo)線選型研究

，

(西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021)

0 引 言

近年來，國家電網(wǎng)公司從中國能源戰(zhàn)略高度出發(fā)，綜合分析中國能源分布、能源傳輸需求和發(fā)展變化趨勢，確定了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強(qiáng)智能電網(wǎng)。眾所周知，特高壓直流輸電線路具有輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)、輸電損耗小、節(jié)省線路走廊等優(yōu)點。國家電網(wǎng)公司先后開工建設(shè)了±660 kV寧東—山東、±800 kV向家壩—上海、±800 kV錦屏—蘇南、±800 kV哈密—鄭州以及±800 kV寧東—浙江等特高壓直流輸電線路工程,同時開展了720、900、1 000、1 250、1 520 mm2等大截面導(dǎo)線研制及工程應(yīng)用研究。

特高壓直流輸電線路導(dǎo)線選型及分裂形式研究是特高壓直流輸電技術(shù)的重要課題，它對線路的輸送容量、傳輸性能、環(huán)境問題包括電場效應(yīng)(靜電場、合成場強(qiáng)、離子流密度、人或物體的感應(yīng)電壓)、無線電干擾、電視干擾及可聽噪聲等、對線路走廊寬度及房屋拆遷范圍、對輸電線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有很大的影響。因此，進(jìn)行特高壓直流輸電線路導(dǎo)線截面及分裂形式的研究對攻克特高壓輸電線路技術(shù)難關(guān)和降低造價有著十分深遠(yuǎn)的意義。

特高壓直流線路架線工程投資一般占本體投資的30%左右，再加上導(dǎo)線方案變化引起的桿塔和基礎(chǔ)工程量的變化，其對整個工程的造價影響是極其巨大的，直接關(guān)系到整個線路工程的建設(shè)費用以及建成后的技術(shù)特性和運行成本，所以在整個輸電線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較中，應(yīng)該對導(dǎo)線的截面和分裂型式進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦出滿足技術(shù)要求而且經(jīng)濟(jì)合理的導(dǎo)線截面和分裂型式。通過對1 250 mm2截面多種線型開展詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，提出特高壓直流輸電線路1 250 mm2截面導(dǎo)線選型推薦方案，希望能對中國電網(wǎng)工程設(shè)計起到一定的借鑒和幫助作用。

1 導(dǎo)線選擇控制參數(shù)

輸電線路的導(dǎo)線截面和分裂型式，宜根據(jù)系統(tǒng)需要按照經(jīng)濟(jì)電流密度選擇，也可根據(jù)系統(tǒng)輸送容量，結(jié)合不同導(dǎo)線的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行電氣和機(jī)械特性等比選，并應(yīng)滿足可聽噪聲和無線電干擾等技術(shù)條件的要求，通過年費用最小法進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

根據(jù)中國GB 50790-2013《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線的允許溫度可采用+70 ℃(大跨越不得超過90 ℃)，鋼芯鋁包鋼絞線(包括鋁包鋼絞線)的允許溫度可采用+80 ℃(大跨越不得超過100 ℃)；鋼絞線的允許溫度可采用125 ℃。合成場強(qiáng)和離子流密度：±800 kV直流線路下方最大地面合成場強(qiáng)的控制指標(biāo)為30 kV/m。鄰近民房的最大合成場強(qiáng)的控制指標(biāo)為25 kV/m；線路下方離子流密度的控制指標(biāo)為一般地區(qū)為100 nA/m2，居民區(qū)為80 nA/m2。地面磁場強(qiáng)度：對直流磁場，國際非電離輻射防護(hù)委員會(ICNIRP)導(dǎo)則給出一般公眾的磁場暴露參考水平(1 Hz以下)為40 mT。實際情況下直流磁場對人的影響比交流磁場小得多。而且實際計算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此參考值，故不必考慮磁場干擾影響問題。無線電干擾限值：距直流架空輸電線路正極性導(dǎo)線對地投影外20 m處由電暈產(chǎn)生的0.5 MHz無線電干擾場強(qiáng)80%//80%值，一般地區(qū)不超過58 dB(μV/m)。海拔1 000 m以上，按照每增加300 m，增加1 dB(μV/m)修正。可聽噪聲限值：海拔1 000 m及以下地區(qū)，距直流架空輸電線路正極性導(dǎo)線對地投影外20 m處由電暈產(chǎn)生的可聽噪聲(L50)不超過45 dB(A)；海拔高度大于1 000 m且線路經(jīng)過人煙稀少地區(qū)時，控制在50 dB(A)以下。機(jī)械強(qiáng)度：導(dǎo)線設(shè)計安全系數(shù)不小于2.5，懸掛點的設(shè)計安全系數(shù)不小于2.25，平均運行應(yīng)力不大于拉斷應(yīng)力的25%。驗算覆冰氣象條件時，弧垂最低點的最大張力不超過拉斷力的60%，懸掛點的最大張力不超過拉斷力的66%[1]。

2 分裂間距選擇

從電氣方面看，導(dǎo)線存在最佳分裂間距，使得表面電場強(qiáng)度最小，但根據(jù)計算分析，限制次檔距振蕩要求的分裂間距才是控制條件。

限制次檔距振蕩要求的分裂間距與最佳電氣性能要求的分裂間距是矛盾的，中國已建500 kV交、直流線路的S(截面)/d(直徑)比值在13.80～18.7，但由于特高壓線路導(dǎo)線的分裂數(shù)較多，電氣要求又比較苛刻，因此布置上要比500 kV線路困難得多，一般難以滿足上述要求。由于特高壓線路由于分裂根數(shù)的增加，在采用大截面導(dǎo)線時，很難保證S/d>13.8～18。但根據(jù)國內(nèi)外已建特高壓直流線路設(shè)計和運行的情況分析，S/d的比值在10～18之間也能滿足線路的安全運行。同時，次檔距振蕩還可通過采用適當(dāng)增加間隔棒安裝數(shù)量的方法加以限制。根據(jù)國內(nèi)外已建工程情況和有關(guān)研究成果，推薦特高壓直流線路1 250 mm2截面導(dǎo)線分裂間距按表1選取。

表1 導(dǎo)線分裂間距及S/d值一覽表

注：d為子導(dǎo)線直徑，mm。

3 導(dǎo)線選擇類型

中國超高壓、特高壓輸電線路采用的大截面導(dǎo)線類型包含：鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁型線絞線、鋁合金絞線、鋁合金芯鋁型線絞線等線型。

3.1 鋼芯鋁絞線

鋼芯鋁絞線是由硬圓鋁線及鍍鋅鋼線組合絞制而成，它是輸電線路最常用的一種導(dǎo)線。這里選取了JL1/G3A-1250/70和JL1/G2A-1250/100兩種1 250 mm2截面的鋼芯鋁絞線參與導(dǎo)線選擇比較[3]。

3.2 鋼芯鋁型線絞線

國家電網(wǎng)公司和中國電科院組織相關(guān)導(dǎo)線生產(chǎn)廠家補(bǔ)充開展了1 250 mm2大截面型線導(dǎo)線的研制工作。根據(jù)研制情況，這里選擇了JL1X1/G3A-1250/70和JL1X1/G2A-1250/100兩種大截面鋼芯鋁型線絞線參與導(dǎo)線選型比較。

3.3 鋁合金絞線

目前在世界許多國家的輸電線路上已廣泛使用鋁合金導(dǎo)線，它們主要是高強(qiáng)度鋁合金線。為了在一般輕、中冰區(qū)線路中采用鋁合金導(dǎo)線，國內(nèi)外開發(fā)了LHA3中強(qiáng)度鋁合金線，其導(dǎo)電率為58.5%IACS，允許溫度為90 ℃。這里選擇了6×JLHA3-1350中等強(qiáng)度鋁合金絞線參與導(dǎo)線選擇比較[2,4]。

表2 機(jī)械特性比較表

3.4 鋁合金芯鋁型線絞線

將鋼芯鋁絞線中的鋼芯換為鋁合金，可降低導(dǎo)線電阻，減少能損，即新型節(jié)能導(dǎo)線。這里選擇了與JL1/G2A-1250/100鋼芯鋁絞線的電氣性能、結(jié)構(gòu)型式相近的JL1X1/JLHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線進(jìn)行比較[5]。

三種導(dǎo)線的機(jī)械特性比較詳見表2所示。

4 導(dǎo)線基本電氣性能計算

導(dǎo)線電氣性能的計算主要包括導(dǎo)線電流密度、過負(fù)荷溫度、傳輸功率及功率損耗等，并對參選導(dǎo)線方案進(jìn)行計算比較。雙極直流輸電線路電力線和帶電離子分布詳見圖1所示。雙極直流輸電線路地面電力線解析圖詳見圖2所示。

特高壓直流輸電線路導(dǎo)線選擇的關(guān)鍵因素之一是使電磁環(huán)境參數(shù)滿足設(shè)計規(guī)范要求的限值。通過對各種導(dǎo)線方案，進(jìn)行合成場強(qiáng)、無線電干擾和可聽噪聲的估算，參選各大截面導(dǎo)線方案在電氣性能各方面指標(biāo)均滿足GB 50790-2013《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的電磁環(huán)境限值要求。三種導(dǎo)線的電氣特性參數(shù)詳見表3所示。

圖1 雙極直流輸電線路電力線和帶電離子分布示意圖

圖2 雙極直流輸電線路地面電力線解析圖

序號123456導(dǎo)線型號JL1/G3A-1250/70JL1X1/G3A-1250/70JL1/G2A-1250/100JL1X1/G2A-1250/100JL1X1/LHA1-800/550JLHA3-1350分裂數(shù)666666電流密度 /(A·mm-2)0.6660.6610.6680.6620.6160.616過負(fù)荷導(dǎo)線溫度 /℃64.363.964.664.164.564.3傳輸效率 /%95.3095.3095.2095.295.495.6導(dǎo)線表面最大電場強(qiáng)度 /(kV·cm-1)18.3919.6318.2219.4518.6218.22地面合成場強(qiáng) /(kV·m-1)26.9526.8826.5926.8426.7126.59地面離子流 /(nA·m-2)34.8234.5533.4734.433.9233.47電阻功率損 耗 /(kW·km-1)102.866102.738103.308102.892101.74399.155電暈損耗 /(kW·km-1)11.8212.6611.5312.4712.0511.53無線電干擾 /dB53.353.753.253.753.553.2可聽噪聲 /dB40.1243.0339.842.641.139.8

注：表中各性能中合成場強(qiáng)、地面離子流特性的計算導(dǎo)線高度取18 m，其余各特性導(dǎo)線對地高取平均高23 m，極間距離取16.5 m，海拔高度為2 000 m，晴天。

表4 導(dǎo)線弧垂、過載性能一覽表

注：過載時，導(dǎo)線最低點的最大張力達(dá)到其計算拉斷力60%時相應(yīng)的計算覆冰厚度。

表5 導(dǎo)線荷載一覽表

注：采用4聯(lián)550 kN耐張串時，JL1/G2A-1250/100導(dǎo)線的安全系數(shù)需放松為2.55，最大荷載時安全系數(shù)大于2.7，滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)弧垂特性計算情況，檔距800 m時，15 mm、20 mm冰區(qū)的弧垂增加約1 m，對塔高影響較小。

表6 本體投資及投資差額比較 注：單位(萬元/km)

5 導(dǎo)線機(jī)械性能比較

比選導(dǎo)線的最大應(yīng)力、年均應(yīng)力、安全系數(shù)、鋁鋼截面比、過載冰厚、最大弧垂40 ℃及導(dǎo)線荷載等比較詳見表4和表5。

所選6種導(dǎo)線而言，電磁環(huán)境限值指標(biāo)不是導(dǎo)線選擇的控制條件，對于15 mm、20 mm(中、重)冰區(qū)導(dǎo)線，主要受導(dǎo)線機(jī)械性能控制。通過以往大量輸電線路10 mm、15 mm、20 mm(中)、20 mm(重)冰區(qū)導(dǎo)線設(shè)計及運行經(jīng)驗，從線路的安全運行、導(dǎo)線的機(jī)械和電氣性能方面考慮，在10 mm輕冰區(qū)的平丘地段建議采用JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線、JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線，在平丘及一般山地段可采用節(jié)能新型JL1X1/LHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線；在10 mm山區(qū)段、15 mm、20 mm(中、重)冰區(qū)均可采用JL1/G2A-1250/100鋼芯鋁絞線、JL1X1/G2A-1250/100鋼芯鋁型線絞線、JLHA3-1350全鋁合金絞線等導(dǎo)線型式。

6 導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性比較

對于每一種導(dǎo)線方案，在不同的工程條件下本體投資均有所不同，在假定邊界條件下對各導(dǎo)線方案初期本體投資進(jìn)行估算，重點比較導(dǎo)線投資的差額。這里按目前設(shè)計原則及假定工程邊界條件，對各導(dǎo)線方案的初期投資進(jìn)行估算，本體投資及投資差額比較詳見表6所示。

根據(jù)導(dǎo)線的年費用比較，年費用最低的是JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線，其次是JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線，再次是JL1X1/LHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線。通過導(dǎo)線價格變化對年費用敏感性進(jìn)行分析，在考慮不同導(dǎo)線對鐵塔及基礎(chǔ)工程量產(chǎn)生影響的條件下，即按照型線和圓線分別設(shè)計鐵塔，在鋼芯鋁型線的單價不高于同型號圓線鋼芯鋁絞線單價的10%時，采用鋼芯鋁型線絞線具有長期運行經(jīng)濟(jì)性。同樣，對于JL1/LHA2-800/550鋁合金芯鋁型線絞線，其機(jī)電性能滿足工程要求，在目前導(dǎo)線單價情況下，其年費用高于圓線和鋼芯鋁型線絞線，當(dāng)其單價下降7%左右時，其年費用將低于圓線和鋼芯鋁型線絞線[6]。

7 結(jié) 論

通過電氣性能、機(jī)械性能及對鐵塔荷載設(shè)計的影響，綜合設(shè)計、桿塔規(guī)劃、導(dǎo)線制造、架線施工、運行維護(hù)及經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，并結(jié)合中國國情和自然條件的實際情況，建議采用1 250 mm2大截面導(dǎo)線輸電的特高壓直流線路工程，在10 mm冰區(qū)的平丘地形推薦采用JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線；在一般山地及15 mm、20 mm中、重冰區(qū)推薦采用JL1/G2A-1250/100鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線分裂間距均為500 mm。在交通運輸方便地區(qū)，可適當(dāng)選用JL1X1/G3A-1250/70、JL1/G2A-1250/100鋼芯鋁型線絞線作為輸電導(dǎo)線，為以后特高壓直流輸電線路設(shè)計應(yīng)用積累工程經(jīng)驗。

[1] GB 50790-2013,±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 何健,陳光.新型鋁合金芯鋁絞線在輸電線路中的應(yīng)用[J].吉林電力,2011,15(2):45-49.

[3] GB/T 1179-2008，圓線同心絞架空導(dǎo)線[S].

[4] 葉鴻聲. 中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線在輸電線路中的應(yīng)用[J].電力建設(shè),2010,31(12):10-20.

[5] 萬建成,李健,陳媛,等.鋁合金芯鋁型絞線在大容量直流線路中的應(yīng)用[J].電力建設(shè), 2013,34(8):105-106.

[6] 布春磊,周海鷹,江明.特高壓直流輸電線路大截面鋼芯鋁絞線選型研究[J].電力建設(shè), 2013,34(9):102-104.