110kV輸電線路工程中導線選型的比較與分析

楊志剛

【摘要】針對110kV輸電線路工程實際情況，本文在結合《國家電網公司“兩型三新”線路設計建設導則》的基礎上，對導線結構及型號進行了全面應用研究，通過對導線的電氣特性和機械特性進行詳細的比較與分析可知，JLHA3-335導線的工作性能優(yōu)于其它型號導線，因而為本線路工程的實施提供了技術參考，具有較大的實際應用價值。

【關鍵詞】110kV線路;電氣特性;機械特性;JLHA3-335

1.引言

合川思居110kV輸變電工程線路部分。線路起于大石110kV變電站110kV出線構架，止于110kV合高線開斷π接點。線路由西北向東南走線，新建線路長約2×12.9km，導線截面為2×300mm2。全線均位于合川區(qū)境內，沿線高程：260～320m;沿線地形地貌：丘陵地形100%。沿線地質：土30%，松砂石30%，巖石40%，無不良地質情況。

架空輸電線路由導地線、絕緣子串、桿塔、接地裝置等部分組成。其中導線承擔傳導電流的作用，是電能傳輸的介質。導線在架線線路工程一般占本體投資的30%左右，又導線的選型決定架空輸電線路桿塔、基礎、絕緣子和金具強度的選型。因此必須認真對待導線的選型?，F在我國及國外大多數架空輸電線路采用技術相對成熟的鋼芯鋁絞線，但隨著科學技術的發(fā)展產生了新型節(jié)能導線，其具有更好的輸電性能和機械特性。對于導線選擇我們有了更多選擇，現目前正推廣使用高導電率鋼芯鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線三種節(jié)能導線。在導線的選型過程首先明確線路傳輸容量，其次因不同型號的導線輸電性能不同，根據傳輸容量合理選擇不同型號導線的截面，最后根據所選擇的導線作出技術經濟性能分析，確定導線型號。因此本文結合國內外導線的制造情況，在滿足電氣性能和機械特性要求的前提下，對不同型號的導線從表面電場強度、電暈、地面電場強度、無線電干擾、可聽噪聲等計算和校核，經技術經濟比較，推薦JLHA3-335型鋁包鋼芯鋁絞線作為本工程導線選型。

2.導線結構及型號選擇

2.1 導線截面及分裂根數

根據系統資料，本工程每回線路應保證極限輸送功率150MW，正常運行輸送功率按75MW考慮，結合收資情況的要求，本工程導線推薦選用雙分裂300mm2的規(guī)格組合，能夠滿足系統輸送功率的要求，電流密度約0.55～1.35A/mm2。

2.2 導線分裂間距選取

導線分裂間距的選取要考慮分裂導線的次檔距振蕩和電氣兩個方面的特性。我公司以往設計2×300mm2截面導線工程，均采用雙分裂垂直布置、分裂間距為400mm的布置形式，多年運行證明符合工程特性，滿足安全要求，為此本工程也推薦采用此布置方式。

2.3 導線的型號選擇

在雙分裂300mm2規(guī)格這一前提下，常規(guī)導線類型為鋼芯鋁絞線。參與比選的節(jié)能導線包括鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線、鋁合金絞線等三種。

結合本工程的地形和氣象條件，以及國內220kV線路工程中導線的使用情況，參照《圓線同心絞架空導線》（GB/T 1179-2008）、國家電網基建[2013]99號文《國家電網公司關于加強輸電線路節(jié)能導線推廣應用工作的通知》、《鋼芯高導電率鋁絞線》（Q/GDW 632-2011）、《鋁合金芯高導鋁絞線》（報批稿）及《中強度鋁合金絞線》（報批稿）的相關資料，本工程共選擇了4種400mm2截面的導線進行比較，分別為：鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25、鋼芯高導電率鋁絞線JL4/G1A- 300/25、鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強度鋁合金絞線JLHA3- 3355，各方案導線型號及技術參數見表1。

3.導線特性比較

3.1 導線電氣特性比較

3.1.1 電線載流量比較

在事故運行方式下，交流輸電線路可能出現的最大容量由系統的過負荷能力所決定。導線載流量與導線所處氣象條件（環(huán)境溫度、風速、日照強度）有關，在計算導線載流量時，應使導線不超過某一溫度，目的在于使導線在長期運行或在事故條件下，由于導線的溫升，不致影響導線強度，以保證導線的使用壽命。

鋼芯鋁絞線連續(xù)允許使用溫度為70～80℃，若溫度升高，會惡化導線的綜合性能。《110～750kV架空輸電線路設計規(guī)范》（GB50 545-2010）中規(guī)定，驗算導線允許載流量時鋼芯鋁絞線的允許溫度采用+70℃，必要時可采用+80℃。本報告鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁包鋼絞線、鋁合金絞線最高允許溫度采用+70℃和+80℃兩種方案進行計算。

計算中環(huán)境溫度為最高氣溫月的平均氣溫，根據當地氣象統計資料，計算導線載流量的環(huán)境溫度取35℃。日照強度1000w/m2，風速0.5m/s，導線表面輻射、吸熱系數均取0.9，具體公式如下：

（1）

式中：I：允許載流量，A;WR：單位長度導線的輻射散熱功率，W/m;WF：單位長度導線的對流散熱功率，W/m;WS：單位長度導線的日照吸熱功率，W/m;：允許溫度時導線的交流電阻，Ω/m。

輻射散熱功率WR算式：

（2）

式中：D：導線外徑，m;E1：導線表面的輻射散熱系數，光亮的新線為0.23～0.43;舊線或涂黑色防腐劑的線為0.90～0.95;S1：斯特凡—包爾茨曼常數，為5.67×10-8，W/m2;θ：導線表面的平均溫升，℃;：環(huán)境溫度，℃;

對流散熱功率WF的算式：

（3）

式中，：導線表面空氣層的傳熱系數，W/m℃;Re ：雷諾數。

（4）

（5）

其中：V：垂直于導線的風速，m/s;v：導線表面空氣層的運動粘度，m2/s;

（6）

日照吸熱功率WS的算式：

（7）

式中，aS：導線表面的吸熱系數，光亮的新線為0.23～0.43;舊線或涂黑色防腐劑的線為0.90～0.95;JS：日光對導線的日照強度，W/m2，當天晴、日光直射導線時，可采用1000W/m2。各種導線載流量和輸送功率見表2。

從表2可知，本工程導線允許載流量按最高允許溫度70℃控制。參加比選的四種導線的每回線極限輸送功率均高于165MW，滿足系統要求。各種導線的載流量和極限輸送功率相差不大，節(jié)能導線要比普通導線高出2.5～4.2%。

3.1.2 交流電阻損失比較

根據《電力系統設計手冊》，線路最大負荷利用小時數與損耗小時數τ的關系。當最大負荷利用小時數為4000h時，損耗小時為2200h。

根據《國家電網公司輸電線路節(jié)能導線應用計算導則》，交流電阻計算采用先假設導線溫度，通過集膚效應計算出假定的交流電阻，在校核該溫度下導線通過的電流，反復迭代至負荷電流和校核電流相等或接近。雙回交流輸電線路的電阻熱損失為：

（8）

式中，WQ——功率熱損耗（MW/km）;N：分裂根數;I：單回路每根導線的額定工作電流（A）;re：導線的交流電阻（Ω/km）。各種導線結構的電能熱損失見表3。

從表3可看出，相對于普通鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25，鋼芯高導電率鋁絞線JL4/G1A-300/25、鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強度鋁合金絞線JLHA3-335具有良好的節(jié)能效果，在輸送功率較大的線路其節(jié)能效益更明顯。

3.2 導線機械特性比較

3.2.1 導線弧垂

導線的弧垂特性與導線的計算拉斷力、鋁鋼截面比、自重等因素有關。各導線40℃弧垂桿塔重量的計算結果見表4。

從表4可知，中強度鋁合金絞線JLHA3-335弧垂特性最好;鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1-165/170弧垂特性較好;鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導電率鋁絞線JL4/G1A-300/25線弧垂特性基本相同。

3.2.2 導線過載能力

各導線過載能力見表3.6，覆冰驗算的氣象條件為：氣溫-5℃、風速10m/s。從表5可以看出，鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導電率鋁絞線JL4/G1A-300 /25過載覆冰能力最好;由于中強度鋁合金絞線JLHA3-335導線單位重量輕、導線張力稍大，因此導線過載冰厚較好;而鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1 -165/170的過載冰厚稍差（見表5）。

在導線運行中，導電層的最終應力大小需單獨計算，它關系到鋁股的實際使用安全系數、平均運行應力和疲勞極限。在不計扭絞時，芯線和導電層的應力與相應的彈性系數成比例。按此計算，四種導線方案的各層應力分配如表6。從表6可以看出，隨著芯線和導電層（即一般所說的鋼鋁比）的增大，鋁股的安全系數逐漸下降。因為JLHA3-335采用同種材料，因此其各層應力分配均勻，即使在過載情況下，仍具有足夠的安全系數，而JL4/LHA1-165/170在過載情況下，鋁股應力相對其它導線較大。從過載能力角度看，線路的設計覆冰厚度為5mm時，表中4種導線的過載允許覆冰均在17mm以上，因此均能滿足本工程覆冰過載的要求，且有較大裕度。

3.2.3 導線耐張串強度選擇

導線耐張串承受導線全部拉力、風荷載和垂直荷載。導線耐張串強度選擇對輸電線路的安全運行尤為重要，根據《110kV～750kV架空輸電線路設計規(guī)范》（GB 50545-2010）要求，各導線耐張串強度計算如表7所示。從表7可知，鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1-165/170掛點張力較小，中強度鋁合金絞線JLHA3-335掛點張力居中，其余兩種導線掛點張力基本一致，4種導線結構均需采用2×100kN耐張串。

3.2.4 導線對桿塔荷載的影響

表8給出了各種導線結構的每相荷載。分析可知，各導線的水平荷載基本一致;鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強度鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載和使用張力相對鋼芯結構絞線小。

3.2.5 導線風偏角

當基本風速為23.5m/s時，各種導線結構的風偏角見表9，本專題僅根據各種導線風偏角的不同驗算典設鐵塔尺寸。從表9可可知，鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強度鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載相對較小，導線風偏角較鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導電率鋁絞線JL4/G1A-300/25增大3°～5°。經驗算鐵塔典設模塊，間隙仍有裕度，新型導線可以直接使用。

表9 23.5m/s風速各種導線風偏角（kV=0.75）

導線結構 雷電風偏角（°） 操作風偏角（°） 大風風偏角（°）

2×JL/G1A-300/25 11.46 24.52 43.62

2×JL4/G1A-300/25 11.45 24.5 43.6

2×JL1/LHA1-165/170 12.95 27.36 47.23

2×JLHA3-335 12.95 27.36 47.23

通過上述機械特性比較，四種導線均滿足機械特性的要求。

（1）中強度鋁合金絞線JLHA3-335弧垂特性最好;鋁合金芯高導鋁絞線JL/LHA2-165/170弧垂特性次之;鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導電率鋁絞線JL4/G1A-300/25弧垂特性最差;

（2）鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導電率鋁絞線JL4/G1A-300/25過載覆冰能力最好;由于中強度鋁合金絞線JLHA3-335導線單位重量輕、導線張力稍大，因此導線過載冰厚較好;而鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1 -165/170的過載冰厚稍差;

（3）鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1-165/170掛點張力較小，中強度鋁合金絞線JLHA3-335掛點張力居中，其余兩種導線掛點張力基本一致，4種導線結構均需采用2×100kN耐張串;

（4）四種導線水平荷載基本一致。鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強度鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載和使用張力相對鋼芯結構絞線小;

（5）鋁合金芯高導鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強度鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載相對較小，導線風偏角較鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導電率鋁絞線JL4/G1A- 300/25增大3°～5°，但校核典設鐵塔后仍能滿足間隙要求，可直接使用。

4.結論

結合導線的電氣特性分析和機械特性分析結果可知，在本文所比較的不同型號導線中，JLHA3-335導線具有良好的節(jié)能效果，在輸送功率較大的線路其節(jié)能效益更明顯，且其弧垂特性最好。另外，由于JLHA3-335導線的單位重量輕、導線張力稍大，因此該導線過載冰厚較好。雖然JLHA3-335導線在所比較的導線中掛點張力居中，但是其垂直荷載和使用張力相對鋼芯結構絞線小，降低了線路工程的設計難度和成本。

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