1 000 kV特高壓交流輸電線路大跨越導線選型

林銳，張禮朝，張培勇，陳允清

(福建省電力勘測設(shè)計院，福州市 350003)

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1 000 kV特高壓交流輸電線路大跨越導線選型

林銳，張禮朝，張培勇，陳允清

(福建省電力勘測設(shè)計院，福州市 350003)

大跨越工程導線方案選擇的合理性是大跨越工程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。擬建中某1 000 kV特高壓交流輸電線路工程的大跨越部分，從導線材料、載流量、電氣性能、機械特性及經(jīng)濟性等多方面對各比選導線進行詳細的技術(shù)經(jīng)濟比較和論證，優(yōu)選出6×JLHA1/EST-640/170型特強鋼芯高強鋁合金絞線作為推薦方案，該導線在國內(nèi)外同類特高壓大跨越工程中系第1次采用，國內(nèi)導線生產(chǎn)廠家已完全具備該型式導線的生產(chǎn)能力。

大跨越；交流特高壓；導線選型；特強鋼芯高強鋁合金絞線

0 引 言

當架空輸電線路跨越通航大河流、湖泊或海峽時，因檔距較大(1 000 m以上)或塔高較高(100 m以上)，導線選型或塔的設(shè)計需特殊考慮，且發(fā)生故障時嚴重影響航運或修復特別困難的耐張段即為大跨越輸電工程。我國江河湖海眾多，隨著電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展以及路徑走廊的日益緊張，大跨越輸電工程的建設(shè)勢必逐漸增多。導線選型是大跨越輸電工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，既影響工程建設(shè)的一次性投資，又決定著線路建成后長期運行的技術(shù)經(jīng)濟指標。對于1 000 kV特高壓交流輸電線路大跨越工程而言，選擇安全可靠、經(jīng)濟合理的導線型式的重要性更是不言而喻[1-2]。

由于國外的交流特高壓輸電線路中沒有大跨越工程，國內(nèi)已建的特高壓交流大跨越工程僅有晉東南—南陽—荊門1 000 kV輸電線路工程的黃河跨越和漢江跨越、“皖電東送”淮南至上海特高壓交流線路工程的長江跨越和淮河跨越，不同跨越工程的跨越規(guī)模及跨越方案等建設(shè)環(huán)境條件也存在較大差異，因此目前國內(nèi)外交流特高壓大跨越工程可供借鑒的工程經(jīng)驗相對較少。晉東南—南陽—荊門1 000 kV輸電線路工程黃河跨越和漢江跨越采用6×AACSR/EST-500/230特強鋼芯高強鋁合金絞線，“皖電東送”淮南至上海特高壓交流線路工程的長江跨越和淮河跨越采用6×JLHA1/EST-640/290特強鋼芯高強鋁合金絞線。近年來隨著國內(nèi)特種導線生產(chǎn)工藝及技術(shù)的不斷發(fā)展，為從更大范圍內(nèi)選擇安全可靠、經(jīng)濟合理的特種導線提供了條件。

本文依托國家電網(wǎng)公司擬建某1 000 kV特高壓交流輸電線路工程的大跨越部分，綜合設(shè)計、桿塔規(guī)劃、導線制造、架線施工、運行維護及經(jīng)濟性等多方面因素，按照現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范及相關(guān)標準要求，從電氣特性、機械特性和投資分析等方面對各種導線的截面和分裂型式進行詳細的技術(shù)經(jīng)濟比較，推薦技術(shù)和經(jīng)濟上最優(yōu)的導線方案，為選型工程的導線方案提供依據(jù)，同時也為后續(xù)同類大跨越工程的導線方案選擇提供參考。

1 導線選擇的主要原則

導線選型應根據(jù)電氣、機械性能、制造供貨情況，按工程實際條件合理選取，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，盡量采用已有運行經(jīng)驗的線型。一般情況下，在導線選型時，應按允許載流量選擇，與本線路允許的最大輸送容量相配合，然后還應進行線路電暈特性參數(shù)的校核。電暈特性參數(shù)包括電暈損失、無線電干擾、電場效應和可聽噪聲等環(huán)境影響參數(shù)，最后還要通過綜合技術(shù)經(jīng)濟比較確定[3-6]。

導線分裂結(jié)構(gòu)主要由導線的電暈特性和其對導線本身機械特性(包括振動、舞動、覆冰)、金具及桿塔的影響來確定。

大跨越線路導線選擇的主要原則，一般要綜合考慮以下因素：

(1)大跨越導線宜按允許載流量選擇，大跨越線路輸送容量，不應成為整條線路輸送容量的“瓶頸”；

(2)良好的機械性能，合適的拉力單重比及平均運行應力，足夠的強度儲備，在正常情況下，導線安全系數(shù)不小于2.5，在驗算條件下，導線的張力不超過其抗拉強度的60%；

(3)良好的經(jīng)濟性；

(4)生產(chǎn)、施工條件。

2 跨越規(guī)模

本大跨越位于江漢平原過渡地帶[7]，大跨越采用“耐-直-直-耐”方式，跨越段長度2 370 m，跨越檔距分布為700-1 220-450，按同塔雙回路設(shè)計?？缭街本€塔呼高125 m，全高191 m。錨塔采用雙回路鐵塔，呼高42 m，全高106 m。

3 導線組合方案

3.1 導線材料

大跨越導線一般采用加強鋼芯鋁絞線，鋼芯耐熱鋁絞線、加強(特強)型鋼芯鋁合金絞線、鋁包鋼絞線等，這幾種導線均有較良好的運行經(jīng)驗[8]。

近年來，經(jīng)過我國導線制造廠的努力，隨著國內(nèi)特強鋁合金和特強鋼絲的批量生產(chǎn)，鋁合金抗拉強度提高到315 MPa(導電率52.5%IACS)，鋼絲1%伸長抗拉強度提高到1 550 MPa，組合成為特強鋼芯鋁合金絞線，并逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化及批量生產(chǎn)，在各電壓等級交直流大跨越中得到大量使用，具有豐富的設(shè)計運行經(jīng)驗。從其特性分析，特強鋼芯高強鋁合金絞線在1 000 m跨距以上的大跨越工程中有明顯的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。

若以導電率56.5% IACS、強度230 MPa的中強度鋁合金線替代高強度鋁合金線形成特強鋼芯中強鋁合金絞線，其電阻小于同等截面線特強鋼芯高強鋁合金絞線，電能損耗較小，但運行時由于鋁部應力較大，安全裕度小，尚無相關(guān)導線在大跨越工程中應用。考慮到大跨越的重要性和安全性，推薦特強鋼芯高強鋁合金絞線作為比選方案。

3.2 導線結(jié)構(gòu)的確定

3.2.1 分裂根數(shù)

對于大跨越工程而言，導線相分裂數(shù)的選擇與工程的跨越規(guī)模、荷重條件、導線制造能力、施工組織以及運行等密切相關(guān)。

根據(jù)本工程輸送容量的要求，除去不常用的奇數(shù)分裂數(shù)方案，本跨越分裂根數(shù)可采用4分裂、6分裂、8分裂和10分裂，相應的單根導線載流量見表1。

表1 不同分裂根數(shù)的單根導線載流量

Table 1 Current-carrying capacity of single conductor with various bundle numbers

注：計算條件為最高月平均氣溫取35 ℃，相應風速取0.6 m/s，太陽輻射功率密度取0.1 W/cm2，導線表面輻射散熱系數(shù)取0.9，導線表面吸熱系數(shù)取0.9。

由表1可知，4分裂導線必須采用很大截面的導線，導線生產(chǎn)不能滿足單根不接頭的要求，雖然可利用耐熱鋁合金導線來減小截面，但該種導線與金具在國內(nèi)使用較少，均沒有豐富的運行經(jīng)驗。

10分裂導線，雖然在導線制造和載流量上容易滿足要求，但由于一般段線路采用8分裂導線，一般來說，大跨越分裂根數(shù)要小于或等于一般段線路的分裂數(shù)，因此不考慮采用10分裂導線。本跨越導線比選采用6分裂和8分裂導線方案。

3.2.2 導線分裂間距

導線分裂間距的選取主要考慮分裂導線的次檔距振蕩和電氣性能2個方面。

分裂導線次檔距振蕩是指風的尾流效應引起的分裂導線子導線在次檔距內(nèi)(2個間隔棒間)的振動，頻率一般在1～5 Hz，幅值一般為子導線直徑的4～20倍。在開闊地帶、近海、近湖、近水庫的地方，次檔距現(xiàn)象可能更加嚴重。根據(jù)國內(nèi)外研究，當分裂間距與子導線直徑之比S/d>15時，可以避免出現(xiàn)次檔距振蕩。另外，減小次檔距長度、使用阻尼間隔棒、按優(yōu)化原則調(diào)整間隔棒的距離等也可以限制導線的次檔距振蕩。此外，由于大跨越懸垂線夾體積較大，確定分裂間距時還需考慮懸垂線夾和相關(guān)金具的相互位置，以保證金具間有足夠的活動空間。

從電氣方面看，對導線而言，分裂間距越小，子導線越靠近，導線表面最大場強越小。因此，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。綜合以上各種因素，參照相關(guān)工程設(shè)計經(jīng)驗，本跨越8分裂導線方案分裂間距取500 mm，6分裂導線方案分裂間距取550 mm。

3.3 導線比選方案

通過在廠家調(diào)研，目前國內(nèi)特強鋼芯高強鋁合金絞線的生產(chǎn)廠家有上海中天鋁線有限公司、武漢電纜集團有限公司和杭州電纜有限公司等，結(jié)合目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力，確定本大跨越工程導線比選方案，其參數(shù)如表2所示。

表2 大跨越導線比選方案

Table 2 Comparison and selection schemes of large-crossing conductors

上述比選導線中，JLHA1/EST-640/290、JLHA1/EST-450/200、JLHA1/EST-500/230、JLHA1/EST-500/65導線有運行經(jīng)驗，其余導線未在實際工程中應用，但完全具備生產(chǎn)技術(shù)及能力。

4 電氣性能比較

4.1 導線載流量

大跨越導線截面按允許載流量選擇，應避免全線路的輸送容量受大跨越段限制。本工程系統(tǒng)額定輸送容量6 000 MW，事故輸送容量12 000 MW，功率因素0.95，極限輸送電流7 293 A，因此大跨越導線允許載流量應大于7 293 A。

極限輸送容量根據(jù)導線長期允許發(fā)熱條件計算，以滿足最大輸送容量的要求，計算方法如下。

導線的允許載流量為

(1)

線路極限輸送容量為

(2)

式中：U為線路額定電壓，取值1 000 kV；WR為單位長度導線的輻射散熱功率，W/m；WF為單位長度導線的對流散熱功率，W/m；WS為單位長度導線的日照吸熱功率，W/m；R為在允許溫度時導線的交流電阻，Ω/m；cosφ為功率因素。

導線允許載流量和極限輸送容量計算結(jié)果見表3。

從計算結(jié)果可知，所選導線方案均滿足極限輸送電流要求。

4.2 導線電磁環(huán)境

4.2.1 可聽噪聲

可聽噪聲采用美國BPA噪聲計算公式[9]。美國BPA公司根據(jù)各種不同電壓等級、分裂方式的實際試驗線路長期實測數(shù)據(jù)，推導出導線雨天噪聲預測公式，該公式計算結(jié)果與其他實際輸電線路的實測結(jié)果進行比較，證明該計算公式具有較好的代表性和準確性。美國BPA推薦的高壓輸電線路可聽噪聲的預測公式如下。

表3 各導線方案的允許載流量和極限輸送容量

Table 3 Allowable current-carrying capacity and ultimate transmission capacity of selected conductors

(3)

PWL(i)=120lg(Ei)+55lg(deq)-164.6

(4)

式中：SLA為雨天可聽噪聲L50值，對于分裂距離為30～50 cm，導線表面電場強度為10～25 kV/cm的常規(guī)對稱分裂導線均是有效的；PWL為相導線聲功率；Ri為相導線至測點的距離，m；m為導線相數(shù)；Ei為相導線表面電場強度， kV/cm，采用計算精度較高的逐次鏡像法進行計算；deq為導線等效半徑，mm，其計算公式如下

deq=0.58n0.48d

(5)

式中：n為相導線分裂根數(shù)；d為子導線直徑，mm。

按國網(wǎng)電科院對特高壓交流試驗基地試驗線段和特高壓交流試驗示范工程的電磁環(huán)境長期實測值與計算值的對比分析結(jié)果，現(xiàn)行BPA公式計算得出的特高壓交流線路可聽噪聲計算值比實測值偏大，BPA公式計算值可按降低2dB(A)修正。

4.2.2 無線電干擾

無線電干擾場強采用國際無線電干擾特別委員會CISPR計算公式，利用激發(fā)函數(shù)法計算多分裂導線(>4分裂)的無線電干擾。該方法基于試驗線路和電暈籠測量獲得大雨條件下的激發(fā)函數(shù)，通過一定的模量變換，得出各相導線的脈沖電流，再獲得這些電流產(chǎn)生的場，即無線電干擾。激發(fā)函數(shù)采用式(6)計算。

Γ大雨=70-(585/gmax)+35lg(d)-10lg(n)

(6)

式中：gmax為子導線最大表面電位梯度有效值， kV/cm；d為子導線直徑，cm；n為分裂導線數(shù)。

此方法計算結(jié)果為大雨條件下的無線電干擾數(shù)值，CISPR指出：80%時間、具有80%置信度(雙80%)的無線電干擾場強值可由大雨條件下的值減去10～15 dB(μV/m)得到，好天氣下的50%無線電干擾值可由雙80%值減去6～10 dB(μV/m)得到。即對大雨條件到好天氣下無線電干擾的差值，CISPR建議值實際上為16～25 dB(μV/m)[10-11]。

4.2.3 計算條件

對于大跨越工程，其電磁環(huán)境要求的控制點在兩端耐張塔附近，該處導線表面最大平均場強、可聽噪聲和無線電干擾均最大。對同塔雙回路耐張塔型式進行計算，雙回路耐張塔尺寸示意圖見圖1。

圖1 雙回路耐張塔尺寸示意圖Fig.1 Dimension of double-circuit strain tower

計算電磁環(huán)境時取耐張塔附近，呼高42 m，雙回路段導線按逆相序排列。耐張塔下導線相序排列見圖2。

圖2 導線相序示意圖Fig.2 Conductor phase sequence

各導線表面電場強度及錨塔附近電磁環(huán)境計算值的計算結(jié)果如表4所示。

表4 各導線方案電磁環(huán)境計算值

Table 4 Electromagnetic environment calculation of selected conductors

可見，通過調(diào)整錨塔層高，各導線方案的地面可聽噪聲與無線電干擾值均可滿足要求[12]。

5 機械荷載特性比較

5.1 導線平均運行應力的取值

平均運行應力取值不僅影響跨越塔高度，而且影響跨越導線的安全運行。平均運行應力取得過小，導線弧垂增大，跨越塔高度增加；平均運行應力取得過大，雖然可以降低跨越塔高度，但是增大了導線的振動水平，容易使導線疲勞受損。通常鋼絞線的疲勞極限最大，高強度鋁包鋼線次之，鋁及鋁合金線較差。根據(jù)大跨越應力分布試驗結(jié)果，絞線受力在彈性階段，應力分布基本上遵循彈性分配的原則。

各種參選導線在不同運行張力下的鋁部應力值如表5所示。

大跨越導線采用的鋁合金單絲抗拉強度約為鋁單絲的1.9倍，但其疲勞極限只能提高1.3～1.5倍，以此推算，鋁合金單絲的疲勞極限為93～118 MPa，其平均運行應力一般宜控制在72.8～84.0 MPa。

因此，特強鋼芯鋁合金絞線平均運行應力取值應控制在(19%～21%)σb，經(jīng)測算，導線年平均運行應力取(19%～21%)σb時，對于鐵塔基礎(chǔ)的影響在3%～4%，國內(nèi)大跨越大部分導線年平均運行應力取抗拉強度的20%，有較多的安全運行經(jīng)驗，導線防振方案也比較成熟。

表5 不同運行張力下的鋁部應力

Table 5 Aluminium tension under various operating conditions MPa

考慮到本大跨越導線需采取防舞動措施，加裝雙擺防舞器后將導致平均運行應力增加，建議加裝防舞動措施后導線最低平均運行應力取20%σb，懸掛點平均運行應力控制在21%σb以內(nèi)。

5.2 不同導線方案的機械荷載特性

對各種導線方案進行最大使用應力、年平均運行應力、最大弧垂、垂直水平荷載情況計算，將各種導線方案進行機械特性的比較，各導線方案的機械特性和荷載情況如表6所示。

表6 導線方案綜合機械性能比較表

Table 6 Comprehensive mechanical performance comparison of selected conductors

可知：

(1)所選導線方案中，采用8×JLHA1/EST- 500/65方案跨越塔呼稱高最高，大風風偏角最大，且錨塔受電磁環(huán)境控制層高最高，采用6×JLHA1/ EST-640/290方案跨越塔最低。

(2)所選導線方案中，除6×JLHA1/EST-640/125、8×JLHA1/EST-500/65導線外，其余各導線最大荷載條件下安全系數(shù)均大于3.0，過載能力強。

(3)所選導線方案中，6×JLHA1/EST-640/170、6×JLHA1/EST-640/150、6×JLHA1/EST-640/125、8×JLHA1/EST-500/65導線方案桿塔荷載較小。

6 經(jīng)濟比較

本文采用年費用作為經(jīng)濟比較指標。年費用最小法為財務(wù)評價方法之一，能反映工程投資的合理性、經(jīng)濟性。該方法是將參加的諸方案計算期的全部支出費用折算成等額年費用后進行比較，年費用低的方案為經(jīng)濟上優(yōu)越方案。年費用包含初投資年費用、年運行維護費用、電能損耗及資金的時間價值(即利息)[13]。

6.1 年費用最小法計算方法

年費用NF的計算公式為

(7)

式中：NF為年費用(平均分布在m+1到m+n期間的n年內(nèi))；Z為折算到第m年的總投資，其計算公式為

(8)

u為折算年運行費用，其計算公式為

(9)

式中：m為施工年數(shù)；n為經(jīng)濟使用年數(shù)；t為從工程開工這一年起的年份；t′為工程部分投產(chǎn)的年份；r0為電力工程投資的回收率。計算參數(shù)確定如下：(1)經(jīng)濟使用年限為30 a；(2)建設(shè)期按2 a，第1年投資60%，第2年投資為40%；(3)年損耗小時數(shù)按3 750 h計；(4)設(shè)備運行維護費率為1.4%；(5) 電力工程回收率按8%、10%、12%3種利率計；(6)上網(wǎng)電價按0.25，0.35，0.45元/(kW·h)3種電價計。

6.2 年費用比較

根據(jù)本工程具體情況，按塔型進行負荷、桿塔、絕緣子金具及本體工程投資等一系列計算后，得到各種導線方案工程量如表7所示。

表7 導線初投資比較表

Table 7 Initial investment comparison of selected conductors

輸送容量按6 000 MW、年電能損耗時間按3 750 h計算，各種導線方案年費用比較分別如圖3、4、5所示。

圖3 各比選導線年費用比較柱狀圖(回收率8%)Fig.3 Annual cost comparison of selected conductors(r0=8%)

可見，各導線方案中6×JLHA1/EST-640/170、6×JLHA1/EST-640/150導線方案指標相對較優(yōu)。從年費用角度考慮，6×JLHA1/EST-640/290導線方案年費用相對較高，6×JLHA1/EST-640/125導線方案的年費用高于6×JLHA1/EST-640/170導線方案， 6×JLHA1/EST-640/150導線方案的年費用略低于6×JLHA1/EST-640/170導線，但基本相當。

圖4 各比選導線年費用比較柱狀圖(回收率10%)Fig.4 Annual cost comparison of selected conductors(r0=10%)

圖5 各比選導線年費用比較柱狀圖(回收率12%)Fig.5 Annual cost comparison of selected conductors(r0=12%)

JLHA1/EST-640/170與JLHA1/EST-640/150導線相比單重、截面積、外徑相差不大，拉斷力、拉重比略大，弧垂特性較優(yōu)。從結(jié)構(gòu)角度考慮，JLHA1/EST-640/150采用1+6+12+17+21+29的絞線結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)時絞線機裝盤排列不均勻，不利于生產(chǎn)。而JLHA1/EST-640/170導線采用72股3.36鋁合金單絲+19股3.36 mm鋼絲絞合而成，2種單絲直徑相等，其結(jié)構(gòu)為1+6+12+18+24+30，導線外層包覆緊密，導線層與層之間更加緊密，生產(chǎn)中絞線機為全滿盤排列，絞合時配重均勻，有利于絞合生產(chǎn)，但2種導線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均滿足要求。

考慮到本大跨越工程的重要性，考慮適當安全裕量，推薦導線采用6×JLHA1/EST-640/170特強鋼芯高強鋁合金絞線。

7 結(jié) 論

(1)從電氣性能方面而言，各參選方案滿足載流量和各項電磁環(huán)境指標要求。從機械性能方面而言，6×JLHA1/EST-640/170導線安全儲備高，過載能力強，且該導線方案桿塔荷載較小，鐵塔質(zhì)量和基礎(chǔ)混凝土量較小。

(2)從經(jīng)濟性能方面而言，所選導線方案中，6×JLHA1/EST-640/170導線方案的年費用略高于6×JLHA1/EST-640/150導線，但基本相當。但JLHA1/EST-640/170導線從結(jié)構(gòu)上看其外層包覆緊密，生產(chǎn)中絞線機為全滿盤排列，絞合時配重均勻，有利于絞合生產(chǎn)?？紤]到大跨越工程的重要性，推薦本大跨越采用6×JLHA1/EST-640/170特強鋼芯高強鋁合金絞線。

(3)JLHA1/EST-640/170型特強鋼芯高強鋁合金絞線在國內(nèi)外同類特高壓大跨越工程中系第一次采用，經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)導線生產(chǎn)廠家已完全具備生產(chǎn)能力。

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林 銳(1983)，男，碩士，工程師，主要從事超、特高壓輸電線路設(shè)計及研究工作；

張禮朝(1971)，男，本科，高級工程師，長期從事高壓輸電線路設(shè)計、研究及管理工作；

張培勇(1961)，男，本科，高級工程師，長期從事高壓輸電線路設(shè)計、研究及管理工作；

陳允清(1964)，男，本科，高級工程師，長期從事高壓輸電線路設(shè)計、研究及管理工作。

(編輯：劉文瑩)

Large-Crossing Conductor Selection of 1 000 kV UHVAC Transmission Line

LIN Rui，ZHANG Lichao，ZHANG Peiyong，CHEN Yunqin

(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003, China)

The reasonability of conductor selection is the key link in large-crossing transmission line design. Depending on the large-crossing section of a 1 000 kV UHVAC transmission line, this paper technically, economically compares and demonstrates the selected conductors from aspects of the material, current-carrying capacity, electrical performance, mechanical characteristics and economy. The 6×JLHA1/EST-640/170 extra-high strength aluminum alloy conductor steel reinforced was recommended, which was firstly applied in UHV large-crossing project at home and abroad. Domestic manufacturers have been fully equipped with the production capacity of this type conductor.

large-crossing; UHVAC; conductor selection; extra-high strength aluminum alloy conductor steel reinforced

TM 726

A

1000-7229(2015)05-0091-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.015

2015-01-08

2015-03-31