±800 kV直流輸電線路導(dǎo)線選型

梅吉明，杜小勇，袁振宗

（1.四川電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，成都　610000；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東　德州　253000；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東　淄博　255000）

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±800 kV直流輸電線路導(dǎo)線選型

梅吉明1，杜小勇2，袁振宗3

（1.四川電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，成都610000；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東德州253000；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博255000）

摘要：導(dǎo)線選型是±800 kV特高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵課題之一，對(duì)工程造價(jià)和安全運(yùn)行有著十分重要的意義。從載流量、功率損耗、電磁環(huán)境等3個(gè)方面分析導(dǎo)線的電氣特性；從過(guò)載能力、弧垂特性、荷載情況等方面比較導(dǎo)線的機(jī)械特性；運(yùn)用全壽命周期計(jì)算法分析導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性；推薦±800 kV直流線路的導(dǎo)線型號(hào)，為今后工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：±800 kV直流輸電線路；導(dǎo)線選型；全壽命周期法

0　引言

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，對(duì)線路的輸送容量、傳輸損耗、電磁環(huán)境，走廊寬度、房屋拆遷及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有很大的影響。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(duì)攻克特高壓輸電線路技術(shù)難關(guān)和降低造價(jià)有重要意義［1-4］。

針對(duì)±800 kV直流輸電線路，從導(dǎo)線的電氣特性、機(jī)械特性和經(jīng)濟(jì)性3方面對(duì)新型導(dǎo)線進(jìn)行分析比較，提出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的導(dǎo)線選型方案［5-6］。

1　導(dǎo)線電氣特性

1.1載流量及過(guò)負(fù)荷溫度計(jì)算

目前已建成的特高壓直流線路導(dǎo)線均為6分裂。同等導(dǎo)線截面下，8分裂導(dǎo)線方案的荷載高于6分裂導(dǎo)線方案，適用于電磁環(huán)境受限的情況。本工程輸送功率為10 000 MW，從經(jīng)濟(jì)性考慮，為減少輸電損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，考慮8×JL1 / G3A-1000 / 45、8×JL1/G3A-1120/50、8×JL1/G3A-1250/70、6×JL1X/ G2A -1520/125、8×JL1X/G3A -1250/70、8×JL1X1/ LHA1-800/550、8×JLHA3-1350等7種導(dǎo)線進(jìn)行比較。按雙極輸送容量10 000 MW，各導(dǎo)線的電流密度如表1所示。

±800 kV直流工程一般為火電直流，年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)在5 000 h以上，按照規(guī)程規(guī)定，導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)電流密度應(yīng)取0.9 A/mm2以下。由表1可知，幾種導(dǎo)線均滿足電流密度要求。

導(dǎo)線選擇應(yīng)考慮保證線路過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的安全，根據(jù)《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，系統(tǒng)長(zhǎng)期過(guò)載容量可按1.1倍額定電流考慮［7］。在過(guò)負(fù)荷情況下，導(dǎo)線的溫度應(yīng)滿足導(dǎo)線允許溫度的要求。輸送容量10 000 MW，每極額定電流分別為6 250 A，每極過(guò)負(fù)荷電流為額定電流的1.1倍，即6 875 A，由此計(jì)算出7種導(dǎo)線方案每極導(dǎo)線在70℃下的最大允許電流和導(dǎo)線過(guò)負(fù)荷溫度見(jiàn)表2所示。

表1　各導(dǎo)線的總鋁截面積和電流密度

表2　各導(dǎo)線的最大允許電流和過(guò)負(fù)荷溫度

由表2可知，所選7種導(dǎo)線在溫度70℃時(shí)均能滿足系統(tǒng)輸送功率10 000 MW允許載流量的要求。過(guò)負(fù)荷時(shí)，所有參選導(dǎo)線均滿足過(guò)負(fù)荷溫度不超過(guò)70℃的要求。

1.2功率損耗計(jì)算

按U=±800 kV，τ=4 000～6 000 h，S=10 000 MW。各種導(dǎo)線的電阻功率損耗及電暈功率損耗計(jì)算結(jié)果列于表3。

由表3可知，極導(dǎo)線直流電阻越大，造成電阻電能損耗較大；增加導(dǎo)線鋁截面，對(duì)于降低線路損耗，提高能源利用率十分有利。相同的分裂型式下，隨著子導(dǎo)線直徑的增加，電暈損耗隨之減小；海拔越高，電暈損失也越大；電暈損失僅為電阻損失的不到10%。

表3　各導(dǎo)線的功率損耗

1.3電磁環(huán)境影響

1.3.1導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度是導(dǎo)線選擇計(jì)算中的最基本條件，導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高將會(huì)引起導(dǎo)線全面電暈，不但電暈損耗急劇增加，而且環(huán)境影響問(wèn)題也更嚴(yán)重，所以在特高壓線路設(shè)計(jì)中必須選擇合理的導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度。

導(dǎo)線起始電暈電場(chǎng)強(qiáng)度

式中：E0為電場(chǎng)強(qiáng)度，kV/cm；m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，目前晴天和雨天條件下的導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)m值分別為0.49和0.38；δ為相對(duì)空氣密度，kg/m3；r為導(dǎo)線半徑，cm。

各導(dǎo)線的起始電暈電場(chǎng)強(qiáng)度見(jiàn)表4和表5。

表4　各導(dǎo)線的起始電暈電磁強(qiáng)度E0（晴天）

表5　各導(dǎo)線的起始電暈電磁強(qiáng)度（雨天）

1.3.2導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度

導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度決定于運(yùn)行電壓、子導(dǎo)線直徑、子導(dǎo)線分裂數(shù)、子導(dǎo)線分裂間距、極導(dǎo)線高度以及相間距離等因素［4-5］。其計(jì)算方法較多，本文采用±800 kV直流向上線、錦蘇線所用經(jīng)典公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算精度滿足工程要求。

各種導(dǎo)線組合方案的表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度見(jiàn)表6所示。

表6　各導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度

由表6可知，在雨天，所有極導(dǎo)線方案的表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度均大于起始電暈電場(chǎng)強(qiáng)度E0，即導(dǎo)線均處于電暈狀態(tài)。

1.3.3地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度

合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度的計(jì)算采用以模擬試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的EPRI EL-2257法，該方法應(yīng)用于±800 kV直流向上線、錦蘇線、哈鄭線、溪浙線、寧紹線，具有較高可信度。

通過(guò)計(jì)算可知，在海拔2 000 m以?xún)?nèi)，晴天和雨天條件下，參比導(dǎo)線均滿足合成電場(chǎng)強(qiáng)度小于30 kV/m，離子流密度小于100 nA/m2的限值。

1.3.4無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲

通過(guò)計(jì)算所得距離邊相導(dǎo)線20 m、雙80%、0.5 MHz的無(wú)線電干擾值和可聽(tīng)噪聲值見(jiàn)表7所示。

表7　各導(dǎo)線的無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲

由表7可知，各導(dǎo)線的無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲均滿足規(guī)范要求。

2　導(dǎo)線機(jī)械特性

2.1導(dǎo)線對(duì)桿塔高度的影響

不同導(dǎo)線的弛度不同，則同樣高度的桿塔的使用檔距不同，其結(jié)果導(dǎo)致線路中桿塔基數(shù)的差異，而最終影響線路造價(jià)。在進(jìn)行導(dǎo)線弛度計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)取2.5，平均運(yùn)行張力為導(dǎo)線破壞張力的25%；導(dǎo)線過(guò)載能力按60%的導(dǎo)線破壞張力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算氣溫-5℃，驗(yàn)算風(fēng)速10 m/s。

7種導(dǎo)線主要機(jī)械性能、過(guò)載能力及最大弧垂列于表8。

由表8可知，7種導(dǎo)線的覆冰過(guò)載能力均滿足10 mm冰區(qū)抗冰過(guò)載要求。其中，JL1X/G2A -1520/ 125導(dǎo)線的過(guò)載能力最強(qiáng)，JLHA3-1350導(dǎo)線的弧垂特性最好；弧垂特性越好，桿塔的高度就越低，能有效降低桿塔耗鋼量，節(jié)約成本。

2.2導(dǎo)線對(duì)桿塔荷載的影響

對(duì)于不同導(dǎo)線方案，每相的導(dǎo)線線條荷載如表9所示。

表8　各導(dǎo)線的弧垂和過(guò)載能力

表9　各導(dǎo)線的荷載　kN

對(duì)于垂直荷載（無(wú)冰）、風(fēng)荷載及縱向最大張力較大的導(dǎo)線，其直線塔和耐張塔塔重均較大。

3　導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性

3.1初期投資

各種導(dǎo)線基本工程量估算如表10所示。

表10　各導(dǎo)線的工程量比較

對(duì)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(duì)各導(dǎo)線方案初期本體投資進(jìn)行估算，重點(diǎn)比較導(dǎo)線投資的差額。各種導(dǎo)線本體投資及投資差額如表11所示。

表11　各導(dǎo)線的投資及差額　萬(wàn)元/km

3.2年費(fèi)用比較

年費(fèi)用最小法是經(jīng)濟(jì)性比較常用的方法，它能反映工程投資的合理性、經(jīng)濟(jì)性。年費(fèi)用比較法將參加比較的諸多方案在計(jì)算期內(nèi)的全部支出費(fèi)用折算成等額年費(fèi)用比較，年費(fèi)用低的方案在經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)。年費(fèi)用包含初投資年費(fèi)用、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、電能損耗費(fèi)用及資金的時(shí)間價(jià)值。為了進(jìn)一步分析各種導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)采用最小年費(fèi)用法對(duì)7種導(dǎo)線組合的年費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1年費(fèi)用最小法

最小年費(fèi)用法的計(jì)算公式為：

式中：NF為年費(fèi)用（平均分布在n年內(nèi)）；Z為折算到第m年的總投資；u為折算年運(yùn)行費(fèi)用；m為施工年數(shù)；n為經(jīng)濟(jì)使用年數(shù)；t為從工程開(kāi)工這一年起的年份；r0為電力工程投資的回收率。

3.2.2年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

設(shè)定工程建設(shè)周期為2年，第一年分配比例60%，第二年分配比例40%，工程全壽命按30年計(jì)，折現(xiàn)率按8%、10%考慮，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率1.4%，最大損耗小時(shí)數(shù)分別為3 000 h、4 000 h、5 000 h和6 000 h，電價(jià)分別為0.3、0.4、0.5元/kWh（上網(wǎng)電價(jià)）計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1　回收率為10%年損耗時(shí)間5 000 h年費(fèi)用

由圖1可知，JL1/G3A-1000/45和JL1/G3A-1120/50鋼芯鋁絞線的年費(fèi)用均較高，且對(duì)于損耗小時(shí)數(shù)大于5 000 h，電價(jià)大于0.5元/kWh后，JL1X1/ G3A-1520/125鋼芯鋁型線絞線年費(fèi)用較高，不作為推薦導(dǎo)線型式。年費(fèi)用最低的是JL1X1/LHA3-800/550鋁合金芯鋁型線絞線，其次是JL1X/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線。

3.3價(jià)格敏感性分析

以JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線、JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線、JL1X1/LHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線為例進(jìn)行導(dǎo)線價(jià)格變化對(duì)導(dǎo)線年費(fèi)用的敏感性分析，如圖2～4所示。

JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線單價(jià)在原價(jià)格（1.48萬(wàn)元/t）加價(jià)-1%、0%、1%考慮，JL1X1/ LHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線單價(jià)在原價(jià)格（1.60萬(wàn)元/t）的基礎(chǔ)加價(jià)1%、3%、5%考慮，3種年費(fèi)用較低的導(dǎo)線方案進(jìn)行比較?？紤]不同導(dǎo)線對(duì)鐵塔及基礎(chǔ)工程量的影響。

表12　不同單價(jià)下的本體投資

圖2　回收率為10%年損耗4 000 h年費(fèi)用

圖3　回收率為10%年損耗5 000 h年費(fèi)用

圖4　回收率為10%年損耗6 000 h年費(fèi)用

通過(guò)計(jì)算比較，在考慮不同導(dǎo)線對(duì)鐵塔及基礎(chǔ)工程量影響的條件下，即按照型線和圓線分別設(shè)計(jì)鐵塔，以JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線的單價(jià)1.43萬(wàn)元/t為基準(zhǔn)，在JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線的單價(jià)不高于1.48萬(wàn)元/t時(shí)，采用鋼芯鋁型線絞線具有長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。同樣，對(duì)于JL1X1/ LHA2-800/550鋁合金芯鋁型線絞線，其機(jī)電性能均滿足工程要求，在目前導(dǎo)線招標(biāo)價(jià)情況下，其年費(fèi)用均低于鋼芯鋁絞線。當(dāng)JL1X1/LHA2-800/550鋁合金芯鋁型線絞線單價(jià)加價(jià)不超過(guò)6%（即單價(jià)小于1.696萬(wàn)元/t）時(shí)，其年費(fèi)用仍將低于鋼芯鋁絞線。

根據(jù)上述結(jié)論，同時(shí)考慮到目前電價(jià)水平、直流輸電線路損耗小時(shí)數(shù)較高以及1 250 mm2截面鋼芯鋁絞線在寧紹、酒湖等特高壓直流輸電線路中已有應(yīng)用，因此，±800 kV錫盟—江蘇、上海廟—山東特高壓直流輸電線路工程推薦采用8×1250 mm2鋼芯鋁絞線方案。

4　結(jié)論

±800 kV特高壓直流輸電線路導(dǎo)線選型及對(duì)地距離結(jié)論。

所選JL1/G3A -1000/45、JL1/G3A -1120/50、JL1/G3A-1250/70、JL1X/G2A-1520/125、JL1X/G3A-1250/70、JL1X1/LHA1-800/550、JLHA3-1350 7種導(dǎo)線方案均能滿足兩直流工程輸送容量要求，且能滿足電磁環(huán)境要求。

機(jī)械特性方面：7種導(dǎo)線均具有較強(qiáng)的覆冰過(guò)載能力，JLHA3-1350導(dǎo)線的弧垂特性最好，弧垂越小，對(duì)塔高越有利。

經(jīng)濟(jì)性方面：考慮不同導(dǎo)線對(duì)鐵塔及基礎(chǔ)工程量影響情況，年費(fèi)用最低的是8×JL1X1/LHA3-800/ 550鋁合金芯鋁型線絞線，其次是8×JL1X/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線。

在考慮不同導(dǎo)線對(duì)鐵塔及基礎(chǔ)工程量影響的條件下，以JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線的單價(jià)1.43萬(wàn)元/t為基準(zhǔn)，在JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線的單價(jià)不高于1.48萬(wàn)元/t時(shí)，采用鋼芯鋁型線絞線長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較高。

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Conductor Scheme for±800 kV UHV DC Transmission Line Project

MEI Jiming1，DU Xiaoyong2，YUAN Zhenzong3
（1. Sichuan Electric Power Design & Consulting Company，Chengdu 610000，China；2. State Grid Dezhou Power Supply Company，Dezhou 253000，China；3. State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255000，China）

Abstract:The conductor scheme is one of key issues in the design of the UHV DC transmission project，it is also significant to the construction cost and the safe operation of the transmission line.In this paper，electrical characteristics of conductor are analyzed in terms of the current -carrying capacity，power loss and electromagnetic environment，and mechanical characteristics are analyzed in terms of the overload capabilities，sagging characteristics and load conditions. The economic characteristic of conductor is analyzed by life-cycle method. Finally the conductor model is recommended used in UHV DC transmission line project，which offers some references for later projects.

Key words:±800 kV UHV DC transmission lines；conductor scheme；life-cycle method

中圖分類(lèi)號(hào)：TM751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-9904（2016）05-0037-06

收稿日期：2016-03-20

作者簡(jiǎn)介：

梅吉明（1987）男，工程師，從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。