重冰區(qū)特高壓直流線路大截面多分裂導(dǎo)線選型研究

周 唯，劉翰柱，謝 靜，梁 明

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

重冰區(qū)特高壓直流線路大截面多分裂導(dǎo)線選型研究

周 唯，劉翰柱，謝 靜，梁 明

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

選擇特高壓直流輸電線路工程的典型重冰區(qū)段為邊界條件，并根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃要求，開展大截面導(dǎo)線的電氣性能、機(jī)械特性和全壽命周期經(jīng)濟(jì)性的比較分析。研究表明，大截面導(dǎo)線均能滿足機(jī)械特性的校核要求 ，但隨著冰區(qū)量級增大，年費(fèi)用最優(yōu)的推薦導(dǎo)線總截面呈減少趨勢。損耗小時(shí)數(shù)越低，減少分裂和減小截面的導(dǎo)線方案年費(fèi)用優(yōu)勢越明顯。

特高壓；直流輸電線路；重冰區(qū)；導(dǎo)線

0 引 言

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(gè)工程的造價(jià)影響是極其巨大的，直接關(guān)系到整個(gè)線路工程的建設(shè)費(fèi)用以及建成后的技術(shù)特性和運(yùn)行成本，所以在整個(gè)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。

隨著中國多條特高壓直流輸電線路工程建設(shè)投運(yùn)，同時(shí)開展了900 mm2、1 000 mm2、1 250 mm2等大截面導(dǎo)線研制及工程應(yīng)用研究。從荷載方面來看，分裂根數(shù)越少，導(dǎo)線截面越大，導(dǎo)線抗冰能力越強(qiáng)，桿塔荷載也隨之顯著減少。下面針對±800kV直流線路工程輸送容量增大、投資更高的特點(diǎn)，開展導(dǎo)線減少分裂數(shù)和縮截面研究；并提出滿足工程要求的設(shè)計(jì)技術(shù)方案，為后續(xù)工程的重冰區(qū)大截面導(dǎo)線選型積累經(jīng)驗(yàn)。

1 導(dǎo)線選型邊界條件

1.1 系統(tǒng)邊界條件

系統(tǒng)標(biāo)稱電壓：±800kV；系統(tǒng)輸送功率：10 000 MW；額定電流：6 250 A。地形條件：20%高山大嶺、40%山地、30%丘陵、10%平地。氣象條件組合：27 m/s風(fēng)區(qū)、20 mm冰區(qū)；27 m/s風(fēng)區(qū)、30 mm冰區(qū)；27 m/s風(fēng)區(qū)、40 mm冰區(qū)。

1.2 導(dǎo)線選擇控制參數(shù)

特高壓直流輸電線路導(dǎo)線選型，是根據(jù)系統(tǒng)需要，按照經(jīng)濟(jì)電流密度和系統(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(fèi)用最小法進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定特高壓直流輸電線路的導(dǎo)線截面和分裂型式。

1.2.1 導(dǎo)線選型規(guī)范要求

根據(jù)GB 50790-2013《±800kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：±800kV直流線路下方最大地面合成場強(qiáng)的控制指標(biāo)為30kV/m；鄰近民房的最大合成場強(qiáng)的控制指標(biāo)為25kV/m；無線電干擾限值一般地區(qū)不超過58 dB(μV/m)?？陕犜肼曄拗担汉０? 000 m及以下地區(qū)不超過45 dB(A)；海拔高度大于1 000 m地區(qū)控制在50 dB(A)以下。驗(yàn)算覆冰氣象條件時(shí)，弧垂最低點(diǎn)的最大張力不超過拉斷力的60%，懸掛點(diǎn)的最大張力不超過拉斷力的66%[1]。

表1 機(jī)械特性比較表

1.2.2 重冰區(qū)導(dǎo)線選型要求

重冰區(qū)線路導(dǎo)線須滿足設(shè)計(jì)規(guī)范提出的電磁環(huán)境控制限值要求，同時(shí)還應(yīng)考慮機(jī)械特性滿足以下原則：不能制約整條線路的傳輸能力；要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和過載能力；鋁股在冰荷載下的安全系數(shù)要高，以防止重冰區(qū)線路過載時(shí)斷股；弧垂特性優(yōu)良，降低桿塔高度，并滿足電磁環(huán)境參數(shù)要求。

2 導(dǎo)線類型及分裂間距選擇

2.1 導(dǎo)線類型選擇

在進(jìn)行導(dǎo)線型號的選取時(shí)，首先應(yīng)立足于國內(nèi)已有成功制造、施工和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的導(dǎo)線型式。根據(jù)導(dǎo)線制造標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1179-2008《圓線同心絞架空導(dǎo)線》，并參考國際上常用的導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)[2]，現(xiàn)初步選定表1所列7種常規(guī)導(dǎo)線型號作為比較用。

參比導(dǎo)線的型號及特性見表1。

2.2 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(jì)算分析，限制次檔距振蕩要求的分裂間距才是控制條件。次檔距振蕩是由迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線的尾流所誘發(fā)的背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線的不穩(wěn)定振動(dòng)現(xiàn)象。一般認(rèn)為分裂導(dǎo)線間保持足夠的距離就可以避免出現(xiàn)次檔距振蕩現(xiàn)象。根據(jù)國外研究，當(dāng)分裂間距與子導(dǎo)線直徑之比S/d>16～18時(shí)，就可以避免出現(xiàn)次檔距振蕩。

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(shí)，很難保證S/d>16～18。但根據(jù)國外線路設(shè)計(jì)和運(yùn)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(yùn)行。根據(jù)上述情況，結(jié)合中國超高壓線路的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及本工程電磁環(huán)境計(jì)算結(jié)果，S/d值暫按不小于10控制，工程具體實(shí)施時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化間隔棒布置方案，以抑制導(dǎo)線的次檔距振蕩等問題[3]。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2選取。

表2 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 電氣特性

3.1 導(dǎo)線總截面的選取

目前在建的錫盟—江蘇、上海廟—山東±800kV直流輸電線路工程的輸送容量均按雙極輸送容量10 000 MW進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑒于±800kV直流輸電線路的發(fā)展趨勢，按系統(tǒng)輸送容量10 000 MW開展導(dǎo)線選型，由此算得每極電流為6 250 A，按電流密度不大于0.9 A/mm2考慮，則導(dǎo)線總鋁截面不小于7 000 mm2。

3.2 導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度

一般認(rèn)為直流線路導(dǎo)線起暈場強(qiáng)和交流線路起暈場強(qiáng)的峰值相同，可以將皮克(peek)公式轉(zhuǎn)換為直流型式，計(jì)算各種導(dǎo)線在海拔1 000、2 000、3 000、3 500 m時(shí)的起始電暈電場強(qiáng)度見表3。

表3 導(dǎo)線起始電暈電場強(qiáng)度E0表(晴天)

按經(jīng)典公式校核導(dǎo)線表面平均最大電場強(qiáng)度，由于比選導(dǎo)線直徑很大，極導(dǎo)線方案的表面最大電場強(qiáng)度均小于起始電暈電場強(qiáng)度E0，即在大部分時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)線不處于電暈狀態(tài)。

3.3 無線電干擾

GB 50790-2013《±800kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的無線電干擾場強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式和國際無線電干擾特別委員會(huì)CISPR的公式是一致的。這里采用CISPR公式進(jìn)行無線電干擾場強(qiáng)的預(yù)估計(jì)算。各種極導(dǎo)線組合方案的無線電干擾計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 導(dǎo)線無線電干擾計(jì)算結(jié)果 單位：dB(1μV/m)

注：表中為采用極間距20 m，導(dǎo)線對地高度23 m的計(jì)算值。

可見，在海拔3 500 m時(shí)，各比選導(dǎo)線方案的無線電干擾均滿足58 dB(μV/m)的限值要求?？傮w來看，對于上述導(dǎo)線方案，無線電干擾不作為電磁環(huán)境的控制條件。

3.4 可聽噪聲

GB 50790-2013《±800kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦采用BPA及EPRI的兩種計(jì)算公式，這里采用EPRI計(jì)算公式。

各種極導(dǎo)線組合方案和不同海拔下的可聽噪聲值見表5。

表5 導(dǎo)線可聽噪聲計(jì)算表格dB(A) 單位：dB(A)

注：導(dǎo)線平均高度23 m，極間距20 m。

由以上比較可看出，在海拔1 000 m時(shí)，所選參比導(dǎo)線均滿足45 dB(A)的限值要求；在海拔達(dá)到3 500 m時(shí)，可聽噪聲均滿足50 dB(A)的限值要求。通過電氣特性計(jì)算校核，參選導(dǎo)線方案均滿足電磁環(huán)境的控制條件。

4 20 mm重冰區(qū)導(dǎo)線選型

根據(jù)系統(tǒng)輸送容量10 000 MW開展導(dǎo)線選型，由此算得每極電流為6 250 A，按電流密度不大于0.9 A/mm2考慮，則導(dǎo)線總鋁截面不小于7 000 mm2。10 mm輕冰區(qū)和15 mm中冰區(qū)導(dǎo)線通過年費(fèi)用最小法進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦年費(fèi)用最低的8×JL/G2A-1 250/100鋼芯鋁絞線導(dǎo)線方案，分析過程這里不作詳細(xì)闡述。主要針對20 mm、30 mm重冰區(qū)導(dǎo)線進(jìn)行比選。

4.1 20 mm冰區(qū)機(jī)械特性

參與比選的各導(dǎo)線弧垂、過載能力詳見表6。導(dǎo)線荷載的比較詳見表7。

表6 導(dǎo)線弧垂、過載性能一覽表

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

表7 20 mm冰區(qū)導(dǎo)線荷載一覽表

表6、表7的20 mm重冰區(qū)各導(dǎo)線方案的過載能力大于35 mm，滿足20 mm重冰區(qū)設(shè)計(jì)要求，且6分裂導(dǎo)線方案的桿塔荷重明顯低于8分裂導(dǎo)線。

4.2 20 mm冰區(qū)年費(fèi)用比較

4.2.1 本體投資測算

按目前設(shè)計(jì)原則及假定工程邊界條件，對20 mm冰區(qū)各導(dǎo)線方案的初期投資進(jìn)行估算，詳見表8。

表8 本體投資及投資差額比較表

注：本體投資由選取27 m/s風(fēng)區(qū)、20 mm冰區(qū)氣象條件的典型區(qū)段進(jìn)行估算得來。

從表8各種導(dǎo)線方案每公里本體投資比較看出，6分裂導(dǎo)線方案由于導(dǎo)線材料量、桿塔荷載小、塔重輕等原因，本體投資均小于8分裂導(dǎo)線方案；并且截面越小，初期本體投資越低。

4.2.2 年費(fèi)用比較分析

雖然6分裂導(dǎo)線方案初期投資較優(yōu)，但是導(dǎo)線總截面較小，電能損耗較高。對于特高壓直流長距離大負(fù)荷運(yùn)行而言，隨著損耗時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間的累積，電能損耗引起的投資流失將逐級增大?？紤]實(shí)際運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)性采用年費(fèi)用比較法，進(jìn)一步分析20 mm冰區(qū)各導(dǎo)線方案的最優(yōu)選型。

注：圖中1～6號導(dǎo)線型號及基準(zhǔn)本體詳見表8。

工程材料價(jià)格波動(dòng)會(huì)影響本體投資的浮動(dòng)，在此分析20 mm冰區(qū)不同本體投資水平下，各種導(dǎo)線方案的年費(fèi)用對比情況。按照20 mm冰區(qū)各導(dǎo)線方案的單公里本體投資(詳見表8)作為基準(zhǔn)本體進(jìn)行比較測算。計(jì)算條件為：回收率8%；損耗小時(shí)數(shù)3 000 h；電價(jià)為0.4元/kWh。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

計(jì)算條件為：回收率8%；損耗小時(shí)數(shù)4 000 h；電價(jià)為0.4元/kWh。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

注：圖中1～6號導(dǎo)線型號詳見表8，20 mm基準(zhǔn)本體462.5萬元/km。

根據(jù)圖1～圖3的各導(dǎo)線方案投資變化趨勢比較結(jié)果可知，本體投資增減在-100萬元～100萬元的范圍內(nèi)，對不同電價(jià)及回收率進(jìn)行了測算分析，20 mm冰區(qū)年費(fèi)用最低的導(dǎo)線為6×JL/G2A-1 250/100鋼芯鋁絞線方案。

通過上述方案比選，各種方案的導(dǎo)線弧垂特性和過載能力都能滿足20 mm重冰區(qū)的設(shè)計(jì)要求，從經(jīng)濟(jì)最優(yōu)考慮，推薦6×JL/G2A-1250/100鋼芯鋁絞線作為20 mm重冰區(qū)導(dǎo)線方案。

圖3 20 mm冰區(qū)不同電價(jià)及回收率的導(dǎo)線年費(fèi)用

5 30mm、40mm重冰區(qū)導(dǎo)線選型

5.1 30mm、40mm重冰區(qū)機(jī)械特性

30mm及以上重冰區(qū)線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，導(dǎo)線上主要發(fā)生懸垂線夾處的導(dǎo)線斷股事故。因此在重冰區(qū)導(dǎo)線選擇中應(yīng)選取強(qiáng)度較大、鋁股受力好的導(dǎo)線；并且適當(dāng)提高導(dǎo)線安全系數(shù)，盡量降低鋁股應(yīng)力，提高線夾握力均勻性。根據(jù)重冰線路設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在30 mm及以上重冰線路，導(dǎo)線均采用鋼芯鋁合金絞線[4]。參與比選的各導(dǎo)線弧垂、過載能力詳見表9。

表9 導(dǎo)線弧垂、過載性能一覽表

導(dǎo)線荷載的比較以40 mm冰區(qū)為例詳見表10。

表10 40 mm冰區(qū)導(dǎo)線荷載一覽表

通過表9、表10的30 mm、40 mm重冰區(qū)各導(dǎo)線方案的機(jī)械特性計(jì)算比選可見，大截面鋼芯鋁合金絞線過載能力大于60 mm，機(jī)械特性優(yōu)秀，均能滿足30 mm、40 mm重冰區(qū)設(shè)計(jì)要求；并留有較大裕度，則重冰區(qū)各導(dǎo)線方案長期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性將是導(dǎo)線方案的選型要點(diǎn)[5]。

5.2 年費(fèi)用比較

5.2.1 本體投資測算

由于30 mm、40 mm重冰區(qū)覆冰厚度的增加，造成鐵塔荷載、基礎(chǔ)作用力大幅增加，導(dǎo)線弧垂明顯增大，桿塔平均檔距更小，桿塔使用數(shù)量更多，使得工程材料量成倍數(shù)增加。由此引起單公里本體投資相對于20 mm冰區(qū)有大幅增長，勢必影響導(dǎo)線選型趨勢。按目前設(shè)計(jì)原則及假定工程邊界條件，對30 mm、40 mm冰區(qū)各導(dǎo)線方案的初期投資進(jìn)行估算，詳見表11和表12。

表11 30 mm冰區(qū)本體投資及投資差額比較

注：本體投資由選取27 m/s風(fēng)區(qū)、30 mm冰區(qū)氣象條件的典型區(qū)段進(jìn)行估算得來。

表12 40 mm冰區(qū)本體投資及投資差額比較

注：本體投資由選取27 m/s風(fēng)區(qū)、40 mm冰區(qū)氣象條件的典型區(qū)段進(jìn)行估算得來。

通過表11和表12的典型區(qū)段投資估算比較可見，少分裂小截面導(dǎo)線仍然具有初期投資低的優(yōu)點(diǎn)，需采用年費(fèi)用比較法，進(jìn)一步分析30mm、40mm冰區(qū)各導(dǎo)線方案的綜合經(jīng)濟(jì)性。

5.2.2 年費(fèi)用比較分析

本體投資隨著工程材料價(jià)格上下波動(dòng)而變化，首先分析不同本體投資水平下，各種導(dǎo)線方案的年費(fèi)用變化情況和差異性。

1)30 mm冰區(qū)年費(fèi)用比較

按照30 mm冰區(qū)各導(dǎo)線方案的單公里本體投資(詳見表11)作為基準(zhǔn)本體進(jìn)行比較測算。計(jì)算條件為：回收率8%，損耗小時(shí)數(shù)3 000 h，電價(jià)為0.4元/kWh，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

注：圖中1～6號導(dǎo)線型號及基準(zhǔn)本體詳見表11

以40 mm冰區(qū)各導(dǎo)線方案的單公里本體投資(詳見表12)作為基準(zhǔn)本體進(jìn)行比較測算。計(jì)算條件為：回收率8%；損耗小時(shí)數(shù)4 000 h；電價(jià)為0.4元/kWh。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

注：圖中1～6號導(dǎo)線型號及基準(zhǔn)本體詳見表12

從圖4～圖6的投資變化趨勢比較可以看出，本體投資增減在-200萬元～200萬元的范圍內(nèi)。對不同電價(jià)及回收率進(jìn)行了測算分析，30 mm冰區(qū)年費(fèi)用最低的導(dǎo)線為6×JLHA4/G2A-1 120/90鋼芯鋁合金絞線。

2)40 mm冰區(qū)年費(fèi)用比較

分析40 mm冰區(qū)不同本體投資水平下各種導(dǎo)線年費(fèi)用對比情況。

圖6 30 mm冰區(qū)不同電價(jià)及回收率的導(dǎo)線年費(fèi)用

計(jì)算條件為：回收率8%；損耗小時(shí)數(shù)3 000 h；電價(jià)為0.4元/kWh。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

注：圖中1～6號導(dǎo)線型號詳見表12，40 mm基準(zhǔn)本體1632.1萬元/km。

計(jì)算條件為：回收率8%；損耗小時(shí)數(shù)4 000 h；電價(jià)為0.4元/kWh。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

注：圖中1～6號導(dǎo)線型號詳見表12，40 mm基準(zhǔn)本體1 632.1萬元/km。

從圖7～圖9的投資變化趨勢可見，本體投資增減在-200萬元～200萬元的范圍內(nèi)，對不同電價(jià)及回收率進(jìn)行了測算分析，40 mm冰區(qū)年費(fèi)用最低的導(dǎo)線為6×JLHA4/G2A-1 000/80鋼芯鋁合金絞線。

圖9 40 mm冰區(qū)不同電價(jià)及回收率的導(dǎo)線年費(fèi)用

通過上述方案比選，各種方案的導(dǎo)線弧垂特性和過載能力都能滿足30 mm、40 mm重冰區(qū)機(jī)械特性的強(qiáng)度要求。通過年費(fèi)用比較分析，在不同投資不同電價(jià)及回收率下，30 mm冰區(qū)6×JLHA4/G2A-1 120/90鋼芯鋁合金絞線最優(yōu)，而40 mm冰區(qū)6×JLHA4/G2A-1 000/80鋼芯鋁合金絞線最優(yōu)。6×JLHA4/G2A-1 120/90鋼芯鋁合金絞線和6×JLHA4/G2A-1 000/80鋼芯鋁合金絞線作為30 mm、40 mm重冰區(qū)的推薦導(dǎo)線方案。

6 結(jié) 論

1)在滿足系統(tǒng)輸送容量的前提下，各重冰區(qū)推薦的大截面導(dǎo)線均能滿足機(jī)械特性的校核要求，隨著冰區(qū)量級增大，年費(fèi)用最優(yōu)的推薦導(dǎo)線總截面呈減少趨勢。20 mm冰區(qū)較10 mm和15 mm冰區(qū)減少了分裂數(shù)，30 mm和40 mm冰區(qū)均減小了導(dǎo)線截面。

2)對不同冰區(qū)3 000 h、4 000 h損耗的年費(fèi)用趨勢進(jìn)行比較，損耗小時(shí)數(shù)越低，減少分裂和減小截面的導(dǎo)線方案年費(fèi)用優(yōu)勢越明顯。

3)大截面鋼芯鋁絞線已在特高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線在節(jié)約電能、減少損耗和降低年費(fèi)用等方面具有顯著優(yōu)勢，在重冰區(qū)特高壓直流輸電線路中具有廣泛的應(yīng)用前景[6]。

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

[2] GB/T 1179-2008，圓線同心絞架空導(dǎo)線[S].

[3] 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.

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周 唯(1982)，碩士、高級工程師，從事輸電線路技術(shù)設(shè)計(jì)工作；

劉翰柱(1978)，學(xué)士、高級工程師，從事輸電線路技術(shù)設(shè)計(jì)工作；

謝 靜(1981)，碩士、高級工程師，從事輸電線路技術(shù)設(shè)計(jì)工作；

梁 明(1973)，學(xué)士、教授級高級工程師，從事輸電線路技術(shù)研究及設(shè)計(jì)工作。

Taking the typical heavy icing section of UHVDC transmission line as boundary conditions and according to the requirements of system planning, the electrical performance, mechanical characteristic and life cycle economy of large section conductors are compared and analyzed. Research shows that large section conductors can meet the requirements of mechanical characteristics. And the annual cost of total cross section of the optimal recommended conductor shows a decreasing trend with the increase of ice. If the loss hours are lower, the advantage of annual cost of conductor plan with lowering the number of bundled conductor and reducing cross section is more obvious.

ultra-high voltage (UHV); DC transmission lines; heavy icing area; conductor

TM713

A

1003-6954(2017)02-0004-07

2016-12-10)