鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線在特高壓直流輸電線路30 mm冰區(qū)中的應(yīng)用

，，， (中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線在特高壓直流輸電線路30 mm冰區(qū)中的應(yīng)用

易海蓉，王婷婷，李育兵，梁明
(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

以重冰區(qū)特高壓直流輸電線路工程為例，將鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線與鋼芯高強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線的電氣性能、機(jī)械特性和全壽命周期經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較分析。研究表明，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(shì)，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。

特高壓直流；輸電線路；中強(qiáng)度鋁合金芯鋁絞線；應(yīng)用

0 引 言

中國幅員遼闊，特高壓直流輸電符合電力工業(yè)發(fā)展規(guī)律和電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向，在中國有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

遠(yuǎn)距離大容量的特高壓直流輸電，線路途經(jīng)重覆冰區(qū)段概率增多，覆冰已成為影響線路安全運(yùn)行和工程造價(jià)的主要因素之一。重冰線路易發(fā)生覆冰過載和不均勻覆冰引發(fā)的斷線、斷股事故，危及線路的安全運(yùn)行，因此導(dǎo)地線要具有優(yōu)良的機(jī)械特性。為提高安全性，以往工程在特重冰區(qū)段均采用鋼芯高強(qiáng)度鋁合金絞線，但存在導(dǎo)線線損相對(duì)較高的問題。下面以±800 kV酒湖線30 mm冰區(qū)導(dǎo)線選擇為例，在電氣性能、機(jī)械性能、本體投資、年費(fèi)用等方面對(duì)3種截面相同、型式不同的導(dǎo)線進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析，首次提出了30 mm重冰區(qū)線路采用新型鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線的導(dǎo)線技術(shù)方案。

1 鋁合金特性

鋁合金是輸電線路常用的材料，在國內(nèi)外已經(jīng)有幾十年的應(yīng)用歷史，合金單線主要材料成分由鋁、鎂、硅等材料合成。它添加的元素主要是鎂(Mg)和硅(Si)，該合金的主要組成物為Mg2Si。在熱處理狀態(tài)下，Mg2Si固溶于鋁中，并通過人工時(shí)效進(jìn)行硬化，將Mg2Si均勻地析出在合金單線的表面，使其在導(dǎo)電率、強(qiáng)度、延伸率上得到明顯提高。

重冰區(qū)線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，導(dǎo)線在覆冰過載和不均勻覆冰情況下易發(fā)生導(dǎo)線斷股、斷線事故。因此在重冰線路導(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)，以提高導(dǎo)線覆冰過載能力。

2 鋼芯鋁合金絞線特性

鋼芯鋁合金絞線是一種鋼芯和鋁合金組合的導(dǎo)線，外層采用52.5% IACS或53%IACS高強(qiáng)度鋁合金替代普通鋼芯鋁絞線中的鋁線，內(nèi)層采用常規(guī)的鋼芯單絲絞合。中國導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1179-2008《圓線同心絞架空導(dǎo)線》已有JLHA1/G1A、JHA2/G1A等規(guī)格的鋼芯鋁合金絞線，由于鋁合金線強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率較大，所以其機(jī)械過載能力也較大，特別適合在重冰區(qū)使用。

表1 鋁(鋁合金)單絲主要性能比較

表2 鋼芯中強(qiáng)度、高強(qiáng)度鋁合金絞線的技術(shù)參數(shù)

表3 鋼芯中強(qiáng)度、高強(qiáng)度鋁合金絞線的機(jī)械特性

外層采用52.5%IACS或53%IACS高強(qiáng)度鋁合金線，其電阻損耗仍較大，若要進(jìn)一步降低導(dǎo)線損耗，可采用57%～58.5%IACS導(dǎo)電率的中強(qiáng)度鋁合金線，雖然導(dǎo)線強(qiáng)度有所降低(詳見表1)，但導(dǎo)線直流電阻進(jìn)一步減小，在輸電線路中節(jié)能降耗效果將更為突出。雖然目前鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線只有少部分廠家的產(chǎn)品通過鑒定，但鑒于鋁合金絞線的制造技術(shù)成熟，已在線路工程中廣泛推廣應(yīng)用且運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)豐富，因此鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線制造、運(yùn)維難度不大。鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線示意見圖1，暫定型號(hào)為JLHA4/G2A。

表4 鋼芯中強(qiáng)度、高強(qiáng)度鋁合金絞線的電氣特性

注：數(shù)據(jù)以標(biāo)稱電壓±800 kV、輸送功率5 000 MW、輸送距離1 000 km的線路計(jì)算所得；運(yùn)行線溫均以60℃考慮。

圖1 鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線結(jié)構(gòu)及絞線

選定標(biāo)稱截面為630 mm2、720 mm2和800 mm2的鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線和鋼芯高強(qiáng)度鋁合金絞線進(jìn)行分析比較，其參數(shù)如表2所示。

由表2可知，相同鋁合金截面的鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線的計(jì)算拉斷力比鋼芯高強(qiáng)度鋁合金小7%～15%，電阻低8%，而其他參數(shù)都基本一致。

為進(jìn)一步對(duì)比兩類導(dǎo)線，以6分裂為例，通過計(jì)算得出各導(dǎo)線的機(jī)械特性、電氣特性分別如表3、表4所示。

由表3可知，相同鋁合金截面的鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線的機(jī)械特性與高強(qiáng)度相比基本相當(dāng),僅過載冰厚小約2～9 mm。

由表4可知，相同截面的中強(qiáng)度鋁合金芯鋁絞線與高強(qiáng)度相比，電阻損耗功率減小約7%左右，節(jié)能降耗效果更為突出。

3 導(dǎo)線參數(shù)

根據(jù)酒泉—湖南特高壓直流工程(以下簡(jiǎn)稱酒湖線)初步設(shè)計(jì)總報(bào)告，其輸電規(guī)模為8 000 MW，輸電電壓為±800 kV，30 mm特重冰區(qū)的長(zhǎng)度合計(jì)約為43.7 km，最大風(fēng)速為30 m/s(10 m高時(shí))，地形以高山大嶺為主。

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)為0.9 A/mm2以下。

30 mm及以上重冰區(qū)線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，導(dǎo)線上主要發(fā)生的是懸垂線夾處的導(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，并且應(yīng)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)行的經(jīng)驗(yàn)，在30 mm冰區(qū)及以上重冰線路，導(dǎo)線均采用鋼芯鋁合金絞線。根據(jù)工程導(dǎo)線結(jié)構(gòu)型式比選，30 mm重冰區(qū)導(dǎo)線采用與5～20 mm冰區(qū)一致的6×1 250 mm2結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)線。因此選用了3種不同類型但截面均為6×1 250 mm2的導(dǎo)線進(jìn)行比較分析，各導(dǎo)線參數(shù)如表5所示。

4 電氣性能比較

4.1 導(dǎo)線載流量比較

根據(jù)系統(tǒng)條件，計(jì)算出各種導(dǎo)線型式的最大允許電流和過負(fù)荷溫度，如表6所示。

計(jì)算中，環(huán)境氣溫采用最高氣溫月的最高平均氣溫，在此取環(huán)境溫度為40℃，風(fēng)速采用0.5 m/s，太陽輻射功率密度采用1 000 W/m2。

從表6可以看出，3種導(dǎo)線均滿足過負(fù)荷溫度不超過70 ℃的要求。

4.2 電磁環(huán)境比較

由于參與比選的3種導(dǎo)線的外徑相同，鋁層結(jié)構(gòu)相同，表面光潔度也相同，所以在同樣電壓作用下導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)，無線電干擾、可聽噪聲等幾乎沒有差別。經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)線的電磁環(huán)境指標(biāo)基本一致，滿足《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50790-2013)的要求。

表5 ±800 kV酒湖線30 mm冰區(qū)比選導(dǎo)線的技術(shù)參數(shù)

表6 ±800 kV酒湖線30 mm冰區(qū)比選導(dǎo)線過負(fù)荷溫度計(jì)算結(jié)果

表7 ±800 kV酒湖線30 mm冰區(qū)比選導(dǎo)線不同代表檔距下高溫弧垂 單位：m

表8 ±800 kV酒湖線30 mm冰區(qū)比選導(dǎo)線不同代表檔距過載冰厚 單位：mm

表9 ±800 kV酒湖線30 mm冰區(qū)比選導(dǎo)線相導(dǎo)線荷載 單位：kN/相

5 機(jī)械特性比較

輸電線路導(dǎo)線的機(jī)械特性，主要包括弧垂特性、荷載特性和覆冰過荷載特性。機(jī)械特性的好壞直接影響到線路的安全運(yùn)行情況，所以輸電線路導(dǎo)線必須滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求。

5.1 弧垂特性

由表7可以看出，參與比選的3種導(dǎo)線中，鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA4/G2A-1250/100弧垂特性最好，但與其它導(dǎo)線弧垂相差不大。

5.2 導(dǎo)線過載能力

由表8可以看出，不同代表檔距下，3種導(dǎo)線方案過載冰厚度均達(dá)到65 mm以上，滿足本冰區(qū)過載的要求。

5.3 導(dǎo)線的荷載特性

由于參與比選的3種導(dǎo)線外徑、單重相當(dāng)，故各導(dǎo)線垂直荷重、線條風(fēng)荷重、縱向張力基本相同。

30 mm冰區(qū)導(dǎo)線每相荷載見表9。

6 年費(fèi)用比較

年費(fèi)用比較法是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。為了進(jìn)一步分析各種導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性，采用最小年費(fèi)用法對(duì)各種導(dǎo)線的年費(fèi)用進(jìn)行了計(jì)算[6]。

6.1 電能損失

對(duì)于超高壓送電線路來說，電能損失主要由兩部分組成，即電阻損耗與電暈損耗。但電暈損耗在線路損耗中所占比重遠(yuǎn)小于電阻損耗，線路的電能損失主要取決于電阻損耗[4-5]。

表10 ±800 kV酒湖線30 mm冰區(qū)比選導(dǎo)線電阻損耗及電暈損失 單位：kW/km

注：運(yùn)行線溫按60℃考慮；兩極電暈損失均為海拔500 m、好天氣條件下的電暈損失計(jì)算值。

表11 ±800 kV酒湖線30 mm冰區(qū)比選導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)特性比較 單位：萬元/km

注：電價(jià)為0.501 4元/kW·h，回收率為8%。

根據(jù)系統(tǒng)條件，導(dǎo)線按輸送容量8 000 MW，電阻損耗計(jì)算結(jié)果見表10所示。

由表10可以看出，鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA4/G2A-1250/100電阻損耗最小，由于各導(dǎo)線外徑基本相同，導(dǎo)線電暈損失基本相同，故鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA4/G2A-1250/100電能損失最小。

6.2 年費(fèi)用計(jì)算結(jié)果

經(jīng)初步詢價(jià)，鋼芯高強(qiáng)度鋁合金絞線單價(jià)定為2萬元/t，鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線單價(jià)定為2.1萬元/t。

將參與比選的3種鋼芯鋁合金絞線的全壽命周期經(jīng)濟(jì)比較，年費(fèi)用計(jì)算結(jié)果如表11所示。

圖2 年費(fèi)用比較(電價(jià)為0.501 4元/kW·h，回收率為8%)

圖3 年損耗費(fèi)用比較(電價(jià)為0.501 4元/kW·h，回收率為8%)

上述全壽命周期經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果表明：同種導(dǎo)線年損耗費(fèi)用和年費(fèi)用隨年損耗小時(shí)的上升而增大；相同損耗小時(shí)數(shù)下，鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線年損耗費(fèi)用和年費(fèi)用低于鋼芯高強(qiáng)度鋁合金絞線，普遍低3～4萬元，而上述3種導(dǎo)線在運(yùn)行、損耗、維護(hù)保養(yǎng)直至回收等費(fèi)用基本相當(dāng)?shù)?，因此在投資回收率、電價(jià)水平、損耗小時(shí)數(shù)情況下，JLHA4/G2A-1250/100鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線年損耗費(fèi)用最低，年費(fèi)用也最低，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)較為顯著。

7 結(jié) 語

JLHA4/G2A-1250/100鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線弧垂特性和電磁環(huán)境，滿足規(guī)程規(guī)范要求；過載冰厚度均達(dá)到65 mm以上，滿足本冰區(qū)過載的要求；年損耗費(fèi)用較低，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)較為顯著：因此推薦30 mm冰區(qū)采用經(jīng)濟(jì)性較好且具備制造條件的JLHA4/G2A-1250/100鋼芯中強(qiáng)度鋁合金絞線。

將大截面鋼芯中強(qiáng)度鋁合金鋁絞線應(yīng)用于特高壓直流輸電線路的重冰區(qū)中，可大量降低單位電能損耗，提高電能的利用效率，降低輸電“線損”指標(biāo)，且年費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益較好，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Taking UHVDC transmission line project in heavy icing area for example, the differences in electrical performance, mechanical characteristic and total life cycle economy between aluminum-alloy conductor medium-strength steel reinforced and aluminum-alloy conductor high-strength steel reinforced are analyzed. It shows that, aluminum-alloy conductor medium-strength steel reinforced has significant advantages in saving electric energy, reducing power loss and annual cost etc, which is suggested to be extended in UHVDC transmission lines in heavy icing area.

ultra high voltage (UHV) DC; transmission lines; aluminum-alloy conductor medium-strength steel reinforced; application

TM721.1

A

1003-6954(2017)05-0034-05

易海蓉 (1981)，本科，從事高壓輸電線路設(shè)計(jì)工作；

王婷婷 (1985)，碩士，從事高壓輸電線路設(shè)計(jì)工作；

李育兵 (1980)，碩士，從事高壓輸電線路設(shè)計(jì)工作；

梁 明 (1973)，本科，從事高壓輸電線路設(shè)計(jì)工作。

2017-08-09)