輸電線路大檔距跨越工程的導(dǎo)線選型研究

(湖南經(jīng)研電力設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引言

高壓輸電線路的建設(shè)不可避免地要跨越大江大河。許多江河水面寬闊且有通航要求，因此建設(shè)、運行難度較大。大檔距跨江工程的導(dǎo)線選擇是工程設(shè)計中的關(guān)鍵。導(dǎo)線特性決定了跨越塔的高度和運行荷載，也決定了電能輸送性能，包括它的損耗、效率以及電氣和機械方面的過載能力。把導(dǎo)線選好才能從主體上保證工程的技術(shù)性能和經(jīng)濟特性[1-2]。

規(guī)劃中江西省井岡山水電廠—澄江220 kV線路需大檔距跨越贛江?？缭椒绞綖槟汀薄停瑱n距分布為360 m－968 m－400 m，耐張段總長為1 720 m。跨江段導(dǎo)線選型在滿足輸送容量的前提下，盡量降低跨越塔高度，減少施工、運行難度，節(jié)省工程投資[2]。

本文依托國家電網(wǎng)公司的江西省井岡山水電廠—澄江220 kV線路工程大檔距跨越贛江段，綜合設(shè)計、桿塔規(guī)劃、導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線方案，為選型工程的導(dǎo)線方案提供依據(jù)，同時也為后續(xù)同類大跨越工程的導(dǎo)線方案選擇提供參考。

1 導(dǎo)線初選

本工程跨贛江段跨越檔距較大，設(shè)計可參照大跨越的條件進行設(shè)計。參考我國高壓線路大跨越的有關(guān)設(shè)計規(guī)定，結(jié)合國內(nèi)外大跨越工程線路的設(shè)計、運行經(jīng)驗等，在選擇導(dǎo)線時，應(yīng)從載流量、電磁環(huán)境、弧垂特性、制造條件等因素考慮，使選擇的導(dǎo)線安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理[3]。

其中，良好的機械性能是輸電線路跨江建設(shè)實施以及降低投資的首要因素。本工程導(dǎo)線選擇在于確定跨江導(dǎo)線材料及其截面型式。

1.1 初選方案

大跨越導(dǎo)線主要使用鋼芯鋁合金與鋁包鋼兩大系列。鋁包鋼絞線由于其導(dǎo)電能力較差，載流能力難以提高，電能損耗大，在大跨越工程中的使用受到限制，現(xiàn)僅用于輸送容量不高的工程中。目前我國220 kV及以上電壓的大跨越工程基本上都采用了鋼芯鋁合金系列導(dǎo)線，該種導(dǎo)線輸送容量大，弧垂性能較好，在大檔距跨江乃至大跨越工程中被廣泛使用，尤其是采用了特強鋼芯(extra high strength steel，EST)的鋁合金絞線具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。井岡山水電廠—澄江220 kV線路輸送容量為416 MW，跨贛江段比較適合采用特強鋼芯鋁合金絞線[4-5]。

對于鋼芯鋁合金絞線，在導(dǎo)線材料確定后，導(dǎo)線的機械特性取決于鋁鋼截面比。根據(jù)國內(nèi)已有鋼芯鋁合金絞線使用經(jīng)驗，結(jié)合系統(tǒng)提出的2×300 mm2截面的導(dǎo)線要求，本文選擇幾種型式的高強/特強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/G3A-300/70、JLHA1/EST-300/50、JLHA1/EST-300/60、JLHA1/EST-300/70進行初步比較，以確定合適的鋁鋼截面比。初選的四種導(dǎo)線主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 電氣性能

本文參考大跨越工程導(dǎo)線選型原則，以環(huán)境溫度35℃，日光對導(dǎo)線日照強度為1 000 W/m2，垂直導(dǎo)線表面的風(fēng)速為0.6 m/s，輻射散熱系數(shù)0.9等條件下計算以上導(dǎo)線的極限輸送容量。導(dǎo)線的起暈場強采用皮克公式計算，導(dǎo)線表面電場計算采用逐步鏡像法[4]。幾種導(dǎo)線的電氣性能計算見表2。

表1 初選導(dǎo)線主要技術(shù)參數(shù)

表2 電氣性能計算表

根據(jù)表2的計算結(jié)果，有以下結(jié)論：

1)導(dǎo)線的載流量：各種導(dǎo)線組合方案均能滿足416 MW的輸送要求。

2)導(dǎo)線電能損耗：各導(dǎo)線方案電能損耗整體相差不大。

3)各導(dǎo)線方案的表面場強、無線電干擾、可聽噪聲等電磁環(huán)境均滿足GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。一般來說，低海拔地區(qū)的220 kV線路，電磁環(huán)境不是導(dǎo)線選型的控制因素[3]。

1.3 機械性能

機械性能和相荷載計算是導(dǎo)線選型中重要內(nèi)容，在跨江段尤為重要。機械性能主要內(nèi)容是反映導(dǎo)線規(guī)定安全系數(shù)下，導(dǎo)線的過載能力和弧垂特性。過載能力是考驗在70%的額定拉斷力下，導(dǎo)線可以承載的覆冰厚度，體現(xiàn)了安全裕度的儲備?；〈固匦泽w現(xiàn)了為保證對地距離需要付出的桿塔高度代價，是經(jīng)濟性比較的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；相荷載包含垂直荷載、橫向荷載和縱向荷載，是控制桿塔鋼材指標的關(guān)鍵因素。直線塔縱向受力平衡，塔材主要受橫向荷載和垂直荷載控制。耐張塔要考慮斷線及不均勻覆冰狀態(tài)下的強度控制，塔材主要受縱向荷載和橫向荷載控制[4]。江西地區(qū)氣象條件配置見表3。

表3 設(shè)計氣象條件

根據(jù)設(shè)計氣象條件，參選的幾種導(dǎo)線的機械性能計算表見表4[5]。

表4 導(dǎo)線方案綜合機械性能表

按計算高溫弧垂時溫度取40℃，檔距按968 m考慮時，從表4分析可以看出：

1)所選導(dǎo)線方案中，采用JLHA1/EST-300/60高溫弧垂最優(yōu)，采用JLHA1/EST-300/70高溫弧垂其次，采用JLHA1/EST-300/60、JLHA1/EST-300/70導(dǎo)線方案跨越塔呼高可以稍微降低；

2)從對桿塔的荷載看：大風(fēng)水平荷載方面JLHA1/EST-300/50最小，其余四種導(dǎo)線相差不大，覆冰垂直荷載方面JLHA1/EST-300/50最小，其余四種導(dǎo)線相差不大。

3)從過載能力上看，4種導(dǎo)線均滿足覆冰過載要求，并留有較大的裕度。

1.4 經(jīng)濟性分析

根據(jù)各種導(dǎo)線方案的主要材料量消耗，計算的跨江段各項費用見表5[6]。

表5 方案經(jīng)濟比較 萬元

JLHA1/EST-300/60特強鋼芯鋁合金絞線較原規(guī)劃的高強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/G3A-300/70而言，能節(jié)省跨江段投資33.5萬元，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

1.5 初選導(dǎo)線結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果，各導(dǎo)線方案的電氣性能均滿足要求。在機械性能方面，特強鋼芯鋁合金絞線較高強鋼芯鋁合金絞線較優(yōu)，其中JLHA1/EST-300/60特強鋼芯鋁合金絞線相較于JLHA1/EST-300/70與JLHA1/EST-300/50拉重比大，弧垂性能較好，能有效降低跨越塔塔高，使桿塔重量減輕，保證跨江段總體經(jīng)濟效益最優(yōu)。

2 導(dǎo)線優(yōu)化

為進一步降低跨越塔高度，減小跨越塔基礎(chǔ)根開，基于上述分裂導(dǎo)線、截面方案，在不降低電氣性能的前提下，本報告將從導(dǎo)線的機械性能方面入手，對導(dǎo)線進行選型優(yōu)化。

導(dǎo)線優(yōu)化的思路有兩點，一是從導(dǎo)線材料進行優(yōu)化，二是從導(dǎo)線結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化[1]。

2.1 導(dǎo)線材料優(yōu)化

經(jīng)查閱國內(nèi)外已建成的大跨越工程，巴西亞馬遜大跨越采用了中國某制造廠生產(chǎn)的超高強度鋼絞線(ultra high strength steel，UST)，抗拉強度大于1 910 MPa，1%伸長時應(yīng)力大于1 670 MPa，強度比EST鋼絞線提高7.7%。故可以考慮用超高強鋼絞線UST替代特高強鋼絞線EST[7]。

2.2 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2018年3月，我國修訂了與IEC 62219:2002《Overhead electrical conductors-formed wire，concentric lay，stranded conductors》[8]一致性程度為等同的國家標準GB/T 20141—2018《型線同心絞架空導(dǎo)線》[9]，對由形狀為S、T成型單線制造的導(dǎo)線提出了典型結(jié)構(gòu)型式[8]。

型線同心絞架空導(dǎo)線是對圓線同心絞架空導(dǎo)線的改進提高，以型單線代替圓單線絞制成架空導(dǎo)線，可提高導(dǎo)線的綜合性能。將外層圓型鋁合金導(dǎo)體改為Z型線導(dǎo)體，有如下優(yōu)勢：

1)在面積相等的情況下，型線導(dǎo)線能有效降低風(fēng)載的影響，光滑的導(dǎo)線表面和較小的直徑，使風(fēng)速達到30 m/s及以上時，其風(fēng)載比相同截面的圓線同心絞架空導(dǎo)線低得多；

2)由于型線單線間的接觸面大，使導(dǎo)線在受力狀態(tài)下風(fēng)激振動時，各層鋁線和鋼芯的固有振動頻率各不相同，自動消耗風(fēng)激振動的能量比圓線同心絞架空導(dǎo)線的要大，因而，自阻尼性能更為優(yōu)良；

3)型線導(dǎo)線由于結(jié)構(gòu)緊湊，雨水、灰塵等物質(zhì)不容易沿縫隙進入導(dǎo)線內(nèi)部，能較好地解決導(dǎo)線的抗化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕問題，從而比圓線同心絞架空導(dǎo)線的壽命更長；

4)單位長度導(dǎo)線的覆冰量比普通導(dǎo)線的要少些；

5)與同直徑的圓線同心絞架空導(dǎo)線比，型線導(dǎo)線表面光滑，電暈損耗較小。

型線同心絞架空導(dǎo)線有著很多優(yōu)點，在架空線路上的應(yīng)用將越來越廣泛。本文根據(jù)國網(wǎng)公司最新QGDW 11275-2014《特高強鋼芯鋁合金絞線》中提出的典型結(jié)構(gòu)型式，并結(jié)合GB/T 20141—2006《型線同心絞架空導(dǎo)線》規(guī)定的導(dǎo)線性能，設(shè)計了一種超高強鋼芯鋁合金成型絞線JLHA1X/UST-300/60，該導(dǎo)線截面見圖1。

2.3 導(dǎo)線優(yōu)化后經(jīng)濟技術(shù)比較

根據(jù)設(shè)計氣象及代表檔距條件計算，采用JLHA1X/UST-300/60在年平工況時達到控制應(yīng)力，控制應(yīng)力為132.5 MPa，防振是控制導(dǎo)線張力的制約因素。

將鋼芯與導(dǎo)線結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的超高強鋼芯鋁合金成型絞線JLHA1X/UST-300/60與特強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/EST-300/60、超高強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/UST-300/60進行對比分析。主要技術(shù)參數(shù)及機械性能比較詳見表6、表7。

很明顯，優(yōu)化后的JLHA1X/UST-300/60超高強鋼芯鋁合金型線絞線的90℃弧垂改善明顯，且風(fēng)荷載也有所減小。采用JLHA1X/UST-300/60方案較原規(guī)劃的JLHA1/G3A-300/70方案在工程造價上有較大的優(yōu)勢。

表6 優(yōu)化后導(dǎo)線技術(shù)條件對比

表7 導(dǎo)線優(yōu)化前后技術(shù)經(jīng)濟比較

3 結(jié)論

本文主要研究了輸電線路大檔距跨越段的導(dǎo)線選型，特別依托規(guī)劃中的井岡山水電廠—澄江220 kV線路跨贛江段導(dǎo)線選型。

1)針對本工程，本文提出了先確定導(dǎo)線材料及其截面型，再進行優(yōu)化的導(dǎo)線選型思路。選取數(shù)種導(dǎo)線方案，通過在電氣性能、機械特性方面比較，得出特強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/EST-300/60在大檔距跨越工程比較適用。

2)在JLHA1/EST-300/60的基礎(chǔ)上對導(dǎo)線進行了材料及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，將鋼芯由EST優(yōu)化為UST級，并將導(dǎo)線外型優(yōu)化為Z型線導(dǎo)體，JLHA1X/UST-300/60超高強鋼芯高強鋁合金型線絞線的機械特性優(yōu)異，能明顯降低跨越塔高度，直接減少工程投資及施工難度，具有很明顯的優(yōu)勢。

3)JLHA1X/UST-300/60在國內(nèi)尚未有使用先例，但UST級鋼芯國內(nèi)已有廠家可以生產(chǎn)，另外鋁合金型線在國內(nèi)也已有多年的制造經(jīng)驗。因此從國內(nèi)大型線纜廠家的生產(chǎn)能力來看，該導(dǎo)線具備大規(guī)模制造可能。

4)超高強鋼芯高強鋁合金型線絞線的弧垂性能好，通過調(diào)整鋁合金與鋼芯截面比，可以推廣使用到大跨越工程中。