特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線在大跨越輸電工程中的應用

謝榮坤，潘春平，桂重

(廣東省電力設計研究院，廣州市，510663)

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。我國江湖河海眾多，隨著電網(wǎng)建設的快速發(fā)展以及路徑走廊的日益緊張，大跨越輸電工程的建設勢必逐漸增多。導線選型是大跨越輸電工程設計的重要環(huán)節(jié)，既影響工程建設的一次性投資，又決定著線路建成后長期運行的技術經(jīng)濟指標［1］。

特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線(KTACSR/EST)由于其弧垂特性好、輸送容量大等特點，非常適用于大跨越輸電工程［2］。本文對該種導線在大跨越輸電工程中的應用情況進行介紹，并以廣東某新建輸電工程為例，對各種導線型式進行了經(jīng)濟、技術比較。比較結果表明，該導線能夠有效減小桿塔風荷載，降低工程造價;對于設計風速較高、跨距不是很大的大跨越輸電工程，該種線型更具優(yōu)勢。

1 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線的應用現(xiàn)狀

為減小大跨越輸電線路的跨越檔弧垂，最直觀的方法就是選用強度比普通導線更大的特殊線型以提高導線的拉重比。隨著導線生產(chǎn)制造技術的不斷提升，適用于大跨越輸電工程的導線種類也越來越多。根據(jù)我國幾十年來的大跨越輸電設計經(jīng)驗，目前仍被廣泛應用于大跨越輸電工程的導線主要有:高強鋼芯(耐熱)鋁合金絞線、特強鋼芯(耐熱)鋁合金絞線、特強鋼芯高強鋁合金絞線以及鋁包鋼絞線等［3］。

早在1980年，特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線就被應用于220 kV三西線松花江大跨越輸電工程［4］。1988年建成的廣東沙江線獅子洋珠江大跨越輸電工程中，KTACSR/EST-720/300導線被首次應用于國內(nèi)500 kV輸電線路［5］。此后，特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線在國內(nèi)多項大跨越輸電工程中得到了應用，其中在廣東地區(qū)應用尤為廣泛。

廣東省河網(wǎng)縱橫交錯，尤其是在用電負荷大、高壓線路密集的珠三角地區(qū)，架空輸電線路勢必要跨越一條條寬闊的江河而形成大跨越。自1979年起，廣東地區(qū)先后建成大跨越輸電工程33項，其中19項采用特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線，多年來這些工程運行情況良好。表1列出了廣東地區(qū)部分大跨越輸電工程中特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線的使用情況。

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2 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線的特點

(1)強度高。特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線的鋼芯采用抗拉強度≥1 770 MPa、1%伸長應力≥1 550 MPa、鍍鋅層質(zhì)量≥260 g/m2的特高強度鍍鋅鋼線(EST)，保證了絞線的拉重比。在21世紀初，以三峽輸電工程蕪湖長江大跨越為依托，國內(nèi)導線制造廠家對EST線進行了相關的攻關研究，該大跨越輸電工程最終采用AACSR/EST-450/200型特強鋼芯高強鋁合金絞線［6］。隨著電網(wǎng)建設的日益發(fā)展、導線生產(chǎn)技術的逐步成熟，EST線后來在國內(nèi)又和(高強)耐熱鋁合金絞線和軟鋁絞線等相互配合形成了一系列特種導線。目前，EST線作為一種特強鋼芯在國內(nèi)輸電線路中的使用日趨廣泛。

(2)高強度耐熱鋁合金是耐熱性能好，而又具有高強度雙重特性的電工用鋁合金導體材料。該鋁合金制成導線具有使用溫度高、耐熱性好、載流量大的特點。其抗拉強度接近高強度鋁-鎂-硅合金，比普通鋁導線高出50%［7］。早在20世紀80年代，上海電纜研究所曾自主研制出高強度耐熱鋁合金，其合金線的技術性能指標與日本研發(fā)的相同，合金單線(線徑為2.30～4.50 mm)的抗拉強度為225～248 MPa、伸長率為2.0%、導電率為55%IACS、導線的長期運行允許溫度為150℃，如果犧牲2% ～3%的導電率，耐熱鋁合金線的抗拉強度還可以提高15%左右［8］。

(3)由特強鋼芯和高強耐熱鋁合金組合制成的絞線無疑在強度和輸送容量上有著巨大的優(yōu)勢，因此該種導線適合于大跨越輸電工程。廣東沿海地帶大多處于臺風區(qū)，其設計風速普遍較高，大跨越的基本設計風速最高達45 m/s［9］，采用耐熱鋁合金線可以提高導線的運行溫度，從而減少每相導線的分裂根數(shù)，極大降低導線的水平風荷載。例如，普通線路每相采用4×ACSR-720/50鋼芯鋁絞線(最高運行溫度70℃)時，大跨越輸電段采用2×KTACSR/EST-720/300即可與其輸送容量相配合，若不采用耐熱鋁合金絞線，大跨越輸電段需采用四分裂特強鋼芯鋁合金絞線或鋁包鋼絞線，二分裂導線和四分裂導線在風荷載上的差異是顯而易見的，尤其對于大風區(qū)更為明顯。據(jù)統(tǒng)計，二分裂導線比四分裂導線的風荷載小30% ～40%，而桿塔主材主要由風荷載控制，減小導線風荷載，可以有效降低桿塔主材的規(guī)格，節(jié)省桿塔材料量，顯著降低工程造價。由于耐熱鋁合金線的導電率比高強鋁合金線略低，線損會增加少許，但大跨越輸電段占整條輸電線路長度的比例很小，從整個工程來看，增加的線損所占的比例極小。

3 應用于大跨越輸電工程的導線比較

以廣東省某新建500 kV大跨越輸電工程為例，對各種導線型式進行比較。該大跨越輸電工程基本條件為:跨越檔距1 250 m;耐張段長1 950 m;基本設計風速37 m/s(水面10 m高)。系統(tǒng)要求該線路在N-1情況下每回線路的輸送容量不低于3 568 MVA(環(huán)境溫度40℃)。根據(jù)以往大跨越輸電導線選擇經(jīng)驗，對跨距小于1 000 m的大跨越，導線拉重比不宜小于8;對檔距處于1 000～1 500 m的，拉重比不宜小于12;對跨越超過1 500 m的，拉重比不宜小于15。根據(jù)以上經(jīng)驗值，再結合系統(tǒng)輸送容量要求，選擇了拉重比處于11.9～15.9的5種導線進行比選，根據(jù)其載流量的要求，組成二分裂、三分裂和四分裂相導線，其參數(shù)見表2。采用5種不同導線的工程投資比較見表3。

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由表3可知:

(1)方案5的直線跨越塔高度最高，鐵塔和基礎的費用較大，工程造價相對較高。

(2)方案4使用了特強型鋼芯鋁合金絞線使得直線跨越塔高度降低，但存在桿塔負荷大、鐵塔和基礎費用高、年運行費用高等問題，經(jīng)濟性不佳。

(3)方案3采用3×KTACSR/EST-530特強型鋼芯耐熱鋁合金絞線，三分裂導線布置型式國內(nèi)相對較少采用，目前僅有500 kV平武線大軍山長江大跨越、±500 kV葛上直流吉陽長江大跨越等少數(shù)幾個大跨越輸電工程采用，運行經(jīng)驗少;且特殊布置使得導線失穩(wěn)現(xiàn)象較難解決，運行經(jīng)驗不理想，其經(jīng)濟性能也不如方案1、2。

(4)從1995年起，雙分裂導線型式在廣東省500 kV沙江II回、羅江II回、肇西線、惠橫線、臺香線等多處大跨越輸電線路中使用，有豐富的施工運行經(jīng)驗，效果良好。本工程選用的方案1(2×KTACSR/EST-910)和方案2(2×KTACSR/EST-1000)各方面相差不大，雖然方案2綜合投資略高于方案1，但綜合考慮線損、導線電氣性能、導線運行溫度，并為系統(tǒng)發(fā)展留有一定裕度，方案2應優(yōu)于方案1。

(5)年運行費用包括維護費用和線損，其中維護費用按設備運行維護費率1.4%、基準貼現(xiàn)率8%、建設周期2年、使用壽命50年計算，線損按正常輸送容量、年損耗小時數(shù)3 750 h、電價0.40元/(kW·h)計算。結果表明，方案5的年費用最低，方案2略高于方案5，其次是方案3和方案1，方案4的年費用最高。方案2采用耐熱鋁合金線，其過流能力相對方案5有較大優(yōu)勢，考慮到珠三角地區(qū)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，方案2能為系統(tǒng)發(fā)展留有一定裕度。

根據(jù)以上分析，該大跨越輸電導線最終采用每相2×KTACSR/EST-1000特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線，分裂間距為700 mm。

4 結論

相對AACSR/EST絞線，KTACSR/EST絞線靠犧牲鋁合金的部分強度來實現(xiàn)導線的輸送容量增加(高強鋁合金比高強耐熱鋁合金抗拉強度高15%左右)，由于大跨越輸電導線的張力主要由鋼芯承擔，KTACSR/EST絞線相對AACSR/EST絞線在破斷張力上的下降并不顯著，對于跨距處于1 000～1500 m的大跨越而言，這種拉重比的減小對大跨越輸電桿塔高度的增加影響甚小。但若采用KTACSR/EST絞線，可以使分裂根數(shù)減少或?qū)Ь€外徑減小，這對于降低工程投資很有成效，采用高強鋁合金導線比采用高強耐熱鋁合金導線在風荷載上增加了32% ～72%。本文中大跨越輸電案例的基準風速相對較小(37 m/s)，對于設計風速大的大跨越輸電，風荷載上的差值更加明顯，從而直接影響工程投資。

由于廣東地區(qū)大多處于臺風區(qū)，大跨越輸電的設計風速普遍較大，因此工程投資受風荷載影響較為敏感;廣東地區(qū)大跨越輸電線路的跨距在1 000～1 500 m的占絕大多數(shù)，這種跨距使得其對導線的拉重比的要求不是特別高;特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線從1988年起在廣東地區(qū)使用，積累了一定的運行、施工和設計經(jīng)驗。

［1］桂重，潘春平.500 kV同塔四回路西江大跨越輸電導線選型研究［J］.廣東輸電與變電技術，2010，12(56):1-4.

［2］尤偉任.我國電力市場特種(增容)導線的發(fā)展和應用［C］//架空輸電線路導線新技術研討會.海南，中國:中國電力企業(yè)聯(lián)合會，2008:82-89.

［3］廣東省電力設計研究院.500 kV獅洋至五邑輸電線路工程初步設計第一卷第三冊西江大跨越設計說明書［R］.廣州:廣東省電力設計研究院，2009.

［4］王鋼，鄭永平.在吉陽長江大跨越輸電上續(xù)建三峽右岸直流線路的研究［J］.中國電力，2003，36(1):55-59.

［5］王鋼.架空輸電線路大跨越導線的應用研究［C］//架空輸電線路導線新技術研討會.海南，中國:中國電力企業(yè)聯(lián)合會，2008:27-40.

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［7］徐睿，黨朋，沈建華，等.三滬Ⅱ回直流工程吉陽大跨越用特高強度鋼芯高強度耐熱鋁合金導線的選型設計與研究［C］//新型架空輸電線技術與應用研討會.清遠，中國:中國電力企業(yè)聯(lián)合會，2010:228-244.

［8］李文浩，徐睿，劉斌.用于大跨越輸電的高強度耐熱鋁合金導線的研制［J］.電線電纜，2008(1):21-25.

［9］廣東省電力設計研究院.500 kV臺山電廠至香山送電線路工程初步設計第一卷第二冊崖門大跨越設計說明書［R］.廣州:廣東省電力設計研究院，2004.