特高壓直流輸電線路1 250 mm2截面導線選型研究

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(西南電力設計院，四川 成都 610021)

0 引 言

近年來，國家電網公司從中國能源戰略高度出發，綜合分析中國能源分布、能源傳輸需求和發展變化趨勢，確定了建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強智能電網。眾所周知，特高壓直流輸電線路具有輸送容量大、送電距離遠、輸電損耗小、節省線路走廊等優點。國家電網公司先后開工建設了±660 kV寧東—山東、±800 kV向家壩—上海、±800 kV錦屏—蘇南、±800 kV哈密—鄭州以及±800 kV寧東—浙江等特高壓直流輸電線路工程,同時開展了720、900、1 000、1 250、1 520 mm2等大截面導線研制及工程應用研究。

特高壓直流輸電線路導線選型及分裂形式研究是特高壓直流輸電技術的重要課題，它對線路的輸送容量、傳輸性能、環境問題包括電場效應(靜電場、合成場強、離子流密度、人或物體的感應電壓)、無線電干擾、電視干擾及可聽噪聲等、對線路走廊寬度及房屋拆遷范圍、對輸電線路的技術經濟指標都有很大的影響。因此，進行特高壓直流輸電線路導線截面及分裂形式的研究對攻克特高壓輸電線路技術難關和降低造價有著十分深遠的意義。

特高壓直流線路架線工程投資一般占本體投資的30%左右，再加上導線方案變化引起的桿塔和基礎工程量的變化，其對整個工程的造價影響是極其巨大的，直接關系到整個線路工程的建設費用以及建成后的技術特性和運行成本，所以在整個輸電線路的技術經濟比較中，應該對導線的截面和分裂型式進行充分的技術經濟比較，推薦出滿足技術要求而且經濟合理的導線截面和分裂型式。通過對1 250 mm2截面多種線型開展詳細的技術經濟比較分析，提出特高壓直流輸電線路1 250 mm2截面導線選型推薦方案，希望能對中國電網工程設計起到一定的借鑒和幫助作用。

1 導線選擇控制參數

輸電線路的導線截面和分裂型式，宜根據系統需要按照經濟電流密度選擇，也可根據系統輸送容量，結合不同導線的材料結構進行電氣和機械特性等比選，并應滿足可聽噪聲和無線電干擾等技術條件的要求，通過年費用最小法進行綜合技術經濟比較后確定。

根據中國GB 50790-2013《±800 kV直流架空輸電線路設計規范》規定，鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線的允許溫度可采用+70 ℃(大跨越不得超過90 ℃)，鋼芯鋁包鋼絞線(包括鋁包鋼絞線)的允許溫度可采用+80 ℃(大跨越不得超過100 ℃)；鋼絞線的允許溫度可采用125 ℃。合成場強和離子流密度：±800 kV直流線路下方最大地面合成場強的控制指標為30 kV/m。鄰近民房的最大合成場強的控制指標為25 kV/m；線路下方離子流密度的控制指標為一般地區為100 nA/m2，居民區為80 nA/m2。地面磁場強度：對直流磁場，國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)導則給出一般公眾的磁場暴露參考水平(1 Hz以下)為40 mT。實際情況下直流磁場對人的影響比交流磁場小得多。而且實際計算結果遠遠小于此參考值，故不必考慮磁場干擾影響問題。無線電干擾限值：距直流架空輸電線路正極性導線對地投影外20 m處由電暈產生的0.5 MHz無線電干擾場強80%//80%值，一般地區不超過58 dB(μV/m)。海拔1 000 m以上，按照每增加300 m，增加1 dB(μV/m)修正。可聽噪聲限值：海拔1 000 m及以下地區，距直流架空輸電線路正極性導線對地投影外20 m處由電暈產生的可聽噪聲(L50)不超過45 dB(A)；海拔高度大于1 000 m且線路經過人煙稀少地區時，控制在50 dB(A)以下。機械強度：導線設計安全系數不小于2.5，懸掛點的設計安全系數不小于2.25，平均運行應力不大于拉斷應力的25%。驗算覆冰氣象條件時，弧垂最低點的最大張力不超過拉斷力的60%，懸掛點的最大張力不超過拉斷力的66%[1]。

2 分裂間距選擇

從電氣方面看，導線存在最佳分裂間距，使得表面電場強度最小，但根據計算分析，限制次檔距振蕩要求的分裂間距才是控制條件。

限制次檔距振蕩要求的分裂間距與最佳電氣性能要求的分裂間距是矛盾的，中國已建500 kV交、直流線路的S(截面)/d(直徑)比值在13.80～18.7，但由于特高壓線路導線的分裂數較多，電氣要求又比較苛刻，因此布置上要比500 kV線路困難得多，一般難以滿足上述要求。由于特高壓線路由于分裂根數的增加，在采用大截面導線時，很難保證S/d>13.8～18。但根據國內外已建特高壓直流線路設計和運行的情況分析，S/d的比值在10～18之間也能滿足線路的安全運行。同時，次檔距振蕩還可通過采用適當增加間隔棒安裝數量的方法加以限制。根據國內外已建工程情況和有關研究成果，推薦特高壓直流線路1 250 mm2截面導線分裂間距按表1選取。

表1 導線分裂間距及S/d值一覽表

注：d為子導線直徑，mm。

3 導線選擇類型

中國超高壓、特高壓輸電線路采用的大截面導線類型包含：鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁型線絞線、鋁合金絞線、鋁合金芯鋁型線絞線等線型。

3.1 鋼芯鋁絞線

鋼芯鋁絞線是由硬圓鋁線及鍍鋅鋼線組合絞制而成，它是輸電線路最常用的一種導線。這里選取了JL1/G3A-1250/70和JL1/G2A-1250/100兩種1 250 mm2截面的鋼芯鋁絞線參與導線選擇比較[3]。

3.2 鋼芯鋁型線絞線

國家電網公司和中國電科院組織相關導線生產廠家補充開展了1 250 mm2大截面型線導線的研制工作。根據研制情況，這里選擇了JL1X1/G3A-1250/70和JL1X1/G2A-1250/100兩種大截面鋼芯鋁型線絞線參與導線選型比較。

3.3 鋁合金絞線

目前在世界許多國家的輸電線路上已廣泛使用鋁合金導線，它們主要是高強度鋁合金線。為了在一般輕、中冰區線路中采用鋁合金導線，國內外開發了LHA3中強度鋁合金線，其導電率為58.5%IACS，允許溫度為90 ℃。這里選擇了6×JLHA3-1350中等強度鋁合金絞線參與導線選擇比較[2,4]。

表2 機械特性比較表

3.4 鋁合金芯鋁型線絞線

將鋼芯鋁絞線中的鋼芯換為鋁合金，可降低導線電阻，減少能損，即新型節能導線。這里選擇了與JL1/G2A-1250/100鋼芯鋁絞線的電氣性能、結構型式相近的JL1X1/JLHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線進行比較[5]。

三種導線的機械特性比較詳見表2所示。

4 導線基本電氣性能計算

導線電氣性能的計算主要包括導線電流密度、過負荷溫度、傳輸功率及功率損耗等，并對參選導線方案進行計算比較。雙極直流輸電線路電力線和帶電離子分布詳見圖1所示。雙極直流輸電線路地面電力線解析圖詳見圖2所示。

特高壓直流輸電線路導線選擇的關鍵因素之一是使電磁環境參數滿足設計規范要求的限值。通過對各種導線方案，進行合成場強、無線電干擾和可聽噪聲的估算，參選各大截面導線方案在電氣性能各方面指標均滿足GB 50790-2013《±800 kV直流架空輸電線路設計規范》規定的電磁環境限值要求。三種導線的電氣特性參數詳見表3所示。

圖1 雙極直流輸電線路電力線和帶電離子分布示意圖

圖2 雙極直流輸電線路地面電力線解析圖

序號123456導線型號JL1/G3A-1250/70JL1X1/G3A-1250/70JL1/G2A-1250/100JL1X1/G2A-1250/100JL1X1/LHA1-800/550JLHA3-1350分裂數666666電流密度 /(A·mm-2)0.6660.6610.6680.6620.6160.616過負荷導線溫度 /℃64.363.964.664.164.564.3傳輸效率 /%95.3095.3095.2095.295.495.6導線表面最大電場強度 /(kV·cm-1)18.3919.6318.2219.4518.6218.22地面合成場強 /(kV·m-1)26.9526.8826.5926.8426.7126.59地面離子流 /(nA·m-2)34.8234.5533.4734.433.9233.47電阻功率損 耗 /(kW·km-1)102.866102.738103.308102.892101.74399.155電暈損耗 /(kW·km-1)11.8212.6611.5312.4712.0511.53無線電干擾 /dB53.353.753.253.753.553.2可聽噪聲 /dB40.1243.0339.842.641.139.8

注：表中各性能中合成場強、地面離子流特性的計算導線高度取18 m，其余各特性導線對地高取平均高23 m，極間距離取16.5 m，海拔高度為2 000 m，晴天。

表4 導線弧垂、過載性能一覽表

注：過載時，導線最低點的最大張力達到其計算拉斷力60%時相應的計算覆冰厚度。

表5 導線荷載一覽表

注：采用4聯550 kN耐張串時，JL1/G2A-1250/100導線的安全系數需放松為2.55，最大荷載時安全系數大于2.7，滿足強度要求。根據弧垂特性計算情況，檔距800 m時，15 mm、20 mm冰區的弧垂增加約1 m，對塔高影響較小。

表6 本體投資及投資差額比較 注：單位(萬元/km)

5 導線機械性能比較

比選導線的最大應力、年均應力、安全系數、鋁鋼截面比、過載冰厚、最大弧垂40 ℃及導線荷載等比較詳見表4和表5。

所選6種導線而言，電磁環境限值指標不是導線選擇的控制條件，對于15 mm、20 mm(中、重)冰區導線，主要受導線機械性能控制。通過以往大量輸電線路10 mm、15 mm、20 mm(中)、20 mm(重)冰區導線設計及運行經驗，從線路的安全運行、導線的機械和電氣性能方面考慮，在10 mm輕冰區的平丘地段建議采用JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線、JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線，在平丘及一般山地段可采用節能新型JL1X1/LHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線；在10 mm山區段、15 mm、20 mm(中、重)冰區均可采用JL1/G2A-1250/100鋼芯鋁絞線、JL1X1/G2A-1250/100鋼芯鋁型線絞線、JLHA3-1350全鋁合金絞線等導線型式。

6 導線經濟性比較

對于每一種導線方案，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各導線方案初期本體投資進行估算，重點比較導線投資的差額。這里按目前設計原則及假定工程邊界條件，對各導線方案的初期投資進行估算，本體投資及投資差額比較詳見表6所示。

根據導線的年費用比較，年費用最低的是JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線，其次是JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線，再次是JL1X1/LHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線。通過導線價格變化對年費用敏感性進行分析，在考慮不同導線對鐵塔及基礎工程量產生影響的條件下，即按照型線和圓線分別設計鐵塔，在鋼芯鋁型線的單價不高于同型號圓線鋼芯鋁絞線單價的10%時，采用鋼芯鋁型線絞線具有長期運行經濟性。同樣，對于JL1/LHA2-800/550鋁合金芯鋁型線絞線，其機電性能滿足工程要求，在目前導線單價情況下，其年費用高于圓線和鋼芯鋁型線絞線，當其單價下降7%左右時，其年費用將低于圓線和鋼芯鋁型線絞線[6]。

7 結 論

通過電氣性能、機械性能及對鐵塔荷載設計的影響，綜合設計、桿塔規劃、導線制造、架線施工、運行維護及經濟性等多方面因素，并結合中國國情和自然條件的實際情況，建議采用1 250 mm2大截面導線輸電的特高壓直流線路工程，在10 mm冰區的平丘地形推薦采用JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線；在一般山地及15 mm、20 mm中、重冰區推薦采用JL1/G2A-1250/100鋼芯鋁絞線，導線分裂間距均為500 mm。在交通運輸方便地區，可適當選用JL1X1/G3A-1250/70、JL1/G2A-1250/100鋼芯鋁型線絞線作為輸電導線，為以后特高壓直流輸電線路設計應用積累工程經驗。

[1] GB 50790-2013,±800 kV直流架空輸電線路設計規范[S].

[2] 何健,陳光.新型鋁合金芯鋁絞線在輸電線路中的應用[J].吉林電力,2011,15(2):45-49.

[3] GB/T 1179-2008，圓線同心絞架空導線[S].

[4] 葉鴻聲. 中強度全鋁合金導線在輸電線路中的應用[J].電力建設,2010,31(12):10-20.

[5] 萬建成,李健,陳媛,等.鋁合金芯鋁型絞線在大容量直流線路中的應用[J].電力建設, 2013,34(8):105-106.

[6] 布春磊,周海鷹,江明.特高壓直流輸電線路大截面鋼芯鋁絞線選型研究[J].電力建設, 2013,34(9):102-104.