重冰區特高壓直流線路大截面多分裂導線選型研究

周 唯，劉翰柱，謝 靜，梁 明

(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

重冰區特高壓直流線路大截面多分裂導線選型研究

周 唯，劉翰柱，謝 靜，梁 明

(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

選擇特高壓直流輸電線路工程的典型重冰區段為邊界條件，并根據系統規劃要求，開展大截面導線的電氣性能、機械特性和全壽命周期經濟性的比較分析。研究表明，大截面導線均能滿足機械特性的校核要求 ，但隨著冰區量級增大，年費用最優的推薦導線總截面呈減少趨勢。損耗小時數越低，減少分裂和減小截面的導線方案年費用優勢越明顯。

特高壓；直流輸電線路；重冰區；導線

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。

隨著中國多條特高壓直流輸電線路工程建設投運，同時開展了900 mm2、1 000 mm2、1 250 mm2等大截面導線研制及工程應用研究。從荷載方面來看，分裂根數越少，導線截面越大，導線抗冰能力越強，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，開展導線減少分裂數和縮截面研究；并提出滿足工程要求的設計技術方案，為后續工程的重冰區大截面導線選型積累經驗。

1 導線選型邊界條件

1.1 系統邊界條件

系統標稱電壓：±800kV；系統輸送功率：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風區、20 mm冰區；27 m/s風區、30 mm冰區；27 m/s風區、40 mm冰區。

1.2 導線選擇控制參數

特高壓直流輸電線路導線選型，是根據系統需要，按照經濟電流密度和系統輸送容量，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特高壓直流輸電線路的導線截面和分裂型式。

1.2.1 導線選型規范要求

根據GB 50790-2013《±800kV直流架空輸電線路設計規范》規定：±800kV直流線路下方最大地面合成場強的控制指標為30kV/m；鄰近民房的最大合成場強的控制指標為25kV/m；無線電干擾限值一般地區不超過58 dB(μV/m)。可聽噪聲限值：海拔1 000 m及以下地區不超過45 dB(A)；海拔高度大于1 000 m地區控制在50 dB(A)以下。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]。

表1 機械特性比較表

1.2.2 重冰區導線選型要求

重冰區線路導線須滿足設計規范提出的電磁環境控制限值要求，同時還應考慮機械特性滿足以下原則：不能制約整條線路的傳輸能力；要有較高的機械強度和過載能力；鋁股在冰荷載下的安全系數要高，以防止重冰區線路過載時斷股；弧垂特性優良，降低桿塔高度，并滿足電磁環境參數要求。

2 導線類型及分裂間距選擇

2.1 導線類型選擇

在進行導線型號的選取時，首先應立足于國內已有成功制造、施工和運行經驗的導線型式。根據導線制造標準GB/T 1179-2008《圓線同心絞架空導線》，并參考國際上常用的導線標準[2]，現初步選定表1所列7種常規導線型號作為比較用。

參比導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。次檔距振蕩是由迎風側子導線的尾流所誘發的背風側子導線的不穩定振動現象。一般認為分裂導線間保持足夠的距離就可以避免出現次檔距振蕩現象。根據國外研究，當分裂間距與子導線直徑之比S/d>16～18時，就可以避免出現次檔距振蕩。

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>16～18。但根據國外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。根據上述情況，結合中國超高壓線路的設計、運行經驗及本工程電磁環境計算結果，S/d值暫按不小于10控制，工程具體實施時，進一步優化間隔棒布置方案，以抑制導線的次檔距振蕩等問題[3]。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2選取。

表2 導線分裂間距及S/d值一覽表

注：d為子導線直徑，mm。

3 電氣特性

3.1 導線總截面的選取

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進行設計。鑒于±800kV直流輸電線路的發展趨勢，按系統輸送容量10 000 MW開展導線選型，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，則導線總鋁截面不小于7 000 mm2。

3.2 導線表面電場強度

一般認為直流線路導線起暈場強和交流線路起暈場強的峰值相同，可以將皮克(peek)公式轉換為直流型式，計算各種導線在海拔1 000、2 000、3 000、3 500 m時的起始電暈電場強度見表3。

表3 導線起始電暈電場強度E0表(晴天)

按經典公式校核導線表面平均最大電場強度，由于比選導線直徑很大，極導線方案的表面最大電場強度均小于起始電暈電場強度E0，即在大部分時間內，導線不處于電暈狀態。

3.3 無線電干擾

GB 50790-2013《±800kV直流架空輸電線路設計規范》推薦的無線電干擾場強的經驗公式和國際無線電干擾特別委員會CISPR的公式是一致的。這里采用CISPR公式進行無線電干擾場強的預估計算。各種極導線組合方案的無線電干擾計算結果見表4。

表4 導線無線電干擾計算結果 單位：dB(1μV/m)

注：表中為采用極間距20 m，導線對地高度23 m的計算值。

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

3.4 可聽噪聲

GB 50790-2013《±800kV直流架空輸電線路設計規范》推薦采用BPA及EPRI的兩種計算公式，這里采用EPRI計算公式。

各種極導線組合方案和不同海拔下的可聽噪聲值見表5。

表5 導線可聽噪聲計算表格dB(A) 單位：dB(A)

注：導線平均高度23 m，極間距20 m。

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

4 20 mm重冰區導線選型

根據系統輸送容量10 000 MW開展導線選型，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，則導線總鋁截面不小于7 000 mm2。10 mm輕冰區和15 mm中冰區導線通過年費用最小法進行綜合技術經濟比較，推薦年費用最低的8×JL/G2A-1 250/100鋼芯鋁絞線導線方案，分析過程這里不作詳細闡述。主要針對20 mm、30 mm重冰區導線進行比選。

4.1 20 mm冰區機械特性

參與比選的各導線弧垂、過載能力詳見表6。導線荷載的比較詳見表7。

表6 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7 20 mm冰區導線荷載一覽表

表6、表7的20 mm重冰區各導線方案的過載能力大于35 mm，滿足20 mm重冰區設計要求，且6分裂導線方案的桿塔荷重明顯低于8分裂導線。

4.2 20 mm冰區年費用比較

4.2.1 本體投資測算

按目前設計原則及假定工程邊界條件，對20 mm冰區各導線方案的初期投資進行估算，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風區、20 mm冰區氣象條件的典型區段進行估算得來。

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

4.2.2 年費用比較分析

雖然6分裂導線方案初期投資較優，但是導線總截面較小，電能損耗較高。對于特高壓直流長距離大負荷運行而言，隨著損耗時間和運行時間的累積，電能損耗引起的投資流失將逐級增大。考慮實際運行后的經濟性采用年費用比較法，進一步分析20 mm冰區各導線方案的最優選型。

注：圖中1～6號導線型號及基準本體詳見表8。

工程材料價格波動會影響本體投資的浮動，在此分析20 mm冰區不同本體投資水平下，各種導線方案的年費用對比情況。按照20 mm冰區各導線方案的單公里本體投資(詳見表8)作為基準本體進行比較測算。計算條件為：回收率8%；損耗小時數3 000 h；電價為0.4元/kWh。計算結果如圖1所示。

計算條件為：回收率8%；損耗小時數4 000 h；電價為0.4元/kWh。計算結果如圖2所示。

注：圖中1～6號導線型號詳見表8，20 mm基準本體462.5萬元/km。

根據圖1～圖3的各導線方案投資變化趨勢比較結果可知，本體投資增減在-100萬元～100萬元的范圍內，對不同電價及回收率進行了測算分析，20 mm冰區年費用最低的導線為6×JL/G2A-1 250/100鋼芯鋁絞線方案。

通過上述方案比選，各種方案的導線弧垂特性和過載能力都能滿足20 mm重冰區的設計要求，從經濟最優考慮，推薦6×JL/G2A-1250/100鋼芯鋁絞線作為20 mm重冰區導線方案。

圖3 20 mm冰區不同電價及回收率的導線年費用

5 30mm、40mm重冰區導線選型

5.1 30mm、40mm重冰區機械特性

30mm及以上重冰區線路運行經驗表明，導線上主要發生懸垂線夾處的導線斷股事故。因此在重冰區導線選擇中應選取強度較大、鋁股受力好的導線；并且適當提高導線安全系數，盡量降低鋁股應力，提高線夾握力均勻性。根據重冰線路設計、運行經驗，在30 mm及以上重冰線路，導線均采用鋼芯鋁合金絞線[4]。參與比選的各導線弧垂、過載能力詳見表9。

表9 導線弧垂、過載性能一覽表

導線荷載的比較以40 mm冰區為例詳見表10。

表10 40 mm冰區導線荷載一覽表

通過表9、表10的30 mm、40 mm重冰區各導線方案的機械特性計算比選可見，大截面鋼芯鋁合金絞線過載能力大于60 mm，機械特性優秀，均能滿足30 mm、40 mm重冰區設計要求；并留有較大裕度，則重冰區各導線方案長期運行的經濟性將是導線方案的選型要點[5]。

5.2 年費用比較

5.2.1 本體投資測算

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

表11 30 mm冰區本體投資及投資差額比較

注：本體投資由選取27 m/s風區、30 mm冰區氣象條件的典型區段進行估算得來。

表12 40 mm冰區本體投資及投資差額比較

注：本體投資由選取27 m/s風區、40 mm冰區氣象條件的典型區段進行估算得來。

通過表11和表12的典型區段投資估算比較可見，少分裂小截面導線仍然具有初期投資低的優點，需采用年費用比較法，進一步分析30mm、40mm冰區各導線方案的綜合經濟性。

5.2.2 年費用比較分析

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

1)30 mm冰區年費用比較

按照30 mm冰區各導線方案的單公里本體投資(詳見表11)作為基準本體進行比較測算。計算條件為：回收率8%，損耗小時數3 000 h，電價為0.4元/kWh，計算結果如圖4所示。

注：圖中1～6號導線型號及基準本體詳見表11

以40 mm冰區各導線方案的單公里本體投資(詳見表12)作為基準本體進行比較測算。計算條件為：回收率8%；損耗小時數4 000 h；電價為0.4元/kWh。計算結果如圖5所示。

注：圖中1～6號導線型號及基準本體詳見表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。對不同電價及回收率進行了測算分析，30 mm冰區年費用最低的導線為6×JLHA4/G2A-1 120/90鋼芯鋁合金絞線。

2)40 mm冰區年費用比較

分析40 mm冰區不同本體投資水平下各種導線年費用對比情況。

圖6 30 mm冰區不同電價及回收率的導線年費用

計算條件為：回收率8%；損耗小時數3 000 h；電價為0.4元/kWh。計算結果如圖7所示。

注：圖中1～6號導線型號詳見表12，40 mm基準本體1632.1萬元/km。

計算條件為：回收率8%；損耗小時數4 000 h；電價為0.4元/kWh。計算結果如圖8所示。

注：圖中1～6號導線型號詳見表12，40 mm基準本體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，對不同電價及回收率進行了測算分析，40 mm冰區年費用最低的導線為6×JLHA4/G2A-1 000/80鋼芯鋁合金絞線。

圖9 40 mm冰區不同電價及回收率的導線年費用

通過上述方案比選，各種方案的導線弧垂特性和過載能力都能滿足30 mm、40 mm重冰區機械特性的強度要求。通過年費用比較分析，在不同投資不同電價及回收率下，30 mm冰區6×JLHA4/G2A-1 120/90鋼芯鋁合金絞線最優，而40 mm冰區6×JLHA4/G2A-1 000/80鋼芯鋁合金絞線最優。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重冰區的推薦導線方案。

6 結 論

1)在滿足系統輸送容量的前提下，各重冰區推薦的大截面導線均能滿足機械特性的校核要求，隨著冰區量級增大，年費用最優的推薦導線總截面呈減少趨勢。20 mm冰區較10 mm和15 mm冰區減少了分裂數，30 mm和40 mm冰區均減小了導線截面。

2)對不同冰區3 000 h、4 000 h損耗的年費用趨勢進行比較，損耗小時數越低，減少分裂和減小截面的導線方案年費用優勢越明顯。

3)大截面鋼芯鋁絞線已在特高壓直流輸電線路設計中廣泛應用，鋼芯中強度鋁合金絞線在節約電能、減少損耗和降低年費用等方面具有顯著優勢，在重冰區特高壓直流輸電線路中具有廣泛的應用前景[6]。

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

[2] GB/T 1179-2008，圓線同心絞架空導線[S].

[3] 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.

[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.

周 唯(1982)，碩士、高級工程師，從事輸電線路技術設計工作；

劉翰柱(1978)，學士、高級工程師，從事輸電線路技術設計工作；

謝 靜(1981)，碩士、高級工程師，從事輸電線路技術設計工作；

梁 明(1973)，學士、教授級高級工程師，從事輸電線路技術研究及設計工作。

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)