特高強度鋼芯高強度耐熱鋁合金絞線在大跨越增容改造工程中的應(yīng)用

齊敦金，王克銀，許 彥

（國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司徐州勘測設(shè)計中心，江蘇 徐州 221005）

0 引言

依據(jù)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，為滿足地區(qū)負(fù)荷增長需求，優(yōu)化和加強220 kV 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)輸送容量，需對永勝—紹隆、普慶—紹隆220 kV線路夾江大跨越段的LHBGJ-400/95 鋼芯鋁合金芯導(dǎo)線進(jìn)行增容改造。

該工程位于揚中市夾江江邊，已運行15 年，采用“耐-直-直-耐”布置，跨越檔距999 m，南側(cè)錨塔距離跨越塔359 m，北側(cè)錨塔距離跨越塔323 m，均位于平地。耐張段全長1 681 m，為同塔雙回路架設(shè)。夾江跨越塔均為直立雙回柔性拉條鋼管塔，全高113 m，呼高90 m；導(dǎo)線為單根LHBGJ-400/95 加強鋼芯鋁合金絞線，架空地線為OPGW（光纖復(fù)合架空地線）復(fù)合光纜。

經(jīng)核算，若將該耐張段整體新建，動態(tài)投資約需4 000 萬，且夾江跨越段附近機場對新建線路的限高要求，水利管理部門對新建跨江線路的審核要求，均會制約工程建設(shè)。為節(jié)約工程投資，考慮利用原線路鐵塔、基礎(chǔ)進(jìn)行增容導(dǎo)線更換。

基于工程改造需求，本文調(diào)查了國內(nèi)一些大跨越工程和增容工程導(dǎo)線選型情況。根據(jù)我國幾十年來的大跨越輸電設(shè)計經(jīng)驗，目前廣泛應(yīng)用于大跨越輸電工程的導(dǎo)線主要有鋼芯鋁合金絞線、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[1]。用于大跨越增容改造工程的導(dǎo)線主要有：葛滬±500 kV 直流輸電線路吉陽大跨越采用的2×KTACSR/EST-630/360 特強鋼芯高強耐熱鋁合金導(dǎo)線[2]；葛洲壩—白家沖220 kV 大跨越采用的ACCC-300/60 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線[3]；江都—晉陵500 kV 線路鎮(zhèn)江大跨越采用的NRLH55/G5A-360/150 特高強度鋼芯高強度耐熱鋁合金絞線；鐘山—東渡220 kV 跨海通道增容改造用的KTACSR/UGS-407 超強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線[4]等。

結(jié)合大跨越工程案例和原線路的設(shè)計條件，本文規(guī)劃設(shè)計特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線JNRLH2/G5A-360/80、特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線JNRLH2/G4A-360/100、碳纖維復(fù)合芯鋁絞線JLRX/T-400/65 等3 種導(dǎo)線用于220 kV 大跨越工程增容改造。基于本工程增容需求、原線路桿塔設(shè)計條件、跨越夾江弧垂和線路防雷導(dǎo)地線間距要求等因素，經(jīng)比選論證，推薦JNRLH2/G4A-360/100 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線用于本工程夾江大跨越。為確保大跨越導(dǎo)線安全運行，做好其微風(fēng)振動防治工作，進(jìn)行了導(dǎo)線自阻尼試驗和防振錘功率特性試驗分析，為夾江大跨越工程的跨越檔、錨線檔提供了合理的防振方案。經(jīng)核算，本工程大跨越段增容改造動態(tài)投資約200萬，相較于新建整個耐張段，節(jié)約工程投資約3 800萬。而且減小了施工難度和政策處理難度，大大減少了停電時間，極大方便了工程順利投運。

1 增容導(dǎo)線選型邊界條件

本工程利用原線路鐵塔和基礎(chǔ)，僅更換導(dǎo)線，避雷線保持不變。因此，本工程主要原則是按照原線路設(shè)計條件執(zhí)行，考慮本工程增容目標(biāo)，歸納增容導(dǎo)線選型邊界如下：

（1）根據(jù)最新國網(wǎng)江蘇電力公司潮流分布數(shù)據(jù)，至2030 年，N-1 狀態(tài)下系統(tǒng)要求本線路最大輸送容量在320～340 MVA，考慮負(fù)荷預(yù)測計算誤差，推薦按照每回輸送容量達(dá)到420 MVA 進(jìn)行導(dǎo)線選型。

（2）根據(jù)原江蘇海事局批文中夾江通航要求，導(dǎo)線弧垂最低點56 年黃海標(biāo)高不低于26.68 m。

（3）根據(jù)DL/T 5485-2013《110～750 kV 架空輸電線路大跨越設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[5]有關(guān)規(guī)定，校驗氣溫＋15 ℃且無風(fēng)、無冰時檔距中央導(dǎo)線與地線的最小距離大于12 m。

（4）根據(jù)原線路桿塔設(shè)計條件和上述邊界條件，要求新規(guī)劃導(dǎo)線機械特性和電氣特性滿足表1 要求。

表1 新規(guī)劃導(dǎo)線主要技術(shù)要求

2 增容導(dǎo)線特性分析與比選

依據(jù)原線路設(shè)計文件、國內(nèi)一些大跨越工程導(dǎo)線選型情況、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]、導(dǎo)線廠家技術(shù)資料，對JNRLH2/G5A-360/80 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線、JNRLH2/G4A-360/100 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線、JLRX/T-400/65 碳纖維復(fù)合芯鋁絞線等3 種導(dǎo)線進(jìn)行比選。

2.1 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線

特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線具有強度高、拉重比大、弧垂特性好的特點[8]。本文推薦的導(dǎo)線采用4 級和5 級強度鍍鋅鋼線，絞前抗拉強度分別大于1 820 MPa 和1 910 MPa，1%伸長應(yīng)力大于1 550 MPa，A 級鍍鋅層，保證了絞線的拉重比。高強度耐熱鋁合金是耐熱性能好，具有高強度雙重特性的電工用鋁合金導(dǎo)體材料，該鋁合金制成的導(dǎo)線具有使用溫度高、耐熱性好、載流量大的特點[1]。本文推薦的導(dǎo)線采用NRLH2 等級的高強耐熱鋁合金絞線，抗拉強度大于238 MPa，伸長率最小值為1.8%，最小導(dǎo)電率55%IACS（國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)），允許連續(xù)運行溫度為150 ℃[8]。因此，特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線適合于大跨越及其增容改造線路工程。

2.2 碳纖維復(fù)合芯鋁絞線

碳纖維復(fù)合芯鋁導(dǎo)線具有強度大，耐熱性能好，高溫時溫度線膨脹系數(shù)小、高溫弧垂小、載流量大、相同鋁截面單重小等優(yōu)點[9-10]。本文推薦的導(dǎo)線采用碳纖維復(fù)合材料芯作為主要承力部件，額定抗拉強度大于2 100 MPa，絞線的拉重比大；外層導(dǎo)體采用軟鋁型線絞線，額定抗拉強度為60～90 MPa，最小導(dǎo)電率63%IACS，允許連續(xù)運行溫度為160 ℃。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線已在一些220 kV 和500 kV 線路工程上累積了數(shù)年應(yīng)用經(jīng)驗[11]，且有大跨越增容改造工程案例[3，12]，因此本工程也將其作為比選導(dǎo)線。

2.3 增容導(dǎo)線比選

本文給出了原線路導(dǎo)線和3 種比選導(dǎo)線詳細(xì)技術(shù)參數(shù)（見表2），從技術(shù)參數(shù)上看，它們的導(dǎo)線機械特性均能夠滿足技術(shù)要求。計算得到各種導(dǎo)線載流量見表3，按照載流量分析，3 種導(dǎo)線電氣特性也能夠滿足工程增容目標(biāo)。

表2 導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)

表3 導(dǎo)線載流量計算

根據(jù)原線路技術(shù)條件，原導(dǎo)線設(shè)計最高運行溫度為90℃。新規(guī)劃導(dǎo)線最高運行溫度均不低于150 ℃，在滿足輸送容量要求情況下，幾種導(dǎo)線弧垂情況見表4。從表4 可以看出，新規(guī)劃導(dǎo)線弧垂均不超過原線路弧垂。

表4 導(dǎo)線最大弧垂對比（檔距999 m）

從電氣特性分析，推薦的3 種導(dǎo)線均滿足本工程使用要求。根據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5485—2013[5]有關(guān)規(guī)定，校驗氣溫＋15 ℃且無風(fēng)、無冰時檔距中央導(dǎo)線與地線的距離。

表5 給出了幾種導(dǎo)線年平均運行條件下的弧垂。經(jīng)計算，JLRX/T-400/65 在當(dāng)前計算條件下不滿足要求，可通過放松導(dǎo)線、增大弧垂來滿足導(dǎo)地線間距離要求，但碳纖維導(dǎo)線施工缺陷不易發(fā)現(xiàn)且后果嚴(yán)重[12]，且現(xiàn)役線路中發(fā)生過碳纖維導(dǎo)線斷線情況，考慮大跨越工程的重要性，故不推薦使用。

表5 年平均運行條件下導(dǎo)線弧垂對比（檔距999 m）

參照國內(nèi)大跨越工程案例，絕大多數(shù)采用鋼芯鋁合金（耐熱鋁合金）絞線，鋼芯主要采用G3A及EST 強度等級的鍍鋅鋼線[8]。本工程所選用的特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線JNRLH2/G5A-360/80 和JNRLH2/G4A-360/100 雖然都滿足技術(shù)要求，但考慮到JNRLH2/G4A-360/100 輸送容量略有優(yōu)勢，單價稍低，故推薦特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線JNRLH2/G4A-360/100 用于本工程。

3 防振方案設(shè)計與試驗分析

大跨越工程的導(dǎo)線防振裝置一般是通過逐個試驗研究確定的，由于存在下列多個因素，本工程大跨越檔增加了導(dǎo)線防振工作的困難。

（1）本工程跨越檔距長，導(dǎo)線弧垂較大，達(dá)到58.5 m。由于是原線路增容改造，為控制導(dǎo)線弧垂，張力與原線路持平，年平均運行張力為20.5%，張力大、單導(dǎo)線這2 個因素將會導(dǎo)致導(dǎo)線自阻尼降低，從而加大導(dǎo)線的微風(fēng)振動。

（2）本工程跨越夾江，所處位置地形開闊，障礙物少，容易形成穩(wěn)定層流，致使導(dǎo)線容易形成穩(wěn)定的振動并且持續(xù)時間也增加。本工程較陸上段風(fēng)速增加10%，為30 m/s。

根據(jù)本文所選定的增容導(dǎo)線，參照現(xiàn)有大跨越工程案例，本次防振方案采用防振錘加阻尼線的聯(lián)合防振措施。對阻尼線進(jìn)行剝層處理，以降低阻尼線夾處導(dǎo)線的動彎應(yīng)變值，同時改變阻尼線夾的響應(yīng)頻率，改善防振方案的頻響特性。在懸垂線夾出口處安裝防振錘以加強防振方案低頻防振效果，通過防振錘和阻尼線的聯(lián)合使用可使整個防振方案性能達(dá)到最佳。具體防振方案見表6 和表7。

表6 跨越檔防振方案

表7 錨線檔防振方案

針對本工程防振方案設(shè)計，需進(jìn)行試驗驗證。根據(jù)Q/GDW 245—2010《輸電線路微風(fēng)振動檢測裝置技術(shù)規(guī)范》[13]附錄A，導(dǎo)線各夾固點的最大動彎應(yīng)變小于120 με。試驗過程中，分別設(shè)計了2種防振方案進(jìn)行試驗比選，阻尼線線夾出口試驗結(jié)果見表8 和表9。通過對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)整理分析，繪制防振方案頻響特性曲線見圖1、圖2。

圖2 導(dǎo)線錨線檔頻響特性曲線

表9 錨線檔防振試驗數(shù)據(jù)匯總

由表8 可知：方案2 懸垂線夾出口處最大動彎應(yīng)變出現(xiàn)在頻率14.31 Hz 處，為61 με；阻尼線線夾出口處最大動彎應(yīng)變出現(xiàn)在頻率60.84 Hz處，為112 με。從圖1 頻響特性曲線看，跨越檔所設(shè)計導(dǎo)線防振方案均能滿足設(shè)計防振要求，方案2 整體較優(yōu)，推薦采用。

圖1 導(dǎo)線跨越檔頻響特性曲線

表8 跨越檔防振試驗數(shù)據(jù)匯總

由表9 可知：方案2 耐張/懸垂線夾出口處最大動彎應(yīng)變出現(xiàn)在頻率30.101 Hz 處，為46 με；阻尼線線夾出口處最大動彎應(yīng)變出現(xiàn)在頻率46.23 Hz 處，為79 με。從圖2 頻響特性曲線看，所設(shè)計導(dǎo)線防振方案均能滿足設(shè)計防振要求，方案2整體較優(yōu)，推薦采用。

4 結(jié)語

本文結(jié)合原線路設(shè)計條件，圍繞工程增容目標(biāo)，參考國內(nèi)一些大跨越工程導(dǎo)線選型情況，對JNRLH2/G5A-360/80 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線、JNRLH2/G4A-360/100 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線、JLRX/T-400/65 碳纖維復(fù)合芯鋁絞線等3 種導(dǎo)線進(jìn)行比選，推薦JNRLH2/G4A-360/100 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞線用于本工程增容改造，可節(jié)省大量工程投資，縮短停電時間，提供更加經(jīng)濟合理的解決方案。

大跨越工程本身導(dǎo)線選型難度大，增容改造更加困難，在滿足對下方江面跨越距離和上方地線防雷距離的嚴(yán)苛要求下，選擇增容改造用導(dǎo)線則面臨諸多的技術(shù)難題。目前，國內(nèi)已有的此類工程案例大多所選導(dǎo)線容量增加30%～60%[2-3]，本文所采用的JNRLH2/G4A-360/100 特強鋼芯高強耐熱鋁合金絞增容近70%，具有推廣應(yīng)用價值。