高壓架空輸電線路大跨越導線選型研究

薛 磊

（福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州）

引言

2020 年我國提出“碳達峰”和“碳中和”目標后，國內新能源裝機規模屢創新高，其中大量新能源光伏項目落地日照時間較長的西北地區，為使清潔能源順利上網消納，需配套建設大量長距離輸電線路，將電能輸送至東部用電負荷大的區域。

我國幅員遼闊，擁有七大水系，由北至南依次為松花江水系、遼河水系、海河水系、黃河水系、淮河水系、長江水系、珠江水系。輸電線路作為線性工程，為節省投資，避免大范圍、長距離的繞行，當與上述水系或海峽交叉時，經常會采用大跨越方式，在適宜的位置進行跨越。

本文以某500kV 大跨越工程為例，對大跨越導線選型進行對比分析，推薦出技術經濟最優的導線型號。

1 跨越方案選擇

1.1 大跨越定義

大跨越是指線路跨越通航江河、湖泊或海峽等，因檔距較大（在1 000 m 以上）或桿塔較高（在100 m以上），導線選型或桿塔設計需特殊考慮，且發生故障時嚴重影響航運或修復特別困難的耐張段[1]。

1.2 大跨越方案選擇

大跨越線路與常規線路相比，對設計水平、施工技術的要求更高，單位投資也更大，因此，一般需經過充分對比，在具有明顯優勢的情況下才會推薦采用大跨越進行設計。

大跨越設計選線階段，設計人員需赴現場進行實地踏勘，盡量選擇跨越水面距離短、周邊相對開闊且有地形優勢可利用的點位來規劃跨越塔塔位，同時需結合電網規劃，為遠景線路預留足夠空間，避免對大跨越資源造成浪費。

選定大跨越塔位后，需對各類導線方案進行技術經濟性比較。

2 導線選型主要原則

一般情況下，在導線選型時按允許載流量選擇，與本線路常規段允許的最大輸送容量相配合，再根據電氣、機械性能、制造供貨及已有運行經驗等情況，結合工程實際條件，通過綜合技術經濟比較確定。

3 導線類型選擇

常用的特殊導線如加強鋼芯鋁絞線，加強（特高強）鋼芯耐熱鋁絞線、加強（特高強）型鋼芯鋁合金絞線，鋁包鋼絞線等，均有各有優劣，其特性如下。

（1） 特高強鋼芯高強耐熱鋁(鋁合金)絞線

耐熱鋁合金線長期工作溫度允許150 ℃，短期工作溫度可達230 ℃，其允許載流量比同等截面鋼芯鋁絞線提高約35%，廣泛應用于舊線路改造。為了減少桿塔荷載，鋼芯耐熱鋁合金絞線也時常作為大跨越導線。但這種導線用于大跨越也有顯著的不足，即其弧垂特性較差，因受鋼絲的疲勞極限的限制，受力時弧垂無法得到有效控制；另外其弧垂隨運行溫度提高增加很快。以上兩點原因將導致用于大跨越時跨越塔呼高增加，技術經濟性不占優勢，因此該導線更多用于常規線路增容改造使用。

（2） 特高強鋼芯鋁合金絞線

鋁合金線的抗拉強度比硬鋁線顯著提高，載流能力與鋼芯鋁絞線相差不大，弧垂特性好，線路覆冰嚴重地區常使用該導線。早在2019 年國內研制的鋁合金材料抗拉強度就已提高至950 MPa，鋼絲抗拉強度較早期制造工藝也取得長足的進步，使得特高強鋼芯鋁合金絞線的技術參數優點更加突出，在1 000 m 跨距以上的大跨越工程中有明顯的技術經濟優勢，因此，近年來500kV 及以上電壓等級重要的大跨越工程基本都采用了特高強鋼芯鋁合金絞線，已積累了豐富的設計運行經驗。

（3） 鋁包鋼絞線

鋁包綱絞線載流能力大于鋼絞線，抗拉強度接近于鋼絞線，防腐性能好。國內鋁包鋼絞線生產水平已接近國外先進水平，產品規格齊全，導電率有：14%、20.3%、23%、27%、30%、35%、40%七種，拉重比在12.9～18.9 之間，弧垂特性好。我國有不少大跨越工程采用了該種導線。但鋁包鋼絞線美中不足的是電能損耗大，一般情況下，鋁包鋼絞線的直流電阻比鋼芯鋁（合金）絞線高，用于交流線路時，交直流電阻比大，導致電能損耗大。案例工程輸送容量大，不適宜用電能損耗大的導線，因此不選擇鋁包鋼絞線進行比選。

綜上，推薦案例工程選用不同截面的特高強鋼芯鋁合金絞線進行導線比選。

4 載流量比較

根據架空輸電線路設計規范中相關公式，計算各導線方案允許載流量和極限輸送容量結果見表1。

表1 載流量比較情況表（A）

正常運行工況，案例500kV 大跨越工程單回線路輸送容量約2 329 MVA，在某特殊工況下，要求單回輸送容量約為3 781 MVA，否則需調整電網運行方式。因此從計算結果可知，極限輸送容量隨導線截面的增大而增大，所選導線方案均滿足正常運行情況下輸送容量要求，其中鋁合金截面為500 mm2的導線在某特殊工況下，需調整電網運行方式，其余鋁合金截面導線可滿足各工況運行方式。

5 機械性能比較

5.1 導線弧垂

檔內弧垂主要與導線型號、安全系數、年平均運行應力、導線拉重比有關，其中前幾項影響因子取值相同的情況下，檔內弧垂主要受導線拉重比控制，見表2。

表2 拉重比對比表

案例工程各跨越方案最大跨越檔檔距范圍是1 156～1 686 m，根據國內外110kV 至500kV 大跨越線路的設計經驗，得到大跨越弧垂特性與跨越檔距的函數為“當L＞1 000 m 時，取拉重比△＞12；當L＞1 500 m 時，取拉重比△＞15”，由表2 可知，所選導線均滿足該要求。當鋁合金總截面相同時，隨著特強鋼芯截面增大，導線拉重比逐漸增大，弧垂特性逐漸變好，可有效減少跨越檔弧垂，降低跨越塔呼高。

5.2 導線年平均運行應力

導線平均運行應力的取值，不僅影響直線跨越塔的塔高，而且直接影響導線本身的安全運行[2]。國內EDS 占UTS 的百分比基本處于17.7～25%，其中以20.5%以上居多，國外的大跨越水平平均運行應力與UTS 比值在18%～23%居多，據了解這些工程運行良好，經計算導線懸掛點鋁合金部應力均不大于9 kg/mm2，因此推薦案例工程導線年平均運行張力按不大于20%RTS控制，并按照懸掛點鋁合金部應力不大于9 kg/mm2校核。

6 電磁環境比較

架空輸電線路的電磁環境主要包括電場效應、可聽噪聲、無線電干擾等方面。案例工程海拔未超過1 000 m，經計算電磁環境均未超過以下限值。

地面合成場強限值：當線路臨近民房時，房屋所在位置離地面1.5 m 處未畸變電場不得超過4kV/m。

無線電干擾限值：海拔1 000 m 及以下地區，距離500kV 線路邊相導線水平投影外側20 m 處、離地2 m 且頻率為0.5 MHz 時，無線電干擾設計控制值不應大于55dB（μV/m）。

可聽噪聲限值：海拔1 000 m 及以下地區，距離500kV 線路邊相導線地面水平投影外側20 m，濕導線的可聽噪聲設計控制值不應大于55dB（A），并應符合環境保護主管部門批復的聲環境指標[3]。

7 年費用比較

按電力工業部(82)電計字第44 號文《頒發“電力工程經濟分析暫行條例”的通知》第十五條經濟計算-年費行最小法，計算公式為：

式中：

NF-年費用(平均分布在m+1 到m+n 期間的n 年內)

Z-折算到第m 年的總投資

μ-折算年運行費用

m-施工年數

n-經濟使用年數

t-從工程開工這一年起的年份

t'-工程部分投產的年份

ro-電力工程投資的回收率。

根據案例工程的實際情況，按以下原則計算年費用：

(1) 考慮開工年為2023 年，投產為2025 年，建設期2 年經濟使用年限為40 年計；

(2) 按第一年投資60%，第二年投資為40%；

(3) 年損耗小時數按5 700 小時計；

(4) 設備運行維護率為2%；

(5) 電力工程回收率按8%計；

(6) 上網電價按0.41 元/kW·h 計；

(7) 僅對本體建設差異部分計算年費用，各方案相同投資部分不參與計算。

根據上述原則年費用計算如表3。

表3 各導線方案年費用計算對比表（A）

由表3 可見，年費用最優的導線為JLHA1/G4A-720/320，其次為JLHA1/G4A-640/290。其中JLHA1/G4A-720/320 導線一次性建設投資最多，滿足各工況使用，但運行經驗略少，因此案例大跨越工程推薦導線采用JLHA1/G4A-640/290 型特高強鋼芯鋁合金導線。

8 結論

高壓架空輸電線路大跨越工程宜選用運行經驗豐富的導線類型，根據線路各運行工況需要輸送的最大潮流，初選出適用的導線截面區間，再根據導線機械性能，結合工程實際桿塔落點，試算各導線對應桿塔呼高，最后通過綜合技術經濟比較選擇年費用最優導線。