特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線在大跨越輸電工程中的應(yīng)用

謝榮坤，潘春平，桂重

(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州市，510663)

0 引言

當(dāng)架空輸電線路跨越通航大河流、湖泊或海峽時(shí)，因檔距較大(1 000 m以上)或塔高較高(100 m以上)，導(dǎo)線選型或塔的設(shè)計(jì)需特殊考慮，且發(fā)生故障時(shí)嚴(yán)重影響航運(yùn)或修復(fù)特別困難的耐張段即為大跨越輸電工程。我國(guó)江湖河海眾多，隨著電網(wǎng)建設(shè)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(shè)勢(shì)必逐漸增多。導(dǎo)線選型是大跨越輸電工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，既影響工程建設(shè)的一次性投資，又決定著線路建成后長(zhǎng)期運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［1］。

特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)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(diǎn)，非常適用于大跨越輸電工程［2］。本文對(duì)該種導(dǎo)線在大跨越輸電工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，并以廣東某新建輸電工程為例，對(duì)各種導(dǎo)線型式進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較。比較結(jié)果表明，該導(dǎo)線能夠有效減小桿塔風(fēng)荷載，降低工程造價(jià);對(duì)于設(shè)計(jì)風(fēng)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(shì)。

1 特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線的應(yīng)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(qiáng)度比普通導(dǎo)線更大的特殊線型以提高導(dǎo)線的拉重比。隨著導(dǎo)線生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷提升，適用于大跨越輸電工程的導(dǎo)線種類(lèi)也越來(lái)越多。根據(jù)我國(guó)幾十年來(lái)的大跨越輸電設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，目前仍被廣泛應(yīng)用于大跨越輸電工程的導(dǎo)線主要有:高強(qiáng)鋼芯(耐熱)鋁合金絞線、特強(qiáng)鋼芯(耐熱)鋁合金絞線、特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)鋁合金絞線以及鋁包鋼絞線等［3］。

早在1980年，特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線就被應(yīng)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(dǎo)線被首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)500 kV輸電線路［5］。此后，特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線在國(guó)內(nèi)多項(xiàng)大跨越輸電工程中得到了應(yīng)用，其中在廣東地區(qū)應(yīng)用尤為廣泛。

廣東省河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，尤其是在用電負(fù)荷大、高壓線路密集的珠三角地區(qū)，架空輸電線路勢(shì)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(xiàng)，其中19項(xiàng)采用特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線，多年來(lái)這些工程運(yùn)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(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線的使用情況。

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2 特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線的特點(diǎn)

(1)強(qiáng)度高。特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線的鋼芯采用抗拉強(qiáng)度≥1 770 MPa、1%伸長(zhǎng)應(yīng)力≥1 550 MPa、鍍鋅層質(zhì)量≥260 g/m2的特高強(qiáng)度鍍鋅鋼線(EST)，保證了絞線的拉重比。在21世紀(jì)初，以三峽輸電工程蕪湖長(zhǎng)江大跨越為依托，國(guó)內(nèi)導(dǎo)線制造廠家對(duì)EST線進(jìn)行了相關(guān)的攻關(guān)研究，該大跨越輸電工程最終采用AACSR/EST-450/200型特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)鋁合金絞線［6］。隨著電網(wǎng)建設(shè)的日益發(fā)展、導(dǎo)線生產(chǎn)技術(shù)的逐步成熟，EST線后來(lái)在國(guó)內(nèi)又和(高強(qiáng))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(dǎo)線。目前，EST線作為一種特強(qiáng)鋼芯在國(guó)內(nèi)輸電線路中的使用日趨廣泛。

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

(3)由特強(qiáng)鋼芯和高強(qiáng)耐熱鋁合金組合制成的絞線無(wú)疑在強(qiáng)度和輸送容量上有著巨大的優(yōu)勢(shì)，因此該種導(dǎo)線適合于大跨越輸電工程。廣東沿海地帶大多處于臺(tái)風(fēng)區(qū)，其設(shè)計(jì)風(fēng)速普遍較高，大跨越的基本設(shè)計(jì)風(fēng)速最高達(dá)45 m/s［9］，采用耐熱鋁合金線可以提高導(dǎo)線的運(yùn)行溫度，從而減少每相導(dǎo)線的分裂根數(shù)，極大降低導(dǎo)線的水平風(fēng)荷載。例如，普通線路每相采用4×ACSR-720/50鋼芯鋁絞線(最高運(yùn)行溫度70℃)時(shí)，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(qiáng)鋼芯鋁合金絞線或鋁包鋼絞線，二分裂導(dǎo)線和四分裂導(dǎo)線在風(fēng)荷載上的差異是顯而易見(jiàn)的，尤其對(duì)于大風(fēng)區(qū)更為明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，二分裂導(dǎo)線比四分裂導(dǎo)線的風(fēng)荷載小30% ～40%，而桿塔主材主要由風(fēng)荷載控制，減小導(dǎo)線風(fēng)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(jià)。由于耐熱鋁合金線的導(dǎo)電率比高強(qiáng)鋁合金線略低，線損會(huì)增加少許，但大跨越輸電段占整條輸電線路長(zhǎng)度的比例很小，從整個(gè)工程來(lái)看，增加的線損所占的比例極小。

3 應(yīng)用于大跨越輸電工程的導(dǎo)線比較

以廣東省某新建500 kV大跨越輸電工程為例，對(duì)各種導(dǎo)線型式進(jìn)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(zhǎng)1 950 m;基本設(shè)計(jì)風(fēng)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(dǎo)線選擇經(jīng)驗(yàn)，對(duì)跨距小于1 000 m的大跨越，導(dǎo)線拉重比不宜小于8;對(duì)檔距處于1 000～1 500 m的，拉重比不宜小于12;對(duì)跨越超過(guò)1 500 m的，拉重比不宜小于15。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)值，再結(jié)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(dǎo)線進(jìn)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(dǎo)線，其參數(shù)見(jiàn)表2。采用5種不同導(dǎo)線的工程投資比較見(jiàn)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(chǔ)的費(fèi)用較大，工程造價(jià)相對(duì)較高。

(2)方案4使用了特強(qiáng)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(fù)荷大、鐵塔和基礎(chǔ)費(fèi)用高、年運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)性不佳。

(3)方案3采用3×KTACSR/EST-530特強(qiáng)型鋼芯耐熱鋁合金絞線，三分裂導(dǎo)線布置型式國(guó)內(nèi)相對(duì)較少采用，目前僅有500 kV平武線大軍山長(zhǎng)江大跨越、±500 kV葛上直流吉陽(yáng)長(zhǎng)江大跨越等少數(shù)幾個(gè)大跨越輸電工程采用，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少;且特殊布置使得導(dǎo)線失穩(wěn)現(xiàn)象較難解決，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不理想，其經(jīng)濟(jì)性能也不如方案1、2。

(4)從1995年起，雙分裂導(dǎo)線型式在廣東省500 kV沙江II回、羅江II回、肇西線、惠橫線、臺(tái)香線等多處大跨越輸電線路中使用，有豐富的施工運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(dǎo)線電氣性能、導(dǎo)線運(yùn)行溫度，并為系統(tǒng)發(fā)展留有一定裕度，方案2應(yīng)優(yōu)于方案1。

(5)年運(yùn)行費(fèi)用包括維護(hù)費(fèi)用和線損，其中維護(hù)費(fèi)用按設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率1.4%、基準(zhǔn)貼現(xiàn)率8%、建設(shè)周期2年、使用壽命50年計(jì)算，線損按正常輸送容量、年損耗小時(shí)數(shù)3 750 h、電價(jià)0.40元/(kW·h)計(jì)算。結(jié)果表明，方案5的年費(fèi)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(fèi)用最高。方案2采用耐熱鋁合金線，其過(guò)流能力相對(duì)方案5有較大優(yōu)勢(shì)，考慮到珠三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)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(dǎo)線最終采用每相2×KTACSR/EST-1000特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線，分裂間距為700 mm。

4 結(jié)論

相對(duì)AACSR/EST絞線，KTACSR/EST絞線靠犧牲鋁合金的部分強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的輸送容量增加(高強(qiáng)鋁合金比高強(qiáng)耐熱鋁合金抗拉強(qiáng)度高15%左右)，由于大跨越輸電導(dǎo)線的張力主要由鋼芯承擔(dān)，KTACSR/EST絞線相對(duì)AACSR/EST絞線在破斷張力上的下降并不顯著，對(duì)于跨距處于1 000～1500 m的大跨越而言，這種拉重比的減小對(duì)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(duì)于降低工程投資很有成效，采用高強(qiáng)鋁合金導(dǎo)線比采用高強(qiáng)耐熱鋁合金導(dǎo)線在風(fēng)荷載上增加了32% ～72%。本文中大跨越輸電案例的基準(zhǔn)風(fēng)速相對(duì)較小(37 m/s)，對(duì)于設(shè)計(jì)風(fēng)速大的大跨越輸電，風(fēng)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(tái)風(fēng)區(qū)，大跨越輸電的設(shè)計(jì)風(fēng)速普遍較大，因此工程投資受風(fēng)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(duì)導(dǎo)線的拉重比的要求不是特別高;特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)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(yùn)行、施工和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

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