±800 kV直流輸電線路導(dǎo)線選型

梅吉明，杜小勇，袁振宗

（1.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，成都　610000；2.國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東　德州　253000；3.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東　淄博　255000）

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±800 kV直流輸電線路導(dǎo)線選型

梅吉明1，杜小勇2，袁振宗3

（1.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，成都610000；2.國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東德州253000；3.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博255000）

摘要：導(dǎo)線選型是±800 kV特高壓直流輸電線路設(shè)計中的關(guān)鍵課題之一，對工程造價和安全運行有著十分重要的意義。從載流量、功率損耗、電磁環(huán)境等3個方面分析導(dǎo)線的電氣特性；從過載能力、弧垂特性、荷載情況等方面比較導(dǎo)線的機械特性；運用全壽命周期計算法分析導(dǎo)線的經(jīng)濟性；推薦±800 kV直流線路的導(dǎo)線型號，為今后工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：±800 kV直流輸電線路；導(dǎo)線選型；全壽命周期法

0　引言

特高壓直流輸電線路導(dǎo)線選型及分裂形式研究是特高壓直流輸電技術(shù)的重要課題，對線路的輸送容量、傳輸損耗、電磁環(huán)境，走廊寬度、房屋拆遷及經(jīng)濟指標(biāo)都有很大的影響。進行特高壓直流輸電線路導(dǎo)線截面及分裂形式的研究，對攻克特高壓輸電線路技術(shù)難關(guān)和降低造價有重要意義［1-4］。

針對±800 kV直流輸電線路，從導(dǎo)線的電氣特性、機械特性和經(jīng)濟性3方面對新型導(dǎo)線進行分析比較，提出安全可靠、經(jīng)濟合理的導(dǎo)線選型方案［5-6］。

1　導(dǎo)線電氣特性

1.1載流量及過負(fù)荷溫度計算

目前已建成的特高壓直流線路導(dǎo)線均為6分裂。同等導(dǎo)線截面下，8分裂導(dǎo)線方案的荷載高于6分裂導(dǎo)線方案，適用于電磁環(huán)境受限的情況。本工程輸送功率為10 000 MW，從經(jīng)濟性考慮，為減少輸電損耗，提高經(jīng)濟效益，考慮8×JL1 / G3A-1000 / 45、8×JL1/G3A-1120/50、8×JL1/G3A-1250/70、6×JL1X/ G2A -1520/125、8×JL1X/G3A -1250/70、8×JL1X1/ LHA1-800/550、8×JLHA3-1350等7種導(dǎo)線進行比較。按雙極輸送容量10 000 MW，各導(dǎo)線的電流密度如表1所示。

±800 kV直流工程一般為火電直流，年最大負(fù)荷利用小時數(shù)在5 000 h以上，按照規(guī)程規(guī)定，導(dǎo)線經(jīng)濟電流密度應(yīng)取0.9 A/mm2以下。由表1可知，幾種導(dǎo)線均滿足電流密度要求。

導(dǎo)線選擇應(yīng)考慮保證線路過負(fù)荷運行的安全，根據(jù)《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，系統(tǒng)長期過載容量可按1.1倍額定電流考慮［7］。在過負(fù)荷情況下，導(dǎo)線的溫度應(yīng)滿足導(dǎo)線允許溫度的要求。輸送容量10 000 MW，每極額定電流分別為6 250 A，每極過負(fù)荷電流為額定電流的1.1倍，即6 875 A，由此計算出7種導(dǎo)線方案每極導(dǎo)線在70℃下的最大允許電流和導(dǎo)線過負(fù)荷溫度見表2所示。

表1　各導(dǎo)線的總鋁截面積和電流密度

表2　各導(dǎo)線的最大允許電流和過負(fù)荷溫度

由表2可知，所選7種導(dǎo)線在溫度70℃時均能滿足系統(tǒng)輸送功率10 000 MW允許載流量的要求。過負(fù)荷時，所有參選導(dǎo)線均滿足過負(fù)荷溫度不超過70℃的要求。

1.2功率損耗計算

按U=±800 kV，τ=4 000～6 000 h，S=10 000 MW。各種導(dǎo)線的電阻功率損耗及電暈功率損耗計算結(jié)果列于表3。

由表3可知，極導(dǎo)線直流電阻越大，造成電阻電能損耗較大；增加導(dǎo)線鋁截面，對于降低線路損耗，提高能源利用率十分有利。相同的分裂型式下，隨著子導(dǎo)線直徑的增加，電暈損耗隨之減小；海拔越高，電暈損失也越大；電暈損失僅為電阻損失的不到10%。

表3　各導(dǎo)線的功率損耗

1.3電磁環(huán)境影響

1.3.1導(dǎo)線表面電場強度計算

導(dǎo)線表面電場強度是導(dǎo)線選擇計算中的最基本條件，導(dǎo)線表面電場強度過高將會引起導(dǎo)線全面電暈，不但電暈損耗急劇增加，而且環(huán)境影響問題也更嚴(yán)重，所以在特高壓線路設(shè)計中必須選擇合理的導(dǎo)線表面電場強度。

導(dǎo)線起始電暈電場強度

式中：E0為電場強度，kV/cm；m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，目前晴天和雨天條件下的導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)m值分別為0.49和0.38；δ為相對空氣密度，kg/m3；r為導(dǎo)線半徑，cm。

各導(dǎo)線的起始電暈電場強度見表4和表5。

表4　各導(dǎo)線的起始電暈電磁強度E0（晴天）

表5　各導(dǎo)線的起始電暈電磁強度（雨天）

1.3.2導(dǎo)線表面最大電場強度

導(dǎo)線表面電場強度決定于運行電壓、子導(dǎo)線直徑、子導(dǎo)線分裂數(shù)、子導(dǎo)線分裂間距、極導(dǎo)線高度以及相間距離等因素［4-5］。其計算方法較多，本文采用±800 kV直流向上線、錦蘇線所用經(jīng)典公式進行計算，計算精度滿足工程要求。

各種導(dǎo)線組合方案的表面最大電場強度見表6所示。

表6　各導(dǎo)線表面最大電場強度

由表6可知，在雨天，所有極導(dǎo)線方案的表面最大電場強度均大于起始電暈電場強度E0，即導(dǎo)線均處于電暈狀態(tài)。

1.3.3地面合成場強和離子流密度

合成場強和離子流密度的計算采用以模擬試驗結(jié)果為基礎(chǔ)的EPRI EL-2257法，該方法應(yīng)用于±800 kV直流向上線、錦蘇線、哈鄭線、溪浙線、寧紹線，具有較高可信度。

通過計算可知，在海拔2 000 m以內(nèi)，晴天和雨天條件下，參比導(dǎo)線均滿足合成電場強度小于30 kV/m，離子流密度小于100 nA/m2的限值。

1.3.4無線電干擾和可聽噪聲

通過計算所得距離邊相導(dǎo)線20 m、雙80%、0.5 MHz的無線電干擾值和可聽噪聲值見表7所示。

表7　各導(dǎo)線的無線電干擾和可聽噪聲

由表7可知，各導(dǎo)線的無線電干擾和可聽噪聲均滿足規(guī)范要求。

2　導(dǎo)線機械特性

2.1導(dǎo)線對桿塔高度的影響

不同導(dǎo)線的弛度不同，則同樣高度的桿塔的使用檔距不同，其結(jié)果導(dǎo)致線路中桿塔基數(shù)的差異，而最終影響線路造價。在進行導(dǎo)線弛度計算時，安全系數(shù)取2.5，平均運行張力為導(dǎo)線破壞張力的25%；導(dǎo)線過載能力按60%的導(dǎo)線破壞張力進行驗算，驗算氣溫-5℃，驗算風(fēng)速10 m/s。

7種導(dǎo)線主要機械性能、過載能力及最大弧垂列于表8。

由表8可知，7種導(dǎo)線的覆冰過載能力均滿足10 mm冰區(qū)抗冰過載要求。其中，JL1X/G2A -1520/ 125導(dǎo)線的過載能力最強，JLHA3-1350導(dǎo)線的弧垂特性最好；弧垂特性越好，桿塔的高度就越低，能有效降低桿塔耗鋼量，節(jié)約成本。

2.2導(dǎo)線對桿塔荷載的影響

對于不同導(dǎo)線方案，每相的導(dǎo)線線條荷載如表9所示。

表8　各導(dǎo)線的弧垂和過載能力

表9　各導(dǎo)線的荷載　kN

對于垂直荷載（無冰）、風(fēng)荷載及縱向最大張力較大的導(dǎo)線，其直線塔和耐張塔塔重均較大。

3　導(dǎo)線經(jīng)濟性

3.1初期投資

各種導(dǎo)線基本工程量估算如表10所示。

表10　各導(dǎo)線的工程量比較

對于每一種導(dǎo)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(dǎo)線方案初期本體投資進行估算，重點比較導(dǎo)線投資的差額。各種導(dǎo)線本體投資及投資差額如表11所示。

表11　各導(dǎo)線的投資及差額　萬元/km

3.2年費用比較

年費用最小法是經(jīng)濟性比較常用的方法，它能反映工程投資的合理性、經(jīng)濟性。年費用比較法將參加比較的諸多方案在計算期內(nèi)的全部支出費用折算成等額年費用比較，年費用低的方案在經(jīng)濟上最優(yōu)。年費用包含初投資年費用、年運行維護費用、電能損耗費用及資金的時間價值。為了進一步分析各種導(dǎo)線的經(jīng)濟性，現(xiàn)采用最小年費用法對7種導(dǎo)線組合的年費用進行計算。

3.2.1年費用最小法

最小年費用法的計算公式為：

式中：NF為年費用（平均分布在n年內(nèi)）；Z為折算到第m年的總投資；u為折算年運行費用；m為施工年數(shù)；n為經(jīng)濟使用年數(shù)；t為從工程開工這一年起的年份；r0為電力工程投資的回收率。

3.2.2年運行費用計算

設(shè)定工程建設(shè)周期為2年，第一年分配比例60%，第二年分配比例40%，工程全壽命按30年計，折現(xiàn)率按8%、10%考慮，設(shè)備運行維護費率1.4%，最大損耗小時數(shù)分別為3 000 h、4 000 h、5 000 h和6 000 h，電價分別為0.3、0.4、0.5元/kWh（上網(wǎng)電價）計算。計算結(jié)果如圖1所示。

圖1　回收率為10%年損耗時間5 000 h年費用

由圖1可知，JL1/G3A-1000/45和JL1/G3A-1120/50鋼芯鋁絞線的年費用均較高，且對于損耗小時數(shù)大于5 000 h，電價大于0.5元/kWh后，JL1X1/ G3A-1520/125鋼芯鋁型線絞線年費用較高，不作為推薦導(dǎo)線型式。年費用最低的是JL1X1/LHA3-800/550鋁合金芯鋁型線絞線，其次是JL1X/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線。

3.3價格敏感性分析

以JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線、JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線、JL1X1/LHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線為例進行導(dǎo)線價格變化對導(dǎo)線年費用的敏感性分析，如圖2～4所示。

JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線單價在原價格（1.48萬元/t）加價-1%、0%、1%考慮，JL1X1/ LHA1-800/550鋁合金芯鋁型線絞線單價在原價格（1.60萬元/t）的基礎(chǔ)加價1%、3%、5%考慮，3種年費用較低的導(dǎo)線方案進行比較。考慮不同導(dǎo)線對鐵塔及基礎(chǔ)工程量的影響。

表12　不同單價下的本體投資

圖2　回收率為10%年損耗4 000 h年費用

圖3　回收率為10%年損耗5 000 h年費用

圖4　回收率為10%年損耗6 000 h年費用

通過計算比較，在考慮不同導(dǎo)線對鐵塔及基礎(chǔ)工程量影響的條件下，即按照型線和圓線分別設(shè)計鐵塔，以JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線的單價1.43萬元/t為基準(zhǔn)，在JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線的單價不高于1.48萬元/t時，采用鋼芯鋁型線絞線具有長期運行經(jīng)濟性。同樣，對于JL1X1/ LHA2-800/550鋁合金芯鋁型線絞線，其機電性能均滿足工程要求，在目前導(dǎo)線招標(biāo)價情況下，其年費用均低于鋼芯鋁絞線。當(dāng)JL1X1/LHA2-800/550鋁合金芯鋁型線絞線單價加價不超過6%（即單價小于1.696萬元/t）時，其年費用仍將低于鋼芯鋁絞線。

根據(jù)上述結(jié)論，同時考慮到目前電價水平、直流輸電線路損耗小時數(shù)較高以及1 250 mm2截面鋼芯鋁絞線在寧紹、酒湖等特高壓直流輸電線路中已有應(yīng)用，因此，±800 kV錫盟—江蘇、上海廟—山東特高壓直流輸電線路工程推薦采用8×1250 mm2鋼芯鋁絞線方案。

4　結(jié)論

±800 kV特高壓直流輸電線路導(dǎo)線選型及對地距離結(jié)論。

所選JL1/G3A -1000/45、JL1/G3A -1120/50、JL1/G3A-1250/70、JL1X/G2A-1520/125、JL1X/G3A-1250/70、JL1X1/LHA1-800/550、JLHA3-1350 7種導(dǎo)線方案均能滿足兩直流工程輸送容量要求，且能滿足電磁環(huán)境要求。

機械特性方面：7種導(dǎo)線均具有較強的覆冰過載能力，JLHA3-1350導(dǎo)線的弧垂特性最好，弧垂越小，對塔高越有利。

經(jīng)濟性方面：考慮不同導(dǎo)線對鐵塔及基礎(chǔ)工程量影響情況，年費用最低的是8×JL1X1/LHA3-800/ 550鋁合金芯鋁型線絞線，其次是8×JL1X/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線。

在考慮不同導(dǎo)線對鐵塔及基礎(chǔ)工程量影響的條件下，以JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁絞線的單價1.43萬元/t為基準(zhǔn)，在JL1X1/G3A-1250/70鋼芯鋁型線絞線的單價不高于1.48萬元/t時，采用鋼芯鋁型線絞線長期運行經(jīng)濟性較高。

參考文獻

［1］Q/DG 1-A012—2008±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［2］孟遂民.架空送電線路設(shè)計［M］.湖北：中國電力出版社，2000.

［3］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［4］周唯，吳子怡.特高壓直流輸電線路1 250 mm2截面導(dǎo)線選型研究［J］.四川電力技術(shù)，2014，37（6）：24-27.

［5］竇飛，喬黎偉.架空線路輸電能力計算［J］.電力建設(shè)，2010，31 （12）：23-25.

［6］林清海.±800 kV特高壓直流線路大截面導(dǎo)線選型研究［J］.山東電力技術(shù)，2013，40（3）：24-29.

［7］張文亮，陸家榆，鞠勇，等.+800 kV直流輸電線路的導(dǎo)線選型研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2007，27（27）：1-6.

Conductor Scheme for±800 kV UHV DC Transmission Line Project

MEI Jiming1，DU Xiaoyong2，YUAN Zhenzong3
（1. Sichuan Electric Power Design & Consulting Company，Chengdu 610000，China；2. State Grid Dezhou Power Supply Company，Dezhou 253000，China；3. State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255000，China）

Abstract:The conductor scheme is one of key issues in the design of the UHV DC transmission project，it is also significant to the construction cost and the safe operation of the transmission line.In this paper，electrical characteristics of conductor are analyzed in terms of the current -carrying capacity，power loss and electromagnetic environment，and mechanical characteristics are analyzed in terms of the overload capabilities，sagging characteristics and load conditions. The economic characteristic of conductor is analyzed by life-cycle method. Finally the conductor model is recommended used in UHV DC transmission line project，which offers some references for later projects.

Key words:±800 kV UHV DC transmission lines；conductor scheme；life-cycle method

中圖分類號：TM751

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-9904（2016）05-0037-06

收稿日期：2016-03-20

作者簡介：

梅吉明（1987）男，工程師，從事輸電線路設(shè)計工作。