輸電線路大檔距跨越工程的導線選型研究

(湖南經(jīng)研電力設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引言

高壓輸電線路的建設(shè)不可避免地要跨越大江大河。許多江河水面寬闊且有通航要求，因此建設(shè)、運行難度較大。大檔距跨江工程的導線選擇是工程設(shè)計中的關(guān)鍵。導線特性決定了跨越塔的高度和運行荷載，也決定了電能輸送性能，包括它的損耗、效率以及電氣和機械方面的過載能力。把導線選好才能從主體上保證工程的技術(shù)性能和經(jīng)濟特性[1-2]。

規(guī)劃中江西省井岡山水電廠—澄江220 kV線路需大檔距跨越贛江。跨越方式為耐—直—耐，檔距分布為360 m－968 m－400 m，耐張段總長為1 720 m。跨江段導線選型在滿足輸送容量的前提下，盡量降低跨越塔高度，減少施工、運行難度，節(jié)省工程投資[2]。

本文依托國家電網(wǎng)公司的江西省井岡山水電廠—澄江220 kV線路工程大檔距跨越贛江段，綜合設(shè)計、桿塔規(guī)劃、導線制造、架線施工、運行維護及經(jīng)濟性等多方面因素，按照現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范及相關(guān)標準要求，從電氣特性、機械特性和投資分析等方面對各種導線的截面和分裂型式進行詳細的技術(shù)經(jīng)濟比較，推薦技術(shù)和經(jīng)濟上最優(yōu)的導線方案，為選型工程的導線方案提供依據(jù)，同時也為后續(xù)同類大跨越工程的導線方案選擇提供參考。

1 導線初選

本工程跨贛江段跨越檔距較大，設(shè)計可參照大跨越的條件進行設(shè)計。參考我國高壓線路大跨越的有關(guān)設(shè)計規(guī)定，結(jié)合國內(nèi)外大跨越工程線路的設(shè)計、運行經(jīng)驗等，在選擇導線時，應(yīng)從載流量、電磁環(huán)境、弧垂特性、制造條件等因素考慮，使選擇的導線安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理[3]。

其中，良好的機械性能是輸電線路跨江建設(shè)實施以及降低投資的首要因素。本工程導線選擇在于確定跨江導線材料及其截面型式。

1.1 初選方案

大跨越導線主要使用鋼芯鋁合金與鋁包鋼兩大系列。鋁包鋼絞線由于其導電能力較差，載流能力難以提高，電能損耗大，在大跨越工程中的使用受到限制，現(xiàn)僅用于輸送容量不高的工程中。目前我國220 kV及以上電壓的大跨越工程基本上都采用了鋼芯鋁合金系列導線，該種導線輸送容量大，弧垂性能較好，在大檔距跨江乃至大跨越工程中被廣泛使用，尤其是采用了特強鋼芯(extra high strength steel，EST)的鋁合金絞線具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。井岡山水電廠—澄江220 kV線路輸送容量為416 MW，跨贛江段比較適合采用特強鋼芯鋁合金絞線[4-5]。

對于鋼芯鋁合金絞線，在導線材料確定后，導線的機械特性取決于鋁鋼截面比。根據(jù)國內(nèi)已有鋼芯鋁合金絞線使用經(jīng)驗，結(jié)合系統(tǒng)提出的2×300 mm2截面的導線要求，本文選擇幾種型式的高強/特強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/G3A-300/70、JLHA1/EST-300/50、JLHA1/EST-300/60、JLHA1/EST-300/70進行初步比較，以確定合適的鋁鋼截面比。初選的四種導線主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 電氣性能

本文參考大跨越工程導線選型原則，以環(huán)境溫度35℃，日光對導線日照強度為1 000 W/m2，垂直導線表面的風速為0.6 m/s，輻射散熱系數(shù)0.9等條件下計算以上導線的極限輸送容量。導線的起暈場強采用皮克公式計算，導線表面電場計算采用逐步鏡像法[4]。幾種導線的電氣性能計算見表2。

表1 初選導線主要技術(shù)參數(shù)

表2 電氣性能計算表

根據(jù)表2的計算結(jié)果，有以下結(jié)論：

1)導線的載流量：各種導線組合方案均能滿足416 MW的輸送要求。

2)導線電能損耗：各導線方案電能損耗整體相差不大。

3)各導線方案的表面場強、無線電干擾、可聽噪聲等電磁環(huán)境均滿足GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。一般來說，低海拔地區(qū)的220 kV線路，電磁環(huán)境不是導線選型的控制因素[3]。

1.3 機械性能

機械性能和相荷載計算是導線選型中重要內(nèi)容，在跨江段尤為重要。機械性能主要內(nèi)容是反映導線規(guī)定安全系數(shù)下，導線的過載能力和弧垂特性。過載能力是考驗在70%的額定拉斷力下，導線可以承載的覆冰厚度，體現(xiàn)了安全裕度的儲備。弧垂特性體現(xiàn)了為保證對地距離需要付出的桿塔高度代價，是經(jīng)濟性比較的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；相荷載包含垂直荷載、橫向荷載和縱向荷載，是控制桿塔鋼材指標的關(guān)鍵因素。直線塔縱向受力平衡，塔材主要受橫向荷載和垂直荷載控制。耐張塔要考慮斷線及不均勻覆冰狀態(tài)下的強度控制，塔材主要受縱向荷載和橫向荷載控制[4]。江西地區(qū)氣象條件配置見表3。

表3 設(shè)計氣象條件

根據(jù)設(shè)計氣象條件，參選的幾種導線的機械性能計算表見表4[5]。

表4 導線方案綜合機械性能表

按計算高溫弧垂時溫度取40℃，檔距按968 m考慮時，從表4分析可以看出：

1)所選導線方案中，采用JLHA1/EST-300/60高溫弧垂最優(yōu)，采用JLHA1/EST-300/70高溫弧垂其次，采用JLHA1/EST-300/60、JLHA1/EST-300/70導線方案跨越塔呼高可以稍微降低；

2)從對桿塔的荷載看：大風水平荷載方面JLHA1/EST-300/50最小，其余四種導線相差不大，覆冰垂直荷載方面JLHA1/EST-300/50最小，其余四種導線相差不大。

3)從過載能力上看，4種導線均滿足覆冰過載要求，并留有較大的裕度。

1.4 經(jīng)濟性分析

根據(jù)各種導線方案的主要材料量消耗，計算的跨江段各項費用見表5[6]。

表5 方案經(jīng)濟比較 萬元

JLHA1/EST-300/60特強鋼芯鋁合金絞線較原規(guī)劃的高強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/G3A-300/70而言，能節(jié)省跨江段投資33.5萬元，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

1.5 初選導線結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果，各導線方案的電氣性能均滿足要求。在機械性能方面，特強鋼芯鋁合金絞線較高強鋼芯鋁合金絞線較優(yōu)，其中JLHA1/EST-300/60特強鋼芯鋁合金絞線相較于JLHA1/EST-300/70與JLHA1/EST-300/50拉重比大，弧垂性能較好，能有效降低跨越塔塔高，使桿塔重量減輕，保證跨江段總體經(jīng)濟效益最優(yōu)。

2 導線優(yōu)化

為進一步降低跨越塔高度，減小跨越塔基礎(chǔ)根開，基于上述分裂導線、截面方案，在不降低電氣性能的前提下，本報告將從導線的機械性能方面入手，對導線進行選型優(yōu)化。

導線優(yōu)化的思路有兩點，一是從導線材料進行優(yōu)化，二是從導線結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化[1]。

2.1 導線材料優(yōu)化

經(jīng)查閱國內(nèi)外已建成的大跨越工程，巴西亞馬遜大跨越采用了中國某制造廠生產(chǎn)的超高強度鋼絞線(ultra high strength steel，UST)，抗拉強度大于1 910 MPa，1%伸長時應(yīng)力大于1 670 MPa，強度比EST鋼絞線提高7.7%。故可以考慮用超高強鋼絞線UST替代特高強鋼絞線EST[7]。

2.2 導線結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2018年3月，我國修訂了與IEC 62219:2002《Overhead electrical conductors-formed wire，concentric lay，stranded conductors》[8]一致性程度為等同的國家標準GB/T 20141—2018《型線同心絞架空導線》[9]，對由形狀為S、T成型單線制造的導線提出了典型結(jié)構(gòu)型式[8]。

型線同心絞架空導線是對圓線同心絞架空導線的改進提高，以型單線代替圓單線絞制成架空導線，可提高導線的綜合性能。將外層圓型鋁合金導體改為Z型線導體，有如下優(yōu)勢：

1)在面積相等的情況下，型線導線能有效降低風載的影響，光滑的導線表面和較小的直徑，使風速達到30 m/s及以上時，其風載比相同截面的圓線同心絞架空導線低得多；

2)由于型線單線間的接觸面大，使導線在受力狀態(tài)下風激振動時，各層鋁線和鋼芯的固有振動頻率各不相同，自動消耗風激振動的能量比圓線同心絞架空導線的要大，因而，自阻尼性能更為優(yōu)良；

3)型線導線由于結(jié)構(gòu)緊湊，雨水、灰塵等物質(zhì)不容易沿縫隙進入導線內(nèi)部，能較好地解決導線的抗化學腐蝕和電化學腐蝕問題，從而比圓線同心絞架空導線的壽命更長；

4)單位長度導線的覆冰量比普通導線的要少些；

5)與同直徑的圓線同心絞架空導線比，型線導線表面光滑，電暈損耗較小。

型線同心絞架空導線有著很多優(yōu)點，在架空線路上的應(yīng)用將越來越廣泛。本文根據(jù)國網(wǎng)公司最新QGDW 11275-2014《特高強鋼芯鋁合金絞線》中提出的典型結(jié)構(gòu)型式，并結(jié)合GB/T 20141—2006《型線同心絞架空導線》規(guī)定的導線性能，設(shè)計了一種超高強鋼芯鋁合金成型絞線JLHA1X/UST-300/60，該導線截面見圖1。

2.3 導線優(yōu)化后經(jīng)濟技術(shù)比較

根據(jù)設(shè)計氣象及代表檔距條件計算，采用JLHA1X/UST-300/60在年平工況時達到控制應(yīng)力，控制應(yīng)力為132.5 MPa，防振是控制導線張力的制約因素。

將鋼芯與導線結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的超高強鋼芯鋁合金成型絞線JLHA1X/UST-300/60與特強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/EST-300/60、超高強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/UST-300/60進行對比分析。主要技術(shù)參數(shù)及機械性能比較詳見表6、表7。

很明顯，優(yōu)化后的JLHA1X/UST-300/60超高強鋼芯鋁合金型線絞線的90℃弧垂改善明顯，且風荷載也有所減小。采用JLHA1X/UST-300/60方案較原規(guī)劃的JLHA1/G3A-300/70方案在工程造價上有較大的優(yōu)勢。

表6 優(yōu)化后導線技術(shù)條件對比

表7 導線優(yōu)化前后技術(shù)經(jīng)濟比較

3 結(jié)論

本文主要研究了輸電線路大檔距跨越段的導線選型，特別依托規(guī)劃中的井岡山水電廠—澄江220 kV線路跨贛江段導線選型。

1)針對本工程，本文提出了先確定導線材料及其截面型，再進行優(yōu)化的導線選型思路。選取數(shù)種導線方案，通過在電氣性能、機械特性方面比較，得出特強鋼芯鋁合金絞線JLHA1/EST-300/60在大檔距跨越工程比較適用。

2)在JLHA1/EST-300/60的基礎(chǔ)上對導線進行了材料及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，將鋼芯由EST優(yōu)化為UST級，并將導線外型優(yōu)化為Z型線導體，JLHA1X/UST-300/60超高強鋼芯高強鋁合金型線絞線的機械特性優(yōu)異，能明顯降低跨越塔高度，直接減少工程投資及施工難度，具有很明顯的優(yōu)勢。

3)JLHA1X/UST-300/60在國內(nèi)尚未有使用先例，但UST級鋼芯國內(nèi)已有廠家可以生產(chǎn)，另外鋁合金型線在國內(nèi)也已有多年的制造經(jīng)驗。因此從國內(nèi)大型線纜廠家的生產(chǎn)能力來看，該導線具備大規(guī)模制造可能。

4)超高強鋼芯高強鋁合金型線絞線的弧垂性能好，通過調(diào)整鋁合金與鋼芯截面比，可以推廣使用到大跨越工程中。