特高压直流输电线路1 250 mm2截面导线选型研究

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(西南电力设计院，四川 成都 610021)

0 引 言

近年来，国家电网公司从中国能源战略高度出发，综合分析中国能源分布、能源传输需求和发展变化趋势，确定了建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网。众所周知，特高压直流输电线路具有输送容量大、送电距离远、输电损耗小、节省线路走廊等优点。国家电网公司先后开工建设了±660 kV宁东—山东、±800 kV向家坝—上海、±800 kV锦屏—苏南、±800 kV哈密—郑州以及±800 kV宁东—浙江等特高压直流输电线路工程,同时开展了720、900、1 000、1 250、1 520 mm2等大截面导线研制及工程应用研究。

特高压直流输电线路导线选型及分裂形式研究是特高压直流输电技术的重要课题，它对线路的输送容量、传输性能、环境问题包括电场效应(静电场、合成场强、离子流密度、人或物体的感应电压)、无线电干扰、电视干扰及可听噪声等、对线路走廊宽度及房屋拆迁范围、对输电线路的技术经济指标都有很大的影响。因此，进行特高压直流输电线路导线截面及分裂形式的研究对攻克特高压输电线路技术难关和降低造价有着十分深远的意义。

特高压直流线路架线工程投资一般占本体投资的30%左右，再加上导线方案变化引起的杆塔和基础工程量的变化，其对整个工程的造价影响是极其巨大的，直接关系到整个线路工程的建设费用以及建成后的技术特性和运行成本，所以在整个输电线路的技术经济比较中，应该对导线的截面和分裂型式进行充分的技术经济比较，推荐出满足技术要求而且经济合理的导线截面和分裂型式。通过对1 250 mm2截面多种线型开展详细的技术经济比较分析，提出特高压直流输电线路1 250 mm2截面导线选型推荐方案，希望能对中国电网工程设计起到一定的借鉴和帮助作用。

1 导线选择控制参数

输电线路的导线截面和分裂型式，宜根据系统需要按照经济电流密度选择，也可根据系统输送容量，结合不同导线的材料结构进行电气和机械特性等比选，并应满足可听噪声和无线电干扰等技术条件的要求，通过年费用最小法进行综合技术经济比较后确定。

根据中国GB 50790-2013《±800 kV直流架空输电线路设计规范》规定，钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度可采用+70 ℃(大跨越不得超过90 ℃)，钢芯铝包钢绞线(包括铝包钢绞线)的允许温度可采用+80 ℃(大跨越不得超过100 ℃)；钢绞线的允许温度可采用125 ℃。合成场强和离子流密度：±800 kV直流线路下方最大地面合成场强的控制指标为30 kV/m。邻近民房的最大合成场强的控制指标为25 kV/m；线路下方离子流密度的控制指标为一般地区为100 nA/m2，居民区为80 nA/m2。地面磁场强度：对直流磁场，国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)导则给出一般公众的磁场暴露参考水平(1 Hz以下)为40 mT。实际情况下直流磁场对人的影响比交流磁场小得多。而且实际计算结果远远小于此参考值，故不必考虑磁场干扰影响问题。无线电干扰限值：距直流架空输电线路正极性导线对地投影外20 m处由电晕产生的0.5 MHz无线电干扰场强80%//80%值，一般地区不超过58 dB(μV/m)。海拔1 000 m以上，按照每增加300 m，增加1 dB(μV/m)修正。可听噪声限值：海拔1 000 m及以下地区，距直流架空输电线路正极性导线对地投影外20 m处由电晕产生的可听噪声(L50)不超过45 dB(A)；海拔高度大于1 000 m且线路经过人烟稀少地区时，控制在50 dB(A)以下。机械强度：导线设计安全系数不小于2.5，悬挂点的设计安全系数不小于2.25，平均运行应力不大于拉断应力的25%。验算覆冰气象条件时，弧垂最低点的最大张力不超过拉断力的60%，悬挂点的最大张力不超过拉断力的66%[1]。

2 分裂间距选择

从电气方面看，导线存在最佳分裂间距，使得表面电场强度最小，但根据计算分析，限制次档距振荡要求的分裂间距才是控制条件。

限制次档距振荡要求的分裂间距与最佳电气性能要求的分裂间距是矛盾的，中国已建500 kV交、直流线路的S(截面)/d(直径)比值在13.80～18.7，但由于特高压线路导线的分裂数较多，电气要求又比较苛刻，因此布置上要比500 kV线路困难得多，一般难以满足上述要求。由于特高压线路由于分裂根数的增加，在采用大截面导线时，很难保证S/d>13.8～18。但根据国内外已建特高压直流线路设计和运行的情况分析，S/d的比值在10～18之间也能满足线路的安全运行。同时，次档距振荡还可通过采用适当增加间隔棒安装数量的方法加以限制。根据国内外已建工程情况和有关研究成果，推荐特高压直流线路1 250 mm2截面导线分裂间距按表1选取。

表1 导线分裂间距及S/d值一览表

注：d为子导线直径，mm。

3 导线选择类型

中国超高压、特高压输电线路采用的大截面导线类型包含：钢芯铝绞线、钢芯铝型线绞线、铝合金绞线、铝合金芯铝型线绞线等线型。

3.1 钢芯铝绞线

钢芯铝绞线是由硬圆铝线及镀锌钢线组合绞制而成，它是输电线路最常用的一种导线。这里选取了JL1/G3A-1250/70和JL1/G2A-1250/100两种1 250 mm2截面的钢芯铝绞线参与导线选择比较[3]。

3.2 钢芯铝型线绞线

国家电网公司和中国电科院组织相关导线生产厂家补充开展了1 250 mm2大截面型线导线的研制工作。根据研制情况，这里选择了JL1X1/G3A-1250/70和JL1X1/G2A-1250/100两种大截面钢芯铝型线绞线参与导线选型比较。

3.3 铝合金绞线

目前在世界许多国家的输电线路上已广泛使用铝合金导线，它们主要是高强度铝合金线。为了在一般轻、中冰区线路中采用铝合金导线，国内外开发了LHA3中强度铝合金线，其导电率为58.5%IACS，允许温度为90 ℃。这里选择了6×JLHA3-1350中等强度铝合金绞线参与导线选择比较[2,4]。

表2 机械特性比较表

3.4 铝合金芯铝型线绞线

将钢芯铝绞线中的钢芯换为铝合金，可降低导线电阻，减少能损，即新型节能导线。这里选择了与JL1/G2A-1250/100钢芯铝绞线的电气性能、结构型式相近的JL1X1/JLHA1-800/550铝合金芯铝型线绞线进行比较[5]。

三种导线的机械特性比较详见表2所示。

4 导线基本电气性能计算

导线电气性能的计算主要包括导线电流密度、过负荷温度、传输功率及功率损耗等，并对参选导线方案进行计算比较。双极直流输电线路电力线和带电离子分布详见图1所示。双极直流输电线路地面电力线解析图详见图2所示。

特高压直流输电线路导线选择的关键因素之一是使电磁环境参数满足设计规范要求的限值。通过对各种导线方案，进行合成场强、无线电干扰和可听噪声的估算，参选各大截面导线方案在电气性能各方面指标均满足GB 50790-2013《±800 kV直流架空输电线路设计规范》规定的电磁环境限值要求。三种导线的电气特性参数详见表3所示。

图1 双极直流输电线路电力线和带电离子分布示意图

图2 双极直流输电线路地面电力线解析图

序号123456导线型号JL1/G3A-1250/70JL1X1/G3A-1250/70JL1/G2A-1250/100JL1X1/G2A-1250/100JL1X1/LHA1-800/550JLHA3-1350分裂数666666电流密度 /(A·mm-2)0.6660.6610.6680.6620.6160.616过负荷导线温度 /℃64.363.964.664.164.564.3传输效率 /%95.3095.3095.2095.295.495.6导线表面最大电场强度 /(kV·cm-1)18.3919.6318.2219.4518.6218.22地面合成场强 /(kV·m-1)26.9526.8826.5926.8426.7126.59地面离子流 /(nA·m-2)34.8234.5533.4734.433.9233.47电阻功率损 耗 /(kW·km-1)102.866102.738103.308102.892101.74399.155电晕损耗 /(kW·km-1)11.8212.6611.5312.4712.0511.53无线电干扰 /dB53.353.753.253.753.553.2可听噪声 /dB40.1243.0339.842.641.139.8

注：表中各性能中合成场强、地面离子流特性的计算导线高度取18 m，其余各特性导线对地高取平均高23 m，极间距离取16.5 m，海拔高度为2 000 m，晴天。

表4 导线弧垂、过载性能一览表

注：过载时，导线最低点的最大张力达到其计算拉断力60%时相应的计算覆冰厚度。

表5 导线荷载一览表

注：采用4联550 kN耐张串时，JL1/G2A-1250/100导线的安全系数需放松为2.55，最大荷载时安全系数大于2.7，满足强度要求。根据弧垂特性计算情况，档距800 m时，15 mm、20 mm冰区的弧垂增加约1 m，对塔高影响较小。

表6 本体投资及投资差额比较 注：单位(万元/km)

5 导线机械性能比较

比选导线的最大应力、年均应力、安全系数、铝钢截面比、过载冰厚、最大弧垂40 ℃及导线荷载等比较详见表4和表5。

所选6种导线而言，电磁环境限值指标不是导线选择的控制条件，对于15 mm、20 mm(中、重)冰区导线，主要受导线机械性能控制。通过以往大量输电线路10 mm、15 mm、20 mm(中)、20 mm(重)冰区导线设计及运行经验，从线路的安全运行、导线的机械和电气性能方面考虑，在10 mm轻冰区的平丘地段建议采用JL1/G3A-1250/70钢芯铝绞线、JL1X1/G3A-1250/70钢芯铝型线绞线，在平丘及一般山地段可采用节能新型JL1X1/LHA1-800/550铝合金芯铝型线绞线；在10 mm山区段、15 mm、20 mm(中、重)冰区均可采用JL1/G2A-1250/100钢芯铝绞线、JL1X1/G2A-1250/100钢芯铝型线绞线、JLHA3-1350全铝合金绞线等导线型式。

6 导线经济性比较

对于每一种导线方案，在不同的工程条件下本体投资均有所不同，在假定边界条件下对各导线方案初期本体投资进行估算，重点比较导线投资的差额。这里按目前设计原则及假定工程边界条件，对各导线方案的初期投资进行估算，本体投资及投资差额比较详见表6所示。

根据导线的年费用比较，年费用最低的是JL1X1/G3A-1250/70钢芯铝型线绞线，其次是JL1/G3A-1250/70钢芯铝绞线，再次是JL1X1/LHA1-800/550铝合金芯铝型线绞线。通过导线价格变化对年费用敏感性进行分析，在考虑不同导线对铁塔及基础工程量产生影响的条件下，即按照型线和圆线分别设计铁塔，在钢芯铝型线的单价不高于同型号圆线钢芯铝绞线单价的10%时，采用钢芯铝型线绞线具有长期运行经济性。同样，对于JL1/LHA2-800/550铝合金芯铝型线绞线，其机电性能满足工程要求，在目前导线单价情况下，其年费用高于圆线和钢芯铝型线绞线，当其单价下降7%左右时，其年费用将低于圆线和钢芯铝型线绞线[6]。

7 结 论

通过电气性能、机械性能及对铁塔荷载设计的影响，综合设计、杆塔规划、导线制造、架线施工、运行维护及经济性等多方面因素，并结合中国国情和自然条件的实际情况，建议采用1 250 mm2大截面导线输电的特高压直流线路工程，在10 mm冰区的平丘地形推荐采用JL1/G3A-1250/70钢芯铝绞线；在一般山地及15 mm、20 mm中、重冰区推荐采用JL1/G2A-1250/100钢芯铝绞线，导线分裂间距均为500 mm。在交通运输方便地区，可适当选用JL1X1/G3A-1250/70、JL1/G2A-1250/100钢芯铝型线绞线作为输电导线，为以后特高压直流输电线路设计应用积累工程经验。

[1] GB 50790-2013,±800 kV直流架空输电线路设计规范[S].

[2] 何健,陈光.新型铝合金芯铝绞线在输电线路中的应用[J].吉林电力,2011,15(2):45-49.

[3] GB/T 1179-2008，圆线同心绞架空导线[S].

[4] 叶鸿声. 中强度全铝合金导线在输电线路中的应用[J].电力建设,2010,31(12):10-20.

[5] 万建成,李健,陈媛,等.铝合金芯铝型绞线在大容量直流线路中的应用[J].电力建设, 2013,34(8):105-106.

[6] 布春磊,周海鹰,江明.特高压直流输电线路大截面钢芯铝绞线选型研究[J].电力建设, 2013,34(9):102-104.