±800 k V特高壓直流線路大截面導(dǎo)線選型研究

林清海

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 概述

特高壓線路采用大截面導(dǎo)線，在減小線路損耗，降低輸電線路表面場(chǎng)強(qiáng)、無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲等方面具有比較大的優(yōu)勢(shì)。

大截面導(dǎo)線在國(guó)外的應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)也非常成熟，其中以日本的用量為最大。日本275 kV系統(tǒng)中普遍采用 2×810 mm2、2×1160 mm2、4×810 mm2導(dǎo)線；500 kV 導(dǎo)線的截面已達(dá)到 2×1160 mm2、6×810 mm2；1000 kV 導(dǎo)線采用 8×810 mm2、8×960 mm2。美國(guó)有少量2×ACSR－1172／76導(dǎo)線在太平洋聯(lián)絡(luò)線應(yīng)用。

近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)的直流輸電（如三滬、三廣線）以及東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的主干網(wǎng)中采用了720 mm2大截面導(dǎo)線。

已投運(yùn)的±660 kV寧東直流工程，采用4×JL／G3A－1000／45大截面導(dǎo)線，分裂間距500 mm。

已投運(yùn)的±800 kV向家壩—上海特高壓直流工程，采用 6×ACSR－720／50 導(dǎo)線，分裂間距 450 mm。

在建±800 kV錦屏—蘇南特高壓直流工程，采用6×JL／G3A－900／40 和 6×JL／G2A－900／75 導(dǎo)線，分裂間距450 mm。

在建的±800 kV哈密—鄭州特高壓直流工程，采用 6×JL／G3A－1000／45 導(dǎo)線。

JL／G3A－900／40 結(jié) 構(gòu) 的 導(dǎo) 線 鋁 鋼 截 面 比 為23.14，為特輕型導(dǎo)線，為滿足工程使用要求，鋼芯需選用特高強(qiáng)度鍍鋅鋼線。

1 導(dǎo)線選擇的主要原則

導(dǎo)線選擇是超、特高壓輸電線路的重要課題，對(duì)線路的輸送容量、傳輸性能、電磁環(huán)境問(wèn)題（靜電感應(yīng)、電暈、無(wú)線電干擾、噪聲等），以及輸電線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有很大的影響，同時(shí)對(duì)降低工程造價(jià)和長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)有著十分深遠(yuǎn)的意義［1］。

在特高壓直流線路導(dǎo)線選擇中，要充分考慮導(dǎo)線的電氣特性和機(jī)械特性。

在電氣特性方面，特高壓線路由于電壓的升高，導(dǎo)線電暈而引起的各種問(wèn)題，特別是環(huán)境保護(hù)問(wèn)題將比超高壓線路本體問(wèn)題更加突出，從國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐情況看，采用多分裂導(dǎo)線并合理選擇導(dǎo)線直徑和分裂形式是確保導(dǎo)線良好電氣性能及滿足環(huán)境保護(hù)要求的有效途徑。

對(duì)于導(dǎo)線的機(jī)械特性，要使特高壓輸電線路能安全可靠的運(yùn)行，要求導(dǎo)線具有優(yōu)良的機(jī)械性能和一定的安全度，特別是線路經(jīng)過(guò)高山大嶺（大檔距和大高差）及嚴(yán)重覆冰地區(qū)。

根據(jù)特高壓直流輸電線路的特點(diǎn)，導(dǎo)線選擇時(shí)，在電氣特性、機(jī)械性能、經(jīng)濟(jì)性等方面需綜合考慮以下因素：導(dǎo)線電流密度、導(dǎo)線最高允許溫度；地面標(biāo)稱電場(chǎng)強(qiáng)度；地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度；地面離子流密度；無(wú)線電干擾水平；電暈可聽(tīng)噪聲；機(jī)械強(qiáng)度；年費(fèi)用；其它方面（如導(dǎo)線的電暈損失、對(duì)桿塔重量及絕緣子金具的影響及制造、施工條件等）。

2 導(dǎo)線選型的主要內(nèi)容

確定系統(tǒng)邊界條件及導(dǎo)線選擇的主要控制參數(shù)。

根據(jù)系統(tǒng)輸送容量確定導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)電流密度，初步確定導(dǎo)線總截面。

根據(jù)桿塔規(guī)劃結(jié)果，選擇典型塔型，計(jì)算各備選導(dǎo)線方案的電氣特性，包括導(dǎo)線的過(guò)負(fù)荷溫度、傳輸功率及功率損耗、地面標(biāo)稱電場(chǎng)強(qiáng)度、地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度及地面離子流密度、地面磁場(chǎng)強(qiáng)度、無(wú)線電干擾、電暈可聽(tīng)噪聲，并進(jìn)行比較，研究直流輸電線路對(duì)環(huán)境的影響，確定滿足電磁環(huán)境指標(biāo)的可行導(dǎo)線方案。

計(jì)算各備選導(dǎo)線方案的機(jī)械特性，包括弧垂特性、荷載特性（水平荷載、垂直荷載、張力）、覆冰過(guò)載能力和懸點(diǎn)應(yīng)力允許高差等，確定合理的導(dǎo)線方案。

采用年費(fèi)用最小法對(duì)備選導(dǎo)線進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較，以年費(fèi)用最小來(lái)確定推薦常規(guī)導(dǎo)線方案。

3 導(dǎo)線選型的主要控制參數(shù)

導(dǎo)線選擇的主要控制參數(shù)參照《±800 kV直流架空輸電設(shè)計(jì)規(guī)范》（國(guó)標(biāo)報(bào)批稿），其限值見(jiàn)表 1［3－4］。

說(shuō)明：

1）地面磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)際計(jì)算值遠(yuǎn)小于該限值，可不考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

2）無(wú)線電干擾水平，海拔不超過(guò)1000 m，20 m處 0.5 MHz 無(wú)線電干擾場(chǎng)強(qiáng) 80% ／／80% 值［5］。

3）可聽(tīng)噪聲，20 m處時(shí)由電暈產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲，50%值。

表1 導(dǎo)線選擇主要控制參數(shù)限值一覽表

4）無(wú)線電干擾的高海拔修正，根據(jù)《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（報(bào)批稿），以1000 m為基準(zhǔn)，海拔高度每增加300 m，無(wú)線電干擾限值增加1 dB。

5）可聽(tīng)噪聲的高海拔修正，根據(jù)《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（報(bào)批稿），以1000 m為基準(zhǔn)，海拔高度每增加300 m，噪聲限值增加1 dB。

導(dǎo)線的選擇除了考慮以上因素以外，應(yīng)從電氣特性、機(jī)械特性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦出在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)的導(dǎo)線截面和分裂型式。

4 導(dǎo)線電氣性能計(jì)算

導(dǎo)線電氣性能的計(jì)算主要包括導(dǎo)線電流密度、過(guò)負(fù)荷溫度、傳輸功率及功率損耗、表面電場(chǎng)強(qiáng)度、電暈損耗、無(wú)線電干擾、電暈可聽(tīng)噪聲及地面標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)、地面合成場(chǎng)強(qiáng)、地面離子流密度等內(nèi)容。

表2列出了全部7種導(dǎo)線的各項(xiàng)電氣計(jì)算值，可以直觀的看出各種導(dǎo)線的電氣特性。

通過(guò)表2可知，極導(dǎo)線分裂根數(shù)越多，導(dǎo)線直徑越大，其電氣性能就越好，但導(dǎo)線總截面也不能太大，電流密度不能太低，以避免投資過(guò)大，另外還應(yīng)考慮生產(chǎn)、施工、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

6分裂及以上極導(dǎo)線方案在高海拔條件下，其電氣性能、電場(chǎng)效應(yīng)、無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲方面均有較大優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，7種導(dǎo)線組合均滿足電氣特性的要求，現(xiàn)對(duì)7種導(dǎo)線的機(jī)械特性進(jìn)行比較。

表2 各種導(dǎo)線的電氣特性

表3 各導(dǎo)線的機(jī)械性能表

5 導(dǎo)線機(jī)械性能計(jì)算

5.1 導(dǎo)線機(jī)械特性的計(jì)算

參與比選的各導(dǎo)線機(jī)械性能見(jiàn)表3，表中，L為規(guī)律檔距，單位為m。

由表3可以看出，6種導(dǎo)線由于拉重比接近，在7.26～7.82之間，弧垂相差不大，規(guī)律檔距在600 m時(shí)，最大弧垂差值為1.82 m。

覆冰過(guò)載能力上，最大為 JL／G3A－1120／50，最小為ACSR－720／50，最大差值為規(guī)律檔距400 m時(shí)的2.61 mm，均能滿足本工程過(guò)載能力的要求。

5.2 導(dǎo)線懸點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算

懸掛點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，根據(jù)《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（報(bào)批稿）的規(guī)定應(yīng)不小于2.25。不同覆冰工況時(shí)，懸掛點(diǎn)應(yīng)力允許的最大高差計(jì)算見(jiàn)表4。

在 900 mm2截面導(dǎo)線中，JL／G3A－900／40 導(dǎo)線的適用范圍將受一定限制，特別是相對(duì)高差較大的山地不建議采用。

5.3 導(dǎo)線荷載

參與比選的各導(dǎo)線荷載情況見(jiàn)表5，表中選取JL／G3A－900／40 為基準(zhǔn)導(dǎo)線。

從表5可以看出：

1）水平荷載，變化范圍在 92.92%～121.07%，5×JL／G3A－1120／50 最小，8×ACSR-720/50 最大。 各導(dǎo)線組合方案相差較大，最大達(dá)到28.15%，對(duì)桿塔重量影響較大，約為8%，對(duì)工程投資影響較大。

2）垂直荷載，覆冰10 mm變化范圍在99.29%～119.14% ，5×JL／G3A －1120／50 最 小 ，6 ×JL／G3A －1120／50 最大。

表4 10 mm冰區(qū)滿足懸掛點(diǎn)應(yīng)力條件下的最大允許高差

表5 參與比選的各導(dǎo)線荷載情況表

3）對(duì)于最大張力，變化范圍在100.00%～121.87%，6×JL／G3A－900／40 最小，6×JL／G3A－1120／50 最大，最大差21.87%，對(duì)桿塔重量影響較大，約為5%，耐張串的配置均需要3×530 kN。

4）6種導(dǎo)線的弧垂特性，由于拉重比接近，在7.26～7.82之間，弧垂相差不大，規(guī)律檔距在600 m時(shí)，最大弧垂差值為1.82 m。

導(dǎo)線的弧垂特性也與導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)鋁鋼截面比加大時(shí)，其弧垂特性變差，鋁鋼截面比一樣時(shí)，弧垂特性相差不多，JL／G3A－1120／50 最優(yōu)，ACSR－720／50最差。總體來(lái)說(shuō)，所選的導(dǎo)線方案均能滿足工程對(duì)導(dǎo)線機(jī)械性能的要求。

5）覆冰過(guò)載能力上，最大為 JL／G3A－1120／50，最小為ACSR－720／50，最大差值為規(guī)律檔距400 m時(shí)的2.61 mm，均能滿足設(shè)計(jì)覆冰和驗(yàn)算覆冰的要求， 而 JL／G3A－1120／50 和 JL／G2A－900／75 最大，ACSR－720／50最小。兩種結(jié)構(gòu)900 mm2截面導(dǎo)線覆冰過(guò)載能力接近，相差1 mm左右。過(guò)載時(shí)，導(dǎo)線最低點(diǎn)的最大張力達(dá)到其計(jì)算拉斷力60%時(shí)相應(yīng)的計(jì)算覆冰厚度。隨導(dǎo)線截面的加大，其覆冰過(guò)載能力也相應(yīng)增大，6種導(dǎo)線均滿足10 mm及以下冰區(qū)抗過(guò)載要求。

6 導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性能計(jì)算

6.1 年費(fèi)用最小法計(jì)算方法

年費(fèi)用法為財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)方法之一，能反映工程投資的合理性、經(jīng)濟(jì)性。年費(fèi)用比較法是將參加比較的諸多方案在計(jì)算期內(nèi)的全部支出費(fèi)用折算成等額年費(fèi)用比較，年費(fèi)用低的方案在經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)。年費(fèi)用包含初投資年費(fèi)用、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、電能損耗費(fèi)用及資金的時(shí)間價(jià)值（即利息）。為了進(jìn)一步分析各種導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性，采用最小年費(fèi)用法對(duì)4種導(dǎo)線組合的年費(fèi)用進(jìn)行了計(jì)算。

式中：NF—年費(fèi)用 （平均分布在從m＋1到m＋n期間的幾年內(nèi)）；Z—折算到第m年的總投資；u—折算年運(yùn)行費(fèi)用；m—施工年數(shù)；n—工程使用年限；t—從工程開(kāi)工這一年起的年份；t′—工程部分投產(chǎn)的年份；r0—經(jīng)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門規(guī)定的電力工業(yè)投資回收率或稱電力工業(yè)投資利用率。

6.2 年費(fèi)用

各導(dǎo)線方案的年費(fèi)用，在損失小時(shí)數(shù)3000～5000 h的計(jì)算結(jié)果（計(jì)及電暈損耗）見(jiàn)表6。

從表6可以看出：

隨著電價(jià)、回收率和損失小時(shí)數(shù)提高，年費(fèi)用也隨之提高。

回收率8%時(shí)，損失小時(shí)數(shù)在3000～5000 h范圍變化時(shí)，大截面導(dǎo)線 6×JL／G3A－1120／50 年費(fèi)用方面最小，其次為 6×JL／G3A－1000／45，6×JL／G3A－900／40、6×JL／G2A－900／75 和 5×JL／G3A－1120／50三種導(dǎo)線的年費(fèi)用相差不大。

表6 各種結(jié)構(gòu)導(dǎo)線年費(fèi)用計(jì)算結(jié)果 萬(wàn)元／km

回收率10%時(shí)，損失小時(shí)數(shù)在3000～5000 h范圍變化時(shí)，6×JL／G3A－1120／50 年費(fèi)用方面最小，6×JL／G3A－1000／45 年費(fèi)用損失小時(shí)數(shù) 3000 h，電價(jià)低于 0.35 元 ／kWh 時(shí)，大于 6×JL／G3A－900／40 導(dǎo)線。

回收率 12%時(shí)，5×JL／G3A－1120／50 和 6×JL／G3A－1120／50具有年費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)，尤其是損失小時(shí)數(shù)在 3000 h，5 分裂的 JL／G3A－1120／50 的年費(fèi)用優(yōu)于 6 分裂。但 6×JL／G3A－1000／45 的年費(fèi)一直大于6×JL／G3A－900／40 導(dǎo)線， 主要是大截面導(dǎo)線本體投資的增加幅度大于損耗增加的比重。

總的來(lái)說(shuō)，1000 mm2以上的大截面導(dǎo)線具有比900 mm2截面更具有年費(fèi)用上的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，決定性因素在于電能損耗在年費(fèi)用的比重隨著損耗小時(shí)數(shù)和電價(jià)的提高越來(lái)越大。上述的分析再次驗(yàn)證大截面導(dǎo)線在節(jié)能降耗上面的優(yōu)越性。

鑒于國(guó)內(nèi)最大截面的導(dǎo)線為已投運(yùn)的±660 kV寧東直流工程，采用 4×JL／G3A－1000／45大截面導(dǎo)線。6×1000 mm2及以上的大截面導(dǎo)線存在國(guó)內(nèi)未有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、加工制造困難、需要研制新型施工工具、增加本體造價(jià)等因素，暫不推薦超過(guò)1000 mm2截面的5×JL／G3A－1120／50、6×JL／G3A－1120／50、6×JL／G3A－1000／45三種導(dǎo)線組合。但隨著大截面導(dǎo)線制造工藝的成熟、供貨能力的提高及施工、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，大截面導(dǎo)線在工程上的運(yùn)行存在廣闊的前景。

其他四種導(dǎo)線，6×JL／G3A－900／40 導(dǎo)線的年費(fèi)用最低。

6×JL／G3A－900／40 較 6×JL／G2A－900／75、7×LGJ－800／55、8×ASCR－720／50 的年費(fèi)用低的主要原因如下。

1）考慮比選導(dǎo)線的機(jī)械特性，水平荷載，6×JL／G3A－900／40 最小，8×ACSR－720／50 最大，最大達(dá)到21.07%，對(duì)桿塔重量影響較大，約為8%。

2）垂直荷載，覆冰 10 mm 時(shí)，6×JL／G3A－900／40最小，8×ACSR－720／50 最大。最大差值在 19.06%，對(duì)塔重影響約2%。

3）縱向張力，變化范圍在 97.52%～115.99%，，8×LGJ－630／45 最小，6×JL／G2A－900／75，最大差18.47%，對(duì)桿塔重量影響較大，約為5%。

4）導(dǎo)線價(jià)格上，由于 6×JL／G3A－900／40 最輕，不僅使導(dǎo)線的垂直荷載最小，而且使導(dǎo)線的初始投資也將最低。

5）大截面導(dǎo)線，分裂數(shù)相同時(shí)，一般直流電阻較小，電阻損耗占有優(yōu)勢(shì)，影響年運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算。

綜上原因，整個(gè)壽命周期內(nèi)，除3種截面超過(guò)1000 mm2的導(dǎo)線外，6×JL／G3A－900／40 年運(yùn)行費(fèi)用最低。

7 結(jié)語(yǔ)

大截面導(dǎo)線雖然在機(jī)械特性上（包括水平荷載、垂直荷載、張力荷載）較常規(guī)導(dǎo)線有較大劣勢(shì)，造成相應(yīng)工程初始靜態(tài)投資的增加，但由于其在減小電能損耗上有較大優(yōu)勢(shì)，尤其是損耗小時(shí)數(shù)大，投資回收率大時(shí)，其全壽命周期內(nèi)的成本較低，因此，雖然運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏，但隨著設(shè)計(jì)、制造和施工水平的同步提高，大截面導(dǎo)線具有廣闊的應(yīng)用前景。

如何減少大截面導(dǎo)線在工程初始時(shí)的本體投資，由此將引起新型導(dǎo)線的研究問(wèn)題，比如在等直徑情況下增大導(dǎo)線截面（增加輸送容量，減少電阻及損耗），或者等截面情況下縮小導(dǎo)線直徑（減少水平荷載）等等，本文可為后續(xù)問(wèn)題的研究提供支持。

［1］中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司.Q／DG 1－A012－2008±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則［S］．

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

［3］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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（27）：1－6．

［4］薛志方，程思勇，何民，等．糯扎渡—廣東±800 kV直流輸電線路導(dǎo)線選型［J］．高電壓技術(shù)，2009，35（10）：2344－2349．

［5］李敏，余占清，曾嶸，等．高海拔±800 kV直流輸電線路電磁環(huán)境測(cè)量［J］．南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5（1）：42－45．

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

［7］張殿生．電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2003．