粵港澳大灣區(qū)500 kV外環(huán)線路北江大跨越導(dǎo)線選型

邢 明，吳才亮，任美玲，高 幸

(佛山電力設(shè)計院，廣東 佛山 528200)

粵港澳大灣區(qū)500 kV外環(huán)線路工程主要為灣區(qū)匯聚電力，解決廣東電網(wǎng)短路電流超標(biāo)、珠三角核心區(qū)域潮流穿越引起電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題，對提前實現(xiàn)碳達(dá)峰具有重要意義。

線路跨越北江，跨越檔檔距1500 m，耐張段長度2700 m，兩岸均為平地，沒有天然地形可利用。由于本工程陸上一般線路段導(dǎo)線輸送容量大，大跨越段合理選擇滿足輸送容量要求的導(dǎo)線對大跨越線路降低桿塔投資、降低運(yùn)行損耗有著十分深遠(yuǎn)的意義。

1 導(dǎo)線選型邊界條件

導(dǎo)線作為輸電線路最主要部件之一，首先需滿足輸送電能的要求，同時能保證安全可靠地運(yùn)行，并保證導(dǎo)線在電氣特性和機(jī)械性能兩方面滿足相關(guān)規(guī)程、規(guī)范等的要求，對超高壓輸電線路還需特別考慮環(huán)境影響問題，而且在經(jīng)濟(jì)上是合理的。

1.1 系統(tǒng)條件

系統(tǒng)額定電壓500 kV，正常運(yùn)行輸送容量1003MVA，最大利用小時數(shù)5300 h，極限輸送容量6928 MVA。

1.2 導(dǎo)線最高允許溫度

鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線的允許溫度可采用90℃[3]，耐熱鋼芯鋁合金絞線可采用150℃。

1.3 電磁環(huán)境

500 kV線路電場環(huán)境限值如表1所示。

表1 500 kV線路電磁環(huán)境限值標(biāo)準(zhǔn)

1.4 機(jī)械強(qiáng)度

導(dǎo)線在弧垂最低點的最大使用張力不應(yīng)大于拉斷力的40%，懸掛點張力不超過拉斷力的44%[3]。

平均運(yùn)行應(yīng)力是導(dǎo)線在平均氣溫狀態(tài)的綜合應(yīng)力，確定導(dǎo)線平均運(yùn)行應(yīng)力，應(yīng)使鋁股或鋁合金股的應(yīng)力不大于各自的疲勞極限。高強(qiáng)鋁合金的疲勞極限應(yīng)力在8～9 kg/mm2，使特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)度鋁合金絞線平均運(yùn)行張力控制在20%左右是合適的[1]。

2 導(dǎo)線型式初選

2.1 導(dǎo)線截面

根據(jù)系統(tǒng)輸送容量要求，導(dǎo)線分裂數(shù)可選擇4、6、8三種組合方式，如表2所示。

表2 各種分裂數(shù)載流量

2.2 導(dǎo)線材質(zhì)選擇

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)線種類也越來越多。根據(jù)我國幾十年來的大跨越輸電設(shè)計經(jīng)驗，目前仍被廣泛應(yīng)用于大跨越輸電工程的導(dǎo)線主要有：特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)鋁合金絞線、特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金線等。這兩種導(dǎo)線加強(qiáng)芯都是采用的特高強(qiáng)度鍍鋅鋼線，抗拉強(qiáng)度≥1770 MPa、1%伸長應(yīng)力≥1550 MPa、鍍鋅層質(zhì)量≥260 g/m2[2]。

特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)鋁合金絞線導(dǎo)電基體部分采用高強(qiáng)度鋁合金線，抗拉強(qiáng)度≥315MPa，電阻率≤32.84nΩm。[7]特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁合金絞線導(dǎo)電基體部分采用高強(qiáng)度耐熱鋁合金線，抗拉強(qiáng)度≥225 MPa、電阻率≤31.347 nΩm。

2.3 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)初選

根據(jù)以往大跨越輸電導(dǎo)線選擇經(jīng)驗，對檔距處于1000～1500 m的，拉重比不宜＜12；對跨越超過1500 m的，拉重比不宜＜15[2]。

根據(jù)對以往大跨越導(dǎo)線統(tǒng)計，導(dǎo)線的弧垂特性還取決于鋁鋼截面比。選取合適的導(dǎo)線鋁鋼截面比對于大跨越工程十分重要。通過對我國大跨越工程導(dǎo)線使用情況的統(tǒng)計，結(jié)果表明對于跨越檔距為1.2～2 km的大跨越，導(dǎo)線鋁（鋁合金）鋼比一般取為1.8～3.8，導(dǎo)線結(jié)構(gòu)還直接影響耐振性能，優(yōu)先采用多股多層導(dǎo)線，有利于降低導(dǎo)線的動彎應(yīng)變[1]。

根據(jù)以上經(jīng)驗值，再結(jié)合系統(tǒng)輸送容量要求，選擇了拉重比處于13～16.5、鋁（鋁合金）鋼比處于1.8～3.8的8種導(dǎo)線進(jìn)行比選，根據(jù)其載流量的要求，組成。初選導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 初選導(dǎo)線結(jié)構(gòu)表

3 導(dǎo)線電氣性能比較

3.1 允許載流量

根據(jù)系統(tǒng)條件，事故時極限輸送容量為6928 MVA，在導(dǎo)線選擇時應(yīng)使導(dǎo)線溫升不超過允許值，經(jīng)計算各種導(dǎo)線允許載流量如表4所示。

表4 導(dǎo)線載流量及最大允許輸送容量

根據(jù)計算結(jié)果，各方案導(dǎo)線在允許溫度下均滿足極限輸送容量要求，且具備較大的擴(kuò)容空間。

3.2 電磁環(huán)境分析

導(dǎo)線電磁環(huán)境計算[5]，結(jié)果如表5所示。

表5 500 kV線路電磁環(huán)境計算結(jié)果

3.3 電能損耗

3.3.1 電阻損耗

根據(jù)電阻損耗計算公式，計算得到不同導(dǎo)線電阻損耗如表6所示。

表6 線路年電阻損耗電能 萬kWh

3.3.2 電暈損耗

根據(jù)導(dǎo)線表面平均場強(qiáng)的有效值和電暈起始場強(qiáng)，利用試驗和運(yùn)行線路的數(shù)據(jù)，計算得到修正后不同氣象的小時數(shù)和導(dǎo)線平均電暈損耗功率，如表7所示。

表7 修正后氣象小時數(shù)及各導(dǎo)線電暈損耗功率

3.3.3 年損耗電能

根據(jù)電阻損耗和電暈損耗計算結(jié)果，電能損耗結(jié)果如表8所示。

表8 線路年損耗電能 萬kWh

由計算結(jié)果可知，若采用小界面導(dǎo)線，全年電能損耗約48.0～59.3萬kWh。采用800 mm2以上界面導(dǎo)線，每年可節(jié)約電能損耗約19.7萬kWh以上，節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益較為顯著。

4 導(dǎo)線機(jī)械性能比較

4.1 弧垂特性比較

根據(jù)導(dǎo)線載流量計算結(jié)果，各導(dǎo)線在滿足極限輸送容量情況下，根據(jù)導(dǎo)線力學(xué)特性，結(jié)合規(guī)程規(guī)范及工程氣象條件，計算得到各導(dǎo)線在實際檔距下的弧垂，如表9所示。

表9 允許溫度下導(dǎo)線弧垂

4.2 機(jī)械特性比較

根據(jù)導(dǎo)線的參數(shù)，計算得到各導(dǎo)線方案的機(jī)械特性如表10所示。

表10 導(dǎo)線荷載一覽表

5 經(jīng)濟(jì)性比較

5.1 本體費(fèi)用

根據(jù)本工程條件，綜合導(dǎo)線、鐵塔、基礎(chǔ)等材料費(fèi)用和施工費(fèi)用等，各導(dǎo)線方案的本體投資如表11所示。

表11 各導(dǎo)線方案本體投資 萬元

5.2 經(jīng)濟(jì)性分析

年費(fèi)用法為財務(wù)評價方法之一，能反映工程投資的合理性和經(jīng)濟(jì)性。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)用及資金的時間價值（計利息），是將各方案按照資金的時間價值折算到某基準(zhǔn)年的總費(fèi)用平均分布到項目運(yùn)行期的各年，年費(fèi)用低的方案在經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)。

5.2.1 計算方法

按電力工業(yè)部（82）電計字第44號文《頒發(fā)“電力工程經(jīng)濟(jì)分析暫行條例”的通知》第十五條經(jīng)濟(jì)計算方法，等年值費(fèi)用計算公式進(jìn)行計算。

5.2.2 經(jīng)濟(jì)參數(shù)選取

建設(shè)年限兩年。線路工程經(jīng)濟(jì)使用期30年。設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)為1.5%本體費(fèi)用。電力工程回收率取為7%。上網(wǎng)電價根據(jù)發(fā)改價格〔2015〕748號《國家發(fā)改委關(guān)于降低燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價和工商業(yè)用電價格的通知》，廣東省的燃煤發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價為0.4735元/kWh。另外，考慮電價波動，分別按0.45元/kWh、0.4735元/kWh和0.5元/kWh進(jìn)行計算。

5.2.3 年費(fèi)用比較

根據(jù)不同導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的電阻損失、電暈損失、工程投資等因素，計算得到各導(dǎo)線方案的經(jīng)濟(jì)特性表12所示。

表12 各導(dǎo)線方案經(jīng)濟(jì)特性表

5.3 導(dǎo)線業(yè)績分析

5.3.1 供貨業(yè)績及產(chǎn)能

廠家的供貨業(yè)績及產(chǎn)能對于導(dǎo)線的采購、工程進(jìn)度和質(zhì)量的管控以及運(yùn)行的便利都有著十分重要的意義。目前國內(nèi)主要導(dǎo)線廠家均能生產(chǎn)特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線和特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線。

5.3.2 運(yùn)行維護(hù)

統(tǒng)計20年投產(chǎn)大跨越工程，其導(dǎo)線多為特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線，導(dǎo)線截面主要以2×610/270、2×720/300、2×1000/260為主。

因此對于特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線運(yùn)行維護(hù)難度小，經(jīng)驗比較豐富，而特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線運(yùn)行經(jīng)驗相對較少。

6 導(dǎo)線選型結(jié)論及建議

本專題從載流量、電磁環(huán)境、電能損耗、弧垂特性、桿塔荷載、本體投資和運(yùn)行周期年費(fèi)用等多個方面對特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線、特強(qiáng)鋼芯鋁合金導(dǎo)線進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

所選導(dǎo)線均能滿足系統(tǒng)輸送容量的要求，電氣性能滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求。

在正常輸送容量情況下，各種導(dǎo)線的電流密度約為0.241～0.478A/mm2，相對于經(jīng)濟(jì)電流密度來說均偏小。

電磁環(huán)境方面，本專題從地面電場強(qiáng)度、地面磁場強(qiáng)度、無線電干擾和可聽噪聲4個方面對比選導(dǎo)線進(jìn)行了計算，結(jié)果表明：地面磁場強(qiáng)度、無線電干擾和可聽噪聲遠(yuǎn)小于規(guī)程規(guī)范的限值要求。

導(dǎo)線弧垂特性方面，特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線系列中拉重比最大JNRLH2/G4A-500/230導(dǎo)線弧垂最小。拉重比最小JNRLH2/G4A-1000/260導(dǎo)線弧垂最大。特強(qiáng)鋼芯鋁合金導(dǎo)線系列中拉重比最大LHA1/G4A-800/450導(dǎo)線弧垂最小。拉重比最小的JLHA1/G4A-630/170導(dǎo)線弧垂最大。

綜合導(dǎo)線荷載、風(fēng)偏角、弧垂特性等對線路桿塔和基礎(chǔ)材料量的影響，不同導(dǎo)線方案的鐵塔耗鋼量和基礎(chǔ)方量的比較結(jié)果為：8×JLHA1/G4A-630/170導(dǎo)線水平荷載最大，4×JNRLHA2/G4A-900/240導(dǎo)線水平荷載最小。6×JLHA1/G4A-800/450導(dǎo)線垂直荷載最大，8×JNRLH2/G4A0300/80導(dǎo)線垂直荷載最小。6×JLHA1/G4A-800/450導(dǎo)線縱向荷載最大，8×JNRLH2/G4A-300/80導(dǎo)線縱向荷載最小。6×JLHA1/G4A-800/450導(dǎo)線鐵塔塔重最大，6×JNRLH2/G4A-500/230導(dǎo)線鐵塔塔重最小。6×JLHA1/G4A-800/450導(dǎo)線基礎(chǔ)砼最大，6×JNRLH2/G4A-500/130導(dǎo)線基礎(chǔ)砼最小。

本體投資方面，8×JNRLH2/G4A-300/80導(dǎo)線的投資最小。

導(dǎo)線節(jié)能效益方面，特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線損耗相對特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線損耗較大。特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線系列中4×JNRLH2/G4A-1000/260導(dǎo)線損耗最小。

綜合考慮工程本體投資、電能損耗費(fèi)用和資金的時間價值，各導(dǎo)線年費(fèi)用比較結(jié)果為鋁包鋼芯鋁絞線6×JNRLH2/G4A-500/130導(dǎo)線的年費(fèi)用最小，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。其次是4×JNRLH2/G4A-900/240導(dǎo)線。

對于導(dǎo)線選型，還需考慮導(dǎo)線生產(chǎn)能力和運(yùn)行經(jīng)驗等因素：廠家的供貨業(yè)績及產(chǎn)能對于導(dǎo)線的采購、工程進(jìn)度和質(zhì)量的管控以及運(yùn)行的便利都有著十分重要的意義。目前國內(nèi)主要導(dǎo)線廠家均能生產(chǎn)特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線和特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線。

統(tǒng)計廣東省內(nèi)近20年投產(chǎn)大跨越工程，其導(dǎo)線多為特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線，導(dǎo)線截面主要以2×610/270、2×720/300、2×1000/260為主。因此對于特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線運(yùn)行維護(hù)難度小，經(jīng)驗比較豐富，而特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線運(yùn)行經(jīng)驗相對較少。

綜上所述，考慮到本工程線路的重要性，推薦具有成熟的生產(chǎn)、設(shè)計、施工和運(yùn)行經(jīng)驗的特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線系列中4×JNRLH2/G4A-1000/260。