高壓架空輸電線路大跨越導(dǎo)線選型研究

薛 磊

（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州）

引言

2020 年我國(guó)提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)后，國(guó)內(nèi)新能源裝機(jī)規(guī)模屢創(chuàng)新高，其中大量新能源光伏項(xiàng)目落地日照時(shí)間較長(zhǎng)的西北地區(qū)，為使清潔能源順利上網(wǎng)消納，需配套建設(shè)大量長(zhǎng)距離輸電線路，將電能輸送至東部用電負(fù)荷大的區(qū)域。

我國(guó)幅員遼闊，擁有七大水系，由北至南依次為松花江水系、遼河水系、海河水系、黃河水系、淮河水系、長(zhǎng)江水系、珠江水系。輸電線路作為線性工程，為節(jié)省投資，避免大范圍、長(zhǎng)距離的繞行，當(dāng)與上述水系或海峽交叉時(shí)，經(jīng)常會(huì)采用大跨越方式，在適宜的位置進(jìn)行跨越。

本文以某500kV 大跨越工程為例，對(duì)大跨越導(dǎo)線選型進(jìn)行對(duì)比分析，推薦出技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的導(dǎo)線型號(hào)。

1 跨越方案選擇

1.1 大跨越定義

大跨越是指線路跨越通航江河、湖泊或海峽等，因檔距較大（在1 000 m 以上）或桿塔較高（在100 m以上），導(dǎo)線選型或桿塔設(shè)計(jì)需特殊考慮，且發(fā)生故障時(shí)嚴(yán)重影響航運(yùn)或修復(fù)特別困難的耐張段[1]。

1.2 大跨越方案選擇

大跨越線路與常規(guī)線路相比，對(duì)設(shè)計(jì)水平、施工技術(shù)的要求更高，單位投資也更大，因此，一般需經(jīng)過(guò)充分對(duì)比，在具有明顯優(yōu)勢(shì)的情況下才會(huì)推薦采用大跨越進(jìn)行設(shè)計(jì)。

大跨越設(shè)計(jì)選線階段，設(shè)計(jì)人員需赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地踏勘，盡量選擇跨越水面距離短、周邊相對(duì)開(kāi)闊且有地形優(yōu)勢(shì)可利用的點(diǎn)位來(lái)規(guī)劃跨越塔塔位，同時(shí)需結(jié)合電網(wǎng)規(guī)劃，為遠(yuǎn)景線路預(yù)留足夠空間，避免對(duì)大跨越資源造成浪費(fèi)。

選定大跨越塔位后，需對(duì)各類導(dǎo)線方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。

2 導(dǎo)線選型主要原則

一般情況下，在導(dǎo)線選型時(shí)按允許載流量選擇，與本線路常規(guī)段允許的最大輸送容量相配合，再根據(jù)電氣、機(jī)械性能、制造供貨及已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等情況，結(jié)合工程實(shí)際條件，通過(guò)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

3 導(dǎo)線類型選擇

常用的特殊導(dǎo)線如加強(qiáng)鋼芯鋁絞線，加強(qiáng)（特高強(qiáng)）鋼芯耐熱鋁絞線、加強(qiáng)（特高強(qiáng)）型鋼芯鋁合金絞線，鋁包鋼絞線等，均有各有優(yōu)劣，其特性如下。

（1） 特高強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)耐熱鋁(鋁合金)絞線

耐熱鋁合金線長(zhǎng)期工作溫度允許150 ℃，短期工作溫度可達(dá)230 ℃，其允許載流量比同等截面鋼芯鋁絞線提高約35%，廣泛應(yīng)用于舊線路改造。為了減少桿塔荷載，鋼芯耐熱鋁合金絞線也時(shí)常作為大跨越導(dǎo)線。但這種導(dǎo)線用于大跨越也有顯著的不足，即其弧垂特性較差，因受鋼絲的疲勞極限的限制，受力時(shí)弧垂無(wú)法得到有效控制；另外其弧垂隨運(yùn)行溫度提高增加很快。以上兩點(diǎn)原因?qū)?dǎo)致用于大跨越時(shí)跨越塔呼高增加，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不占優(yōu)勢(shì)，因此該導(dǎo)線更多用于常規(guī)線路增容改造使用。

（2） 特高強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線

鋁合金線的抗拉強(qiáng)度比硬鋁線顯著提高，載流能力與鋼芯鋁絞線相差不大，弧垂特性好，線路覆冰嚴(yán)重地區(qū)常使用該導(dǎo)線。早在2019 年國(guó)內(nèi)研制的鋁合金材料抗拉強(qiáng)度就已提高至950 MPa，鋼絲抗拉強(qiáng)度較早期制造工藝也取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，使得特高強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線的技術(shù)參數(shù)優(yōu)點(diǎn)更加突出，在1 000 m 跨距以上的大跨越工程中有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因此，近年來(lái)500kV 及以上電壓等級(jí)重要的大跨越工程基本都采用了特高強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線，已積累了豐富的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

（3） 鋁包鋼絞線

鋁包綱絞線載流能力大于鋼絞線，抗拉強(qiáng)度接近于鋼絞線，防腐性能好。國(guó)內(nèi)鋁包鋼絞線生產(chǎn)水平已接近國(guó)外先進(jìn)水平，產(chǎn)品規(guī)格齊全，導(dǎo)電率有：14%、20.3%、23%、27%、30%、35%、40%七種，拉重比在12.9～18.9 之間，弧垂特性好。我國(guó)有不少大跨越工程采用了該種導(dǎo)線。但鋁包鋼絞線美中不足的是電能損耗大，一般情況下，鋁包鋼絞線的直流電阻比鋼芯鋁（合金）絞線高，用于交流線路時(shí)，交直流電阻比大，導(dǎo)致電能損耗大。案例工程輸送容量大，不適宜用電能損耗大的導(dǎo)線，因此不選擇鋁包鋼絞線進(jìn)行比選。

綜上，推薦案例工程選用不同截面的特高強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線進(jìn)行導(dǎo)線比選。

4 載流量比較

根據(jù)架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)公式，計(jì)算各導(dǎo)線方案允許載流量和極限輸送容量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 載流量比較情況表（A）

正常運(yùn)行工況，案例500kV 大跨越工程單回線路輸送容量約2 329 MVA，在某特殊工況下，要求單回輸送容量約為3 781 MVA，否則需調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式。因此從計(jì)算結(jié)果可知，極限輸送容量隨導(dǎo)線截面的增大而增大，所選導(dǎo)線方案均滿足正常運(yùn)行情況下輸送容量要求，其中鋁合金截面為500 mm2的導(dǎo)線在某特殊工況下，需調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式，其余鋁合金截面導(dǎo)線可滿足各工況運(yùn)行方式。

5 機(jī)械性能比較

5.1 導(dǎo)線弧垂

檔內(nèi)弧垂主要與導(dǎo)線型號(hào)、安全系數(shù)、年平均運(yùn)行應(yīng)力、導(dǎo)線拉重比有關(guān)，其中前幾項(xiàng)影響因子取值相同的情況下，檔內(nèi)弧垂主要受導(dǎo)線拉重比控制，見(jiàn)表2。

表2 拉重比對(duì)比表

案例工程各跨越方案最大跨越檔檔距范圍是1 156～1 686 m，根據(jù)國(guó)內(nèi)外110kV 至500kV 大跨越線路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，得到大跨越弧垂特性與跨越檔距的函數(shù)為“當(dāng)L＞1 000 m 時(shí)，取拉重比△＞12；當(dāng)L＞1 500 m 時(shí)，取拉重比△＞15”，由表2 可知，所選導(dǎo)線均滿足該要求。當(dāng)鋁合金總截面相同時(shí)，隨著特強(qiáng)鋼芯截面增大，導(dǎo)線拉重比逐漸增大，弧垂特性逐漸變好，可有效減少跨越檔弧垂，降低跨越塔呼高。

5.2 導(dǎo)線年平均運(yùn)行應(yīng)力

導(dǎo)線平均運(yùn)行應(yīng)力的取值，不僅影響直線跨越塔的塔高，而且直接影響導(dǎo)線本身的安全運(yùn)行[2]。國(guó)內(nèi)EDS 占UTS 的百分比基本處于17.7～25%，其中以20.5%以上居多，國(guó)外的大跨越水平平均運(yùn)行應(yīng)力與UTS 比值在18%～23%居多，據(jù)了解這些工程運(yùn)行良好，經(jīng)計(jì)算導(dǎo)線懸掛點(diǎn)鋁合金部應(yīng)力均不大于9 kg/mm2，因此推薦案例工程導(dǎo)線年平均運(yùn)行張力按不大于20%RTS控制，并按照懸掛點(diǎn)鋁合金部應(yīng)力不大于9 kg/mm2校核。

6 電磁環(huán)境比較

架空輸電線路的電磁環(huán)境主要包括電場(chǎng)效應(yīng)、可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電干擾等方面。案例工程海拔未超過(guò)1 000 m，經(jīng)計(jì)算電磁環(huán)境均未超過(guò)以下限值。

地面合成場(chǎng)強(qiáng)限值：當(dāng)線路臨近民房時(shí)，房屋所在位置離地面1.5 m 處未畸變電場(chǎng)不得超過(guò)4kV/m。

無(wú)線電干擾限值：海拔1 000 m 及以下地區(qū)，距離500kV 線路邊相導(dǎo)線水平投影外側(cè)20 m 處、離地2 m 且頻率為0.5 MHz 時(shí)，無(wú)線電干擾設(shè)計(jì)控制值不應(yīng)大于55dB（μV/m）。

可聽(tīng)噪聲限值：海拔1 000 m 及以下地區(qū)，距離500kV 線路邊相導(dǎo)線地面水平投影外側(cè)20 m，濕導(dǎo)線的可聽(tīng)噪聲設(shè)計(jì)控制值不應(yīng)大于55dB（A），并應(yīng)符合環(huán)境保護(hù)主管部門批復(fù)的聲環(huán)境指標(biāo)[3]。

7 年費(fèi)用比較

按電力工業(yè)部(82)電計(jì)字第44 號(hào)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(jì)算-年費(fèi)行最小法，計(jì)算公式為：

式中：

NF-年費(fèi)用(平均分布在m+1 到m+n 期間的n 年內(nèi))

Z-折算到第m 年的總投資

μ-折算年運(yùn)行費(fèi)用

m-施工年數(shù)

n-經(jīng)濟(jì)使用年數(shù)

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

ro-電力工程投資的回收率。

根據(jù)案例工程的實(shí)際情況，按以下原則計(jì)算年費(fèi)用：

(1) 考慮開(kāi)工年為2023 年，投產(chǎn)為2025 年，建設(shè)期2 年經(jīng)濟(jì)使用年限為40 年計(jì)；

(2) 按第一年投資60%，第二年投資為40%；

(3) 年損耗小時(shí)數(shù)按5 700 小時(shí)計(jì)；

(4) 設(shè)備運(yùn)行維護(hù)率為2%；

(5) 電力工程回收率按8%計(jì)；

(6) 上網(wǎng)電價(jià)按0.41 元/kW·h 計(jì)；

(7) 僅對(duì)本體建設(shè)差異部分計(jì)算年費(fèi)用，各方案相同投資部分不參與計(jì)算。

根據(jù)上述原則年費(fèi)用計(jì)算如表3。

表3 各導(dǎo)線方案年費(fèi)用計(jì)算對(duì)比表（A）

由表3 可見(jiàn)，年費(fèi)用最優(yōu)的導(dǎo)線為JLHA1/G4A-720/320，其次為JLHA1/G4A-640/290。其中JLHA1/G4A-720/320 導(dǎo)線一次性建設(shè)投資最多，滿足各工況使用，但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)略少，因此案例大跨越工程推薦導(dǎo)線采用JLHA1/G4A-640/290 型特高強(qiáng)鋼芯鋁合金導(dǎo)線。

8 結(jié)論

高壓架空輸電線路大跨越工程宜選用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富的導(dǎo)線類型，根據(jù)線路各運(yùn)行工況需要輸送的最大潮流，初選出適用的導(dǎo)線截面區(qū)間，再根據(jù)導(dǎo)線機(jī)械性能，結(jié)合工程實(shí)際桿塔落點(diǎn)，試算各導(dǎo)線對(duì)應(yīng)桿塔呼高，最后通過(guò)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選擇年費(fèi)用最優(yōu)導(dǎo)線。