±800 k V特高压直流线路大截面导线选型研究

林清海

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 概述

特高压线路采用大截面导线，在减小线路损耗，降低输电线路表面场强、无线电干扰和可听噪声等方面具有比较大的优势。

大截面导线在国外的应用比较广泛，技术也非常成熟，其中以日本的用量为最大。日本275 kV系统中普遍采用 2×810 mm2、2×1160 mm2、4×810 mm2导线；500 kV 导线的截面已达到 2×1160 mm2、6×810 mm2；1000 kV 导线采用 8×810 mm2、8×960 mm2。美国有少量2×ACSR－1172／76导线在太平洋联络线应用。

近年来，在国内的直流输电（如三沪、三广线）以及东部经济发达地区的主干网中采用了720 mm2大截面导线。

已投运的±660 kV宁东直流工程，采用4×JL／G3A－1000／45大截面导线，分裂间距500 mm。

已投运的±800 kV向家坝—上海特高压直流工程，采用 6×ACSR－720／50 导线，分裂间距 450 mm。

在建±800 kV锦屏—苏南特高压直流工程，采用6×JL／G3A－900／40 和 6×JL／G2A－900／75 导线，分裂间距450 mm。

在建的±800 kV哈密—郑州特高压直流工程，采用 6×JL／G3A－1000／45 导线。

JL／G3A－900／40 结 构 的 导 线 铝 钢 截 面 比 为23.14，为特轻型导线，为满足工程使用要求，钢芯需选用特高强度镀锌钢线。

1 导线选择的主要原则

导线选择是超、特高压输电线路的重要课题，对线路的输送容量、传输性能、电磁环境问题（静电感应、电晕、无线电干扰、噪声等），以及输电线路的技术经济指标都有很大的影响，同时对降低工程造价和长期运行维护有着十分深远的意义［1］。

在特高压直流线路导线选择中，要充分考虑导线的电气特性和机械特性。

在电气特性方面，特高压线路由于电压的升高，导线电晕而引起的各种问题，特别是环境保护问题将比超高压线路本体问题更加突出，从国内外的实验研究和工程实践情况看，采用多分裂导线并合理选择导线直径和分裂形式是确保导线良好电气性能及满足环境保护要求的有效途径。

对于导线的机械特性，要使特高压输电线路能安全可靠的运行，要求导线具有优良的机械性能和一定的安全度，特别是线路经过高山大岭（大档距和大高差）及严重覆冰地区。

根据特高压直流输电线路的特点，导线选择时，在电气特性、机械性能、经济性等方面需综合考虑以下因素：导线电流密度、导线最高允许温度；地面标称电场强度；地面合成电场强度；地面离子流密度；无线电干扰水平；电晕可听噪声；机械强度；年费用；其它方面（如导线的电晕损失、对杆塔重量及绝缘子金具的影响及制造、施工条件等）。

2 导线选型的主要内容

确定系统边界条件及导线选择的主要控制参数。

根据系统输送容量确定导线经济电流密度，初步确定导线总截面。

根据杆塔规划结果，选择典型塔型，计算各备选导线方案的电气特性，包括导线的过负荷温度、传输功率及功率损耗、地面标称电场强度、地面合成电场强度及地面离子流密度、地面磁场强度、无线电干扰、电晕可听噪声，并进行比较，研究直流输电线路对环境的影响，确定满足电磁环境指标的可行导线方案。

计算各备选导线方案的机械特性，包括弧垂特性、荷载特性（水平荷载、垂直荷载、张力）、覆冰过载能力和悬点应力允许高差等，确定合理的导线方案。

采用年费用最小法对备选导线进行综合经济比较，以年费用最小来确定推荐常规导线方案。

3 导线选型的主要控制参数

导线选择的主要控制参数参照《±800 kV直流架空输电设计规范》（国标报批稿），其限值见表 1［3－4］。

说明：

1）地面磁场强度，实际计算值远小于该限值，可不考虑磁场强度的影响。

2）无线电干扰水平，海拔不超过1000 m，20 m处 0.5 MHz 无线电干扰场强 80% ／／80% 值［5］。

3）可听噪声，20 m处时由电晕产生的可听噪声，50%值。

表1 导线选择主要控制参数限值一览表

4）无线电干扰的高海拔修正，根据《±800 kV直流架空输电线路设计规范》（报批稿），以1000 m为基准，海拔高度每增加300 m，无线电干扰限值增加1 dB。

5）可听噪声的高海拔修正，根据《±800 kV直流架空输电线路设计规范》（报批稿），以1000 m为基准，海拔高度每增加300 m，噪声限值增加1 dB。

导线的选择除了考虑以上因素以外，应从电气特性、机械特性和经济性三个方面进行了详细的技术经济比较，推荐出在技术和经济上最优的导线截面和分裂型式。

4 导线电气性能计算

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、表面电场强度、电晕损耗、无线电干扰、电晕可听噪声及地面标称场强、地面合成场强、地面离子流密度等内容。

表2列出了全部7种导线的各项电气计算值，可以直观的看出各种导线的电气特性。

通过表2可知，极导线分裂根数越多，导线直径越大，其电气性能就越好，但导线总截面也不能太大，电流密度不能太低，以避免投资过大，另外还应考虑生产、施工、运行经验。

6分裂及以上极导线方案在高海拔条件下，其电气性能、电场效应、无线电干扰和可听噪声方面均有较大优势。

综上所述，7种导线组合均满足电气特性的要求，现对7种导线的机械特性进行比较。

表2 各种导线的电气特性

表3 各导线的机械性能表

5 导线机械性能计算

5.1 导线机械特性的计算

参与比选的各导线机械性能见表3，表中，L为规律档距，单位为m。

由表3可以看出，6种导线由于拉重比接近，在7.26～7.82之间，弧垂相差不大，规律档距在600 m时，最大弧垂差值为1.82 m。

覆冰过载能力上，最大为 JL／G3A－1120／50，最小为ACSR－720／50，最大差值为规律档距400 m时的2.61 mm，均能满足本工程过载能力的要求。

5.2 导线悬点应力的计算

悬挂点的设计安全系数，根据《±800 kV直流架空输电线路设计规范》（报批稿）的规定应不小于2.25。不同覆冰工况时，悬挂点应力允许的最大高差计算见表4。

在 900 mm2截面导线中，JL／G3A－900／40 导线的适用范围将受一定限制，特别是相对高差较大的山地不建议采用。

5.3 导线荷载

参与比选的各导线荷载情况见表5，表中选取JL／G3A－900／40 为基准导线。

从表5可以看出：

1）水平荷载，变化范围在 92.92%～121.07%，5×JL／G3A－1120／50 最小，8×ACSR-720/50 最大。 各导线组合方案相差较大，最大达到28.15%，对杆塔重量影响较大，约为8%，对工程投资影响较大。

2）垂直荷载，覆冰10 mm变化范围在99.29%～119.14% ，5×JL／G3A －1120／50 最 小 ，6 ×JL／G3A －1120／50 最大。

表4 10 mm冰区满足悬挂点应力条件下的最大允许高差

表5 参与比选的各导线荷载情况表

3）对于最大张力，变化范围在100.00%～121.87%，6×JL／G3A－900／40 最小，6×JL／G3A－1120／50 最大，最大差21.87%，对杆塔重量影响较大，约为5%，耐张串的配置均需要3×530 kN。

4）6种导线的弧垂特性，由于拉重比接近，在7.26～7.82之间，弧垂相差不大，规律档距在600 m时，最大弧垂差值为1.82 m。

导线的弧垂特性也与导线的结构有关，当铝钢截面比加大时，其弧垂特性变差，铝钢截面比一样时，弧垂特性相差不多，JL／G3A－1120／50 最优，ACSR－720／50最差。总体来说，所选的导线方案均能满足工程对导线机械性能的要求。

5）覆冰过载能力上，最大为 JL／G3A－1120／50，最小为ACSR－720／50，最大差值为规律档距400 m时的2.61 mm，均能满足设计覆冰和验算覆冰的要求， 而 JL／G3A－1120／50 和 JL／G2A－900／75 最大，ACSR－720／50最小。两种结构900 mm2截面导线覆冰过载能力接近，相差1 mm左右。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。随导线截面的加大，其覆冰过载能力也相应增大，6种导线均满足10 mm及以下冰区抗过载要求。

6 导线经济性能计算

6.1 年费用最小法计算方法

年费用法为财务评价方法之一，能反映工程投资的合理性、经济性。年费用比较法是将参加比较的诸多方案在计算期内的全部支出费用折算成等额年费用比较，年费用低的方案在经济上最优。年费用包含初投资年费用、年运行维护费用、电能损耗费用及资金的时间价值（即利息）。为了进一步分析各种导线的经济性，采用最小年费用法对4种导线组合的年费用进行了计算。

式中：NF—年费用 （平均分布在从m＋1到m＋n期间的几年内）；Z—折算到第m年的总投资；u—折算年运行费用；m—施工年数；n—工程使用年限；t—从工程开工这一年起的年份；t′—工程部分投产的年份；r0—经有关领导部门规定的电力工业投资回收率或称电力工业投资利用率。

6.2 年费用

各导线方案的年费用，在损失小时数3000～5000 h的计算结果（计及电晕损耗）见表6。

从表6可以看出：

随着电价、回收率和损失小时数提高，年费用也随之提高。

回收率8%时，损失小时数在3000～5000 h范围变化时，大截面导线 6×JL／G3A－1120／50 年费用方面最小，其次为 6×JL／G3A－1000／45，6×JL／G3A－900／40、6×JL／G2A－900／75 和 5×JL／G3A－1120／50三种导线的年费用相差不大。

表6 各种结构导线年费用计算结果 万元／km

回收率10%时，损失小时数在3000～5000 h范围变化时，6×JL／G3A－1120／50 年费用方面最小，6×JL／G3A－1000／45 年费用损失小时数 3000 h，电价低于 0.35 元 ／kWh 时，大于 6×JL／G3A－900／40 导线。

回收率 12%时，5×JL／G3A－1120／50 和 6×JL／G3A－1120／50具有年费用的优势，尤其是损失小时数在 3000 h，5 分裂的 JL／G3A－1120／50 的年费用优于 6 分裂。但 6×JL／G3A－1000／45 的年费一直大于6×JL／G3A－900／40 导线， 主要是大截面导线本体投资的增加幅度大于损耗增加的比重。

总的来说，1000 mm2以上的大截面导线具有比900 mm2截面更具有年费用上的经济优势，决定性因素在于电能损耗在年费用的比重随着损耗小时数和电价的提高越来越大。上述的分析再次验证大截面导线在节能降耗上面的优越性。

鉴于国内最大截面的导线为已投运的±660 kV宁东直流工程，采用 4×JL／G3A－1000／45大截面导线。6×1000 mm2及以上的大截面导线存在国内未有运行经验、加工制造困难、需要研制新型施工工具、增加本体造价等因素，暂不推荐超过1000 mm2截面的5×JL／G3A－1120／50、6×JL／G3A－1120／50、6×JL／G3A－1000／45三种导线组合。但随着大截面导线制造工艺的成熟、供货能力的提高及施工、运行经验的积累，大截面导线在工程上的运行存在广阔的前景。

其他四种导线，6×JL／G3A－900／40 导线的年费用最低。

6×JL／G3A－900／40 较 6×JL／G2A－900／75、7×LGJ－800／55、8×ASCR－720／50 的年费用低的主要原因如下。

1）考虑比选导线的机械特性，水平荷载，6×JL／G3A－900／40 最小，8×ACSR－720／50 最大，最大达到21.07%，对杆塔重量影响较大，约为8%。

2）垂直荷载，覆冰 10 mm 时，6×JL／G3A－900／40最小，8×ACSR－720／50 最大。最大差值在 19.06%，对塔重影响约2%。

3）纵向张力，变化范围在 97.52%～115.99%，，8×LGJ－630／45 最小，6×JL／G2A－900／75，最大差18.47%，对杆塔重量影响较大，约为5%。

4）导线价格上，由于 6×JL／G3A－900／40 最轻，不仅使导线的垂直荷载最小，而且使导线的初始投资也将最低。

5）大截面导线，分裂数相同时，一般直流电阻较小，电阻损耗占有优势，影响年运行费用的计算。

综上原因，整个寿命周期内，除3种截面超过1000 mm2的导线外，6×JL／G3A－900／40 年运行费用最低。

7 结语

大截面导线虽然在机械特性上（包括水平荷载、垂直荷载、张力荷载）较常规导线有较大劣势，造成相应工程初始静态投资的增加，但由于其在减小电能损耗上有较大优势，尤其是损耗小时数大，投资回收率大时，其全寿命周期内的成本较低，因此，虽然运行经验缺乏，但随着设计、制造和施工水平的同步提高，大截面导线具有广阔的应用前景。

如何减少大截面导线在工程初始时的本体投资，由此将引起新型导线的研究问题，比如在等直径情况下增大导线截面（增加输送容量，减少电阻及损耗），或者等截面情况下缩小导线直径（减少水平荷载）等等，本文可为后续问题的研究提供支持。

［1］中国电力工程顾问集团公司.Q／DG 1－A012－2008±800 kV直流架空输电线路设计技术导则［S］．

［2］窦飞，乔黎伟．架空线路输电能力计算［J］．电力建设，2010，31（12）：23－25．

［3］张文亮，陆家榆，鞠勇，等．±800 kV直流输电线路的导线选型研究［J］．中国电机工程学报，2007，27（27）：1－6．

［4］薛志方，程思勇，何民，等．糯扎渡—广东±800 kV直流输电线路导线选型［J］．高电压技术，2009，35（10）：2344－2349．

［5］李敏，余占清，曾嵘，等．高海拔±800 kV直流输电线路电磁环境测量［J］．南方电网技术，2011，5（1）：42－45．

［6］孟遂民．架空送电线路设计［M］．湖北：中国电力出版社，2000．

［7］张殿生．电力工程高压送电线路设计手册［M］．北京：中国电力出版社，2003．