±800 kV直流输电线路导线选型

梅吉明，杜小勇，袁振宗

（1.四川电力设计咨询有限责任公司，成都　610000；2.国网山东省电力公司德州供电公司，山东　德州　253000；3.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东　淄博　255000）



±800 kV直流输电线路导线选型

梅吉明1，杜小勇2，袁振宗3

（1.四川电力设计咨询有限责任公司，成都610000；2.国网山东省电力公司德州供电公司，山东德州253000；3.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博255000）

摘要：导线选型是±800 kV特高压直流输电线路设计中的关键课题之一，对工程造价和安全运行有着十分重要的意义。从载流量、功率损耗、电磁环境等3个方面分析导线的电气特性；从过载能力、弧垂特性、荷载情况等方面比较导线的机械特性；运用全寿命周期计算法分析导线的经济性；推荐±800 kV直流线路的导线型号，为今后工程提供借鉴。

关键词：±800 kV直流输电线路；导线选型；全寿命周期法

0　引言

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，对线路的输送容量、传输损耗、电磁环境，走廊宽度、房屋拆迁及经济指标都有很大的影响。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重要意义［1-4］。

针对±800 kV直流输电线路，从导线的电气特性、机械特性和经济性3方面对新型导线进行分析比较，提出安全可靠、经济合理的导线选型方案［5-6］。

1　导线电气特性

1.1载流量及过负荷温度计算

目前已建成的特高压直流线路导线均为6分裂。同等导线截面下，8分裂导线方案的荷载高于6分裂导线方案，适用于电磁环境受限的情况。本工程输送功率为10 000 MW，从经济性考虑，为减少输电损耗，提高经济效益，考虑8×JL1 / G3A-1000 / 45、8×JL1/G3A-1120/50、8×JL1/G3A-1250/70、6×JL1X/ G2A -1520/125、8×JL1X/G3A -1250/70、8×JL1X1/ LHA1-800/550、8×JLHA3-1350等7种导线进行比较。按双极输送容量10 000 MW，各导线的电流密度如表1所示。

±800 kV直流工程一般为火电直流，年最大负荷利用小时数在5 000 h以上，按照规程规定，导线经济电流密度应取0.9 A/mm2以下。由表1可知，几种导线均满足电流密度要求。

导线选择应考虑保证线路过负荷运行的安全，根据《±800 kV直流架空输电线路设计规范》规定，系统长期过载容量可按1.1倍额定电流考虑［7］。在过负荷情况下，导线的温度应满足导线允许温度的要求。输送容量10 000 MW，每极额定电流分别为6 250 A，每极过负荷电流为额定电流的1.1倍，即6 875 A，由此计算出7种导线方案每极导线在70℃下的最大允许电流和导线过负荷温度见表2所示。

表1　各导线的总铝截面积和电流密度

表2　各导线的最大允许电流和过负荷温度

由表2可知，所选7种导线在温度70℃时均能满足系统输送功率10 000 MW允许载流量的要求。过负荷时，所有参选导线均满足过负荷温度不超过70℃的要求。

1.2功率损耗计算

按U=±800 kV，τ=4 000～6 000 h，S=10 000 MW。各种导线的电阻功率损耗及电晕功率损耗计算结果列于表3。

由表3可知，极导线直流电阻越大，造成电阻电能损耗较大；增加导线铝截面，对于降低线路损耗，提高能源利用率十分有利。相同的分裂型式下，随着子导线直径的增加，电晕损耗随之减小；海拔越高，电晕损失也越大；电晕损失仅为电阻损失的不到10%。

表3　各导线的功率损耗

1.3电磁环境影响

1.3.1导线表面电场强度计算

导线表面电场强度是导线选择计算中的最基本条件，导线表面电场强度过高将会引起导线全面电晕，不但电晕损耗急剧增加，而且环境影响问题也更严重，所以在特高压线路设计中必须选择合理的导线表面电场强度。

导线起始电晕电场强度

式中：E0为电场强度，kV/cm；m为导线表面粗糙系数，目前晴天和雨天条件下的导线表面粗糙系数m值分别为0.49和0.38；δ为相对空气密度，kg/m3；r为导线半径，cm。

各导线的起始电晕电场强度见表4和表5。

表4　各导线的起始电晕电磁强度E0（晴天）

表5　各导线的起始电晕电磁强度（雨天）

1.3.2导线表面最大电场强度

导线表面电场强度决定于运行电压、子导线直径、子导线分裂数、子导线分裂间距、极导线高度以及相间距离等因素［4-5］。其计算方法较多，本文采用±800 kV直流向上线、锦苏线所用经典公式进行计算，计算精度满足工程要求。

各种导线组合方案的表面最大电场强度见表6所示。

表6　各导线表面最大电场强度

由表6可知，在雨天，所有极导线方案的表面最大电场强度均大于起始电晕电场强度E0，即导线均处于电晕状态。

1.3.3地面合成场强和离子流密度

合成场强和离子流密度的计算采用以模拟试验结果为基础的EPRI EL-2257法，该方法应用于±800 kV直流向上线、锦苏线、哈郑线、溪浙线、宁绍线，具有较高可信度。

通过计算可知，在海拔2 000 m以内，晴天和雨天条件下，参比导线均满足合成电场强度小于30 kV/m，离子流密度小于100 nA/m2的限值。

1.3.4无线电干扰和可听噪声

通过计算所得距离边相导线20 m、双80%、0.5 MHz的无线电干扰值和可听噪声值见表7所示。

表7　各导线的无线电干扰和可听噪声

由表7可知，各导线的无线电干扰和可听噪声均满足规范要求。

2　导线机械特性

2.1导线对杆塔高度的影响

不同导线的弛度不同，则同样高度的杆塔的使用档距不同，其结果导致线路中杆塔基数的差异，而最终影响线路造价。在进行导线弛度计算时，安全系数取2.5，平均运行张力为导线破坏张力的25%；导线过载能力按60%的导线破坏张力进行验算，验算气温-5℃，验算风速10 m/s。

7种导线主要机械性能、过载能力及最大弧垂列于表8。

由表8可知，7种导线的覆冰过载能力均满足10 mm冰区抗冰过载要求。其中，JL1X/G2A -1520/ 125导线的过载能力最强，JLHA3-1350导线的弧垂特性最好；弧垂特性越好，杆塔的高度就越低，能有效降低杆塔耗钢量，节约成本。

2.2导线对杆塔荷载的影响

对于不同导线方案，每相的导线线条荷载如表9所示。

表8　各导线的弧垂和过载能力

表9　各导线的荷载　kN

对于垂直荷载（无冰）、风荷载及纵向最大张力较大的导线，其直线塔和耐张塔塔重均较大。

3　导线经济性

3.1初期投资

各种导线基本工程量估算如表10所示。

表10　各导线的工程量比较

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。各种导线本体投资及投资差额如表11所示。

表11　各导线的投资及差额　万元/km

3.2年费用比较

年费用最小法是经济性比较常用的方法，它能反映工程投资的合理性、经济性。年费用比较法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。为了进一步分析各种导线的经济性，现采用最小年费用法对7种导线组合的年费用进行计算。

3.2.1年费用最小法

最小年费用法的计算公式为：

式中：NF为年费用（平均分布在n年内）；Z为折算到第m年的总投资；u为折算年运行费用；m为施工年数；n为经济使用年数；t为从工程开工这一年起的年份；r0为电力工程投资的回收率。

3.2.2年运行费用计算

设定工程建设周期为2年，第一年分配比例60%，第二年分配比例40%，工程全寿命按30年计，折现率按8%、10%考虑，设备运行维护费率1.4%，最大损耗小时数分别为3 000 h、4 000 h、5 000 h和6 000 h，电价分别为0.3、0.4、0.5元/kWh（上网电价）计算。计算结果如图1所示。

图1　回收率为10%年损耗时间5 000 h年费用

由图1可知，JL1/G3A-1000/45和JL1/G3A-1120/50钢芯铝绞线的年费用均较高，且对于损耗小时数大于5 000 h，电价大于0.5元/kWh后，JL1X1/ G3A-1520/125钢芯铝型线绞线年费用较高，不作为推荐导线型式。年费用最低的是JL1X1/LHA3-800/550铝合金芯铝型线绞线，其次是JL1X/G3A-1250/70钢芯铝型线绞线。

3.3价格敏感性分析

以JL1/G3A-1250/70钢芯铝绞线、JL1X1/G3A-1250/70钢芯铝型线绞线、JL1X1/LHA1-800/550铝合金芯铝型线绞线为例进行导线价格变化对导线年费用的敏感性分析，如图2～4所示。

JL1X1/G3A-1250/70钢芯铝型线绞线单价在原价格（1.48万元/t）加价-1%、0%、1%考虑，JL1X1/ LHA1-800/550铝合金芯铝型线绞线单价在原价格（1.60万元/t）的基础加价1%、3%、5%考虑，3种年费用较低的导线方案进行比较。考虑不同导线对铁塔及基础工程量的影响。

表12　不同单价下的本体投资

图2　回收率为10%年损耗4 000 h年费用

图3　回收率为10%年损耗5 000 h年费用

图4　回收率为10%年损耗6 000 h年费用

通过计算比较，在考虑不同导线对铁塔及基础工程量影响的条件下，即按照型线和圆线分别设计铁塔，以JL1/G3A-1250/70钢芯铝绞线的单价1.43万元/t为基准，在JL1X1/G3A-1250/70钢芯铝型线绞线的单价不高于1.48万元/t时，采用钢芯铝型线绞线具有长期运行经济性。同样，对于JL1X1/ LHA2-800/550铝合金芯铝型线绞线，其机电性能均满足工程要求，在目前导线招标价情况下，其年费用均低于钢芯铝绞线。当JL1X1/LHA2-800/550铝合金芯铝型线绞线单价加价不超过6%（即单价小于1.696万元/t）时，其年费用仍将低于钢芯铝绞线。

根据上述结论，同时考虑到目前电价水平、直流输电线路损耗小时数较高以及1 250 mm2截面钢芯铝绞线在宁绍、酒湖等特高压直流输电线路中已有应用，因此，±800 kV锡盟—江苏、上海庙—山东特高压直流输电线路工程推荐采用8×1250 mm2钢芯铝绞线方案。

4　结论

±800 kV特高压直流输电线路导线选型及对地距离结论。

所选JL1/G3A -1000/45、JL1/G3A -1120/50、JL1/G3A-1250/70、JL1X/G2A-1520/125、JL1X/G3A-1250/70、JL1X1/LHA1-800/550、JLHA3-1350 7种导线方案均能满足两直流工程输送容量要求，且能满足电磁环境要求。

机械特性方面：7种导线均具有较强的覆冰过载能力，JLHA3-1350导线的弧垂特性最好，弧垂越小，对塔高越有利。

经济性方面：考虑不同导线对铁塔及基础工程量影响情况，年费用最低的是8×JL1X1/LHA3-800/ 550铝合金芯铝型线绞线，其次是8×JL1X/G3A-1250/70钢芯铝型线绞线。

在考虑不同导线对铁塔及基础工程量影响的条件下，以JL1/G3A-1250/70钢芯铝绞线的单价1.43万元/t为基准，在JL1X1/G3A-1250/70钢芯铝型线绞线的单价不高于1.48万元/t时，采用钢芯铝型线绞线长期运行经济性较高。

参考文献

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［2］孟遂民.架空送电线路设计［M］.湖北：中国电力出版社，2000.

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［7］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.

Conductor Scheme for±800 kV UHV DC Transmission Line Project

MEI Jiming1，DU Xiaoyong2，YUAN Zhenzong3
（1. Sichuan Electric Power Design & Consulting Company，Chengdu 610000，China；2. State Grid Dezhou Power Supply Company，Dezhou 253000，China；3. State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255000，China）

Abstract:The conductor scheme is one of key issues in the design of the UHV DC transmission project，it is also significant to the construction cost and the safe operation of the transmission line.In this paper，electrical characteristics of conductor are analyzed in terms of the current -carrying capacity，power loss and electromagnetic environment，and mechanical characteristics are analyzed in terms of the overload capabilities，sagging characteristics and load conditions. The economic characteristic of conductor is analyzed by life-cycle method. Finally the conductor model is recommended used in UHV DC transmission line project，which offers some references for later projects.

Key words:±800 kV UHV DC transmission lines；conductor scheme；life-cycle method

中图分类号：TM751

文献标志码：B

文章编号：1007-9904（2016）05-0037-06

收稿日期：2016-03-20

作者简介：

梅吉明（1987）男，工程师，从事输电线路设计工作。