输电线路大档距跨越工程的导线选型研究

(湖南经研电力设计有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引言

高压输电线路的建设不可避免地要跨越大江大河。许多江河水面宽阔且有通航要求，因此建设、运行难度较大。大档距跨江工程的导线选择是工程设计中的关键。导线特性决定了跨越塔的高度和运行荷载，也决定了电能输送性能，包括它的损耗、效率以及电气和机械方面的过载能力。把导线选好才能从主体上保证工程的技术性能和经济特性[1-2]。

规划中江西省井冈山水电厂—澄江220 kV线路需大档距跨越赣江。跨越方式为耐—直—耐，档距分布为360 m－968 m－400 m，耐张段总长为1 720 m。跨江段导线选型在满足输送容量的前提下，尽量降低跨越塔高度，减少施工、运行难度，节省工程投资[2]。

本文依托国家电网公司的江西省井冈山水电厂—澄江220 kV线路工程大档距跨越赣江段，综合设计、杆塔规划、导线制造、架线施工、运行维护及经济性等多方面因素，按照现行规程规范及相关标准要求，从电气特性、机械特性和投资分析等方面对各种导线的截面和分裂型式进行详细的技术经济比较，推荐技术和经济上最优的导线方案，为选型工程的导线方案提供依据，同时也为后续同类大跨越工程的导线方案选择提供参考。

1 导线初选

本工程跨赣江段跨越档距较大，设计可参照大跨越的条件进行设计。参考我国高压线路大跨越的有关设计规定，结合国内外大跨越工程线路的设计、运行经验等，在选择导线时，应从载流量、电磁环境、弧垂特性、制造条件等因素考虑，使选择的导线安全可靠、技术先进、经济合理[3]。

其中，良好的机械性能是输电线路跨江建设实施以及降低投资的首要因素。本工程导线选择在于确定跨江导线材料及其截面型式。

1.1 初选方案

大跨越导线主要使用钢芯铝合金与铝包钢两大系列。铝包钢绞线由于其导电能力较差，载流能力难以提高，电能损耗大，在大跨越工程中的使用受到限制，现仅用于输送容量不高的工程中。目前我国220 kV及以上电压的大跨越工程基本上都采用了钢芯铝合金系列导线，该种导线输送容量大，弧垂性能较好，在大档距跨江乃至大跨越工程中被广泛使用，尤其是采用了特强钢芯(extra high strength steel，EST)的铝合金绞线具有明显的技术经济优势。井冈山水电厂—澄江220 kV线路输送容量为416 MW，跨赣江段比较适合采用特强钢芯铝合金绞线[4-5]。

对于钢芯铝合金绞线，在导线材料确定后，导线的机械特性取决于铝钢截面比。根据国内已有钢芯铝合金绞线使用经验，结合系统提出的2×300 mm2截面的导线要求，本文选择几种型式的高强/特强钢芯铝合金绞线JLHA1/G3A-300/70、JLHA1/EST-300/50、JLHA1/EST-300/60、JLHA1/EST-300/70进行初步比较，以确定合适的铝钢截面比。初选的四种导线主要技术参数见表1。

1.2 电气性能

本文参考大跨越工程导线选型原则，以环境温度35℃，日光对导线日照强度为1 000 W/m2，垂直导线表面的风速为0.6 m/s，辐射散热系数0.9等条件下计算以上导线的极限输送容量。导线的起晕场强采用皮克公式计算，导线表面电场计算采用逐步镜像法[4]。几种导线的电气性能计算见表2。

表1 初选导线主要技术参数

表2 电气性能计算表

根据表2的计算结果，有以下结论：

1)导线的载流量：各种导线组合方案均能满足416 MW的输送要求。

2)导线电能损耗：各导线方案电能损耗整体相差不大。

3)各导线方案的表面场强、无线电干扰、可听噪声等电磁环境均满足GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》的相关规定。一般来说，低海拔地区的220 kV线路，电磁环境不是导线选型的控制因素[3]。

1.3 机械性能

机械性能和相荷载计算是导线选型中重要内容，在跨江段尤为重要。机械性能主要内容是反映导线规定安全系数下，导线的过载能力和弧垂特性。过载能力是考验在70%的额定拉断力下，导线可以承载的覆冰厚度，体现了安全裕度的储备。弧垂特性体现了为保证对地距离需要付出的杆塔高度代价，是经济性比较的基础数据；相荷载包含垂直荷载、横向荷载和纵向荷载，是控制杆塔钢材指标的关键因素。直线塔纵向受力平衡，塔材主要受横向荷载和垂直荷载控制。耐张塔要考虑断线及不均匀覆冰状态下的强度控制，塔材主要受纵向荷载和横向荷载控制[4]。江西地区气象条件配置见表3。

表3 设计气象条件

根据设计气象条件，参选的几种导线的机械性能计算表见表4[5]。

表4 导线方案综合机械性能表

按计算高温弧垂时温度取40℃，档距按968 m考虑时，从表4分析可以看出：

1)所选导线方案中，采用JLHA1/EST-300/60高温弧垂最优，采用JLHA1/EST-300/70高温弧垂其次，采用JLHA1/EST-300/60、JLHA1/EST-300/70导线方案跨越塔呼高可以稍微降低；

2)从对杆塔的荷载看：大风水平荷载方面JLHA1/EST-300/50最小，其余四种导线相差不大，覆冰垂直荷载方面JLHA1/EST-300/50最小，其余四种导线相差不大。

3)从过载能力上看，4种导线均满足覆冰过载要求，并留有较大的裕度。

1.4 经济性分析

根据各种导线方案的主要材料量消耗，计算的跨江段各项费用见表5[6]。

表5 方案经济比较 万元

JLHA1/EST-300/60特强钢芯铝合金绞线较原规划的高强钢芯铝合金绞线JLHA1/G3A-300/70而言，能节省跨江段投资33.5万元，具有明显的经济优势。

1.5 初选导线结论

根据计算结果，各导线方案的电气性能均满足要求。在机械性能方面，特强钢芯铝合金绞线较高强钢芯铝合金绞线较优，其中JLHA1/EST-300/60特强钢芯铝合金绞线相较于JLHA1/EST-300/70与JLHA1/EST-300/50拉重比大，弧垂性能较好，能有效降低跨越塔塔高，使杆塔重量减轻，保证跨江段总体经济效益最优。

2 导线优化

为进一步降低跨越塔高度，减小跨越塔基础根开，基于上述分裂导线、截面方案，在不降低电气性能的前提下，本报告将从导线的机械性能方面入手，对导线进行选型优化。

导线优化的思路有两点，一是从导线材料进行优化，二是从导线结构上进行优化[1]。

2.1 导线材料优化

经查阅国内外已建成的大跨越工程，巴西亚马逊大跨越采用了中国某制造厂生产的超高强度钢绞线(ultra high strength steel，UST)，抗拉强度大于1 910 MPa，1%伸长时应力大于1 670 MPa，强度比EST钢绞线提高7.7%。故可以考虑用超高强钢绞线UST替代特高强钢绞线EST[7]。

2.2 导线结构优化

2018年3月，我国修订了与IEC 62219:2002《Overhead electrical conductors-formed wire，concentric lay，stranded conductors》[8]一致性程度为等同的国家标准GB/T 20141—2018《型线同心绞架空导线》[9]，对由形状为S、T成型单线制造的导线提出了典型结构型式[8]。

型线同心绞架空导线是对圆线同心绞架空导线的改进提高，以型单线代替圆单线绞制成架空导线，可提高导线的综合性能。将外层圆型铝合金导体改为Z型线导体，有如下优势：

1)在面积相等的情况下，型线导线能有效降低风载的影响，光滑的导线表面和较小的直径，使风速达到30 m/s及以上时，其风载比相同截面的圆线同心绞架空导线低得多；

2)由于型线单线间的接触面大，使导线在受力状态下风激振动时，各层铝线和钢芯的固有振动频率各不相同，自动消耗风激振动的能量比圆线同心绞架空导线的要大，因而，自阻尼性能更为优良；

3)型线导线由于结构紧凑，雨水、灰尘等物质不容易沿缝隙进入导线内部，能较好地解决导线的抗化学腐蚀和电化学腐蚀问题，从而比圆线同心绞架空导线的寿命更长；

4)单位长度导线的覆冰量比普通导线的要少些；

5)与同直径的圆线同心绞架空导线比，型线导线表面光滑，电晕损耗较小。

型线同心绞架空导线有着很多优点，在架空线路上的应用将越来越广泛。本文根据国网公司最新QGDW 11275-2014《特高强钢芯铝合金绞线》中提出的典型结构型式，并结合GB/T 20141—2006《型线同心绞架空导线》规定的导线性能，设计了一种超高强钢芯铝合金成型绞线JLHA1X/UST-300/60，该导线截面见图1。

2.3 导线优化后经济技术比较

根据设计气象及代表档距条件计算，采用JLHA1X/UST-300/60在年平工况时达到控制应力，控制应力为132.5 MPa，防振是控制导线张力的制约因素。

将钢芯与导线结构优化后的超高强钢芯铝合金成型绞线JLHA1X/UST-300/60与特强钢芯铝合金绞线JLHA1/EST-300/60、超高强钢芯铝合金绞线JLHA1/UST-300/60进行对比分析。主要技术参数及机械性能比较详见表6、表7。

很明显，优化后的JLHA1X/UST-300/60超高强钢芯铝合金型线绞线的90℃弧垂改善明显，且风荷载也有所减小。采用JLHA1X/UST-300/60方案较原规划的JLHA1/G3A-300/70方案在工程造价上有较大的优势。

表6 优化后导线技术条件对比

表7 导线优化前后技术经济比较

3 结论

本文主要研究了输电线路大档距跨越段的导线选型，特别依托规划中的井冈山水电厂—澄江220 kV线路跨赣江段导线选型。

1)针对本工程，本文提出了先确定导线材料及其截面型，再进行优化的导线选型思路。选取数种导线方案，通过在电气性能、机械特性方面比较，得出特强钢芯铝合金绞线JLHA1/EST-300/60在大档距跨越工程比较适用。

2)在JLHA1/EST-300/60的基础上对导线进行了材料及结构的优化，将钢芯由EST优化为UST级，并将导线外型优化为Z型线导体，JLHA1X/UST-300/60超高强钢芯高强铝合金型线绞线的机械特性优异，能明显降低跨越塔高度，直接减少工程投资及施工难度，具有很明显的优势。

3)JLHA1X/UST-300/60在国内尚未有使用先例，但UST级钢芯国内已有厂家可以生产，另外铝合金型线在国内也已有多年的制造经验。因此从国内大型线缆厂家的生产能力来看，该导线具备大规模制造可能。

4)超高强钢芯高强铝合金型线绞线的弧垂性能好，通过调整铝合金与钢芯截面比，可以推广使用到大跨越工程中。