内蒙古电力技术  2015, Vol. 33 Issue (02): 5-11   PDF    
引用本文
李孝林. 锡盟——江苏±800 kV特高压直流输电工程内蒙古段线路导线选型分析[J].内蒙古电力技术,2015, 33(02): 5-11.[doi:10.3969/j.issn.1008-6218.2015.02.011]  
LI Xiaolin. Transmission Line Selection Analysis of Ximeng-Jiangsu ±800 kV UHV DC Transmission Project in Inner Mongolia[J].INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER,2015, 33(02): 5-11.[doi:10.3969/j.issn.1008-6218.2015.02.011]  
锡盟——江苏±800 kV特高压直流输电工程内蒙古段线路导线选型分析
李孝林    
内蒙古电力勘测设计院有限责任公司, 呼和浩特010020
[收稿日期] 2014-10-04；[修改日期] 2015-03-03
[作者简介] 李孝林（1984），男，湖南人，学士，工程师，从事送电线路工程设计、送电线路软件开发工作。
摘要：针对锡盟—江苏±800 kV特高压直流输电工程的电压等级、输送容量等参数要求,根据相关国家标准及以往同类工程导线应用情况,首先推荐内蒙古段线路导线铝截面为8×1250 mm2,针对该参数,采用不同的钢芯结构,经过技术经济性分析,选出性能较优的8×JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线作为本标段推荐导线型号.最后,将钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯铝绞线和全铝合金绞线3种新型节能导线与推荐的JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线进行了技术经济性比较,结论为在该标段实际情况下,JL/G3A-1250/70型导线具有优势.
关键词： 特高压直流输电线路     导线选型     钢芯铝绞线     钢芯高导电率铝绞线     铝合金芯铝绞线     全铝合金绞线    
Transmission Line Selection Analysis of Ximeng-Jiangsu ±800 kV UHV DC Transmission Project in Inner Mongolia
LI Xiaolin    
Inner Mongolia Power Survey & Design Institute Co., Ltd., Hohhot 010020, China
Abstract:In connection with voltage grade and transmission capacity of Ximeng-Jiangsu ±800 kV UHV DC transmission project, according to relevant national standards and the application of transmission line for the similar project, recommended aluminum conductors section of 8×1250 mm2 for the transmission line in Inner Mongolia. According to the recommended aluminum section to select different steel core structure, through technical and economic comparison, elected the technical and economic optimum of 8×JL/G3A-1250/ 70 as recommended line. Finally, compared three new energy-saving lines of the steel core of high conductivity aluminum wire, aluminum alloy core aluminum wire and aluminum alloy wire with 8×JL/G3A-1250/70 in the technical and economic aspects, and the result was that 8×JL/G3A-1250/70 had an advantage.
Key words: UHV DC transmission line     line selection     steel-cored aluminium strand wire     steel-cored aluminum strand wire with high conductivity     aluminum alloy core aluminum stranded wire     all aluminum alloy wire    
0 引言

导线作为输电线路最主要的设备之一，要求既能满足输送电能的要求，同时还能保证安全可靠地运行。对于特高压输电线路，还应满足环境保护的要求，且经济合理，因此，对于特高压输电线路导线在电气、机械和经济性能等方面都提出了更严格的要求。

本文根据锡盟—江苏±800 kV特高压直流输电工程的电压等级、输送容量以及以往同类工程导线应用情况，通过技术经济比较，确定内蒙古段线路导线采用8分裂JL/G3A-1250/70型和JL/G3A-1250/100型钢芯铝绞线。本文采用的设计方法，可供今后更高电压等级、更大输送容量的特高压直流输电工程的导线选型参考。

1 锡盟—江苏±800 kV特高压直流输电工程概况 1.1 路径概况

锡盟—江苏±800 kV特高压直流输电线路起于内蒙古自治区锡林浩特市境内锡盟换流站（毛登），途经内蒙古、河北、天津、山东、江苏5省，止于江苏省盐城市泰州换流站（杨师村），全线总长1619.7 km（含黄河大跨越3.7 km），综合曲折系数1.18。线路经过地区最高海拔1900 m。内蒙古段线路由锡盟换流站，经正蓝旗、多伦县，止于蒙冀省界（卡伦后沟），路径长度274 km。

全段线路以沙丘地为主，蒙冀省界以北有少量一般山地。线路所经地区的海拔在1200~1500 m（计算电晕时平均海拔取1300 m）。

1.2 电力系统参数

线路设计系统额定电压为±800 kV；额定输送容量为10 000 MW；极导线额定电流为6250 A；导线布置方式：极导线水平排列，最小极间距18 m。

2 导线结构及型号选择 2.1 经济电流密度

导线的经济电流密度选择以《GB 50790—2013±800 kV直流架空输电线路设计规范》[1]规定的经济电流密度值作为参考（见表 1）。我国已建和在建的±800 kV特高压直流输电线路导线的经济电流密度值均在0.8~0.9 A/mm2，且导线电流密度值呈下降趋势，因此本工程推荐输电线路导线的经济电流密度应小于0.9 A/mm2。

表 1 我国规定的导线经济电流密度参考值[1]
2.2 导线最高允许温度

本次设计选用目前普遍采用的钢芯铝绞线，GB 50790—2013 规定钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度可采用70 ℃（大跨越不得超过90 ℃）。根据该规定，本工程钢芯铝绞线的最高允许温度取70 ℃。

2.3 导线型号

导线经济电流密度小于0.9 A/mm2，本工程线路输送容量为10 000 MW，直流电流按6250 A设计，计算出导线总铝截面大于6944.4 mm2。采用6分裂形式时，单导线铝截面不小于1157.4 mm2；采用8分裂形式时，单导线铝截面不小于868.05 mm2。

参照《GB/T 1179—2008 圆线同心绞架空导线》[2]中导线的铝截面系列参数要求，导线的分裂形式及截面参数拟选择6×1250 mm2、8×900 mm2、8×1000mm2、8×1120 mm2、8×1250 mm2 4种进行比较。

由于铝截面相同、钢芯结构不同的钢芯铝绞线特性相近，相对于不同铝截面的钢芯铝绞线来说，其对工程技术经济性的影响较小。因此，在进行比选时，对每种铝截面的钢芯铝绞线，仅选取1种钢芯结构进行比较。参与比选的钢芯铝绞线主要性能参数如表 2所示。所选各导线极导线电流密度如表 3所示。

表 2 不同型号钢芯铝绞线主要性能参数对比

表 3 所选各型号导线电流密度
2.4 极限输送容量

导线选择应保证线路过负荷运行的安全，按照GB 50790—2013的规定，导线允许电流应考虑10%过负荷情况。在过负荷情况下，导线的温度应满足导线允许温度的要求。采用《JCS 0374：2003裸线载流量计算方法》[3]中的方法进行计算，导线允许温度按70 ℃考虑，则所选各导线方案极限输送容量如表 4所示。计算中环境温度取40 ℃，风速0.5 m/s，日照强度0.1 W/cm2，导线温度系数均取0.004。

从表 4可以看出，铝截面越大，过负荷能力越强。6×1250 mm2铝截面的导线过负荷倍数不能达到线路额定输送容量（10 000 MW）的1.1倍，不满足过负荷要求。因此，不推荐6×1250 mm2及以下铝截面的导线（在以下的比较中，不再分析6×1250 mm2铝截面的导线）。

表 4 所选导线方案极限输送容量计算结果
2.5 线路电压降及传输效率

要计算线路电压降及传输效率，关键要计算线路运行时的电阻。导线实际运行时的电阻与导线运行温升有关，而导线运行温升与环境条件及输送电流有密切关系，因此要准确计算导线实际运行时的电阻较为困难。本节计算导线实际运行电阻时，钢芯铝绞线电阻温度系数取0.004，环境气温取年平均气温5 ℃，风速0.5 m/s，日照强度0.1 W/cm2，极电流6250 A。全线约1619.7 km线路电压降及传输效率计算结果如表 5所示。

表 5 所选各导线的电压降、传输效率及电阻损耗计算结果

从表 5的计算数据可以看出，铝截面越小，电阻越高，传输效率越低，电阻损耗越大。所选4种导线方案传输效率均超过93%，其中，8×JL/G2A-1250/100型导线传输效率最高，达95.742%。

2.6 导线机械特性

导线机械特性比较主要考查导线的机械强度、弧垂特性、荷载特性等方面，其中弧垂特性、荷载特性对整个线路经济性的影响较大，是主要影响因素。将满足要求的JL/G2A-900/75、JL/G2A-1000/80、JL/G2A-1120/90、JL/G2A-1250/100 型导线的机械强度、弧垂特性进行比较，结果见表 6所示。

表 6 所选导线机械强度、弧垂特性比较

从表 6比较结果可以看出：

（1） 在本标段设计气象条件下，所选4种导线在张力弧垂计算时均按平均运行张力控制条件计算；在工程应用中的实际安全系数均大于2.5，且导线截面越大，实际安全系数越大。

（2） 所选4种导线铝部应力相差不大，最大的为JL/G2A-1000/80 型导线，约为51.1 MPa，满足工程需要。

（3） 以导线弧垂最低点的最大张力不超过设计拉断力的60%为控制条件，所选4种导线过载冰厚均超过设计冰厚的2倍，满足工程需要。导线截面越大，过载能力越强。

（4） 导线弧垂随导线拉力质量比（该参数见表 2）的增大而减小，JL/G2A-1000/80、JL/G2A-1120/90、JL/G2A-1250/100 3种导线拉力质量比相同，导线弧垂相近；JL/G2A-900/75型导线拉力质量比略小，导线弧垂略大。

2.7 电磁环境指标

参考国内已建成的哈密—郑州±800 kV线路的成果，其采用导线型号及分裂形式为6 × JL/G3A-1000/45和6×JL/G2A-1000/80，地面合成场强和离子流密度、无线电干扰、可听噪声的指标均能满足相关线路工程规定的要求。而本工程采用导线的截面和分裂数均比哈郑线大，地面合成场强和离子流密度、无线电干扰、可听噪声的指标均优于哈郑线，本文将不再进行计算，只计算电晕损耗，用于进行年费用的比较。

采用美国电力研究协会（EPRI）推荐的公式进行电晕损耗计算[4]：W＝2UI0，其中，W 为电晕损耗，kW/km；U为线路运行电压；I0为电晕电流。

各型号导线在不同海拔高度时电晕损耗计算结果见表 7所示，计算中导线平均高度为23 m，极间距为18 m。

表 7 各型号导线在不同海拔时的电晕损耗计算结果
2.8 导线的经济性

按《电力工业部（82）电计字第44号文颁发“电力工程经济分析暂行条例”的通知》第十五条，经济计算——年费用最小法[5, 6]计算方法，线路工程年费用简化计算公式为（折算到工程投运年的总投资）：

式中NF—年平均费用，平均分布在（m+1）—（m+n）的n年内，万元；

n—工程的经济使用年限；

Z—折算后的工程总投资，万元；

μ—折算年运行费用，万元；

r0—电力工程投资回收率。

根据本工程的实际情况，进行最小年费用计算条件如下：

（1） 经济使用年限为30 a，施工期按2 a计，第1 年投资为工程总投资的60%，第2年为40%；

（2） 年最大损耗小时数按6000 h计；

（3） 设备运行维护费率为1.4%；

（4） 电力工程回收率按工程投资的8%和10%计；

（5） 电价分别按0.25 元/kWh、0.30 元/kWh、0.35 元/kWh和0.40 元/kWh计。

计算结果见表 8所示。

表 8 额定输送容量下的导线年费用计算结果

通过导线年费用比较可知：在初投资方面，8×JL/G2A-1250/100 型导线的投资最大，8 × JL/G2A-900/75型导线的投资最小；在年费用方面，8×JL/G2A-1250/100 型导线的投资最小，8 × JL/G2A-900/75型导线的投资最大。

2.9 综合比较结果

（1） 6×1250 mm2及以下铝截面的导线不满足过负荷1.1倍的要求，8×900 mm2及以上铝截面的导线满足要求。

（2） 经济性方面，在电气、机械特性均满足要求的8×900 mm2、8×1000 mm2、8×1120 mm2、8×1250mm2 4种截面导线中，导线截面最小的900 mm2导线方案初投资最优，截面最大的1250 mm2导线年费用最优。

（3） 本工程推荐采用电气、机械性能满足要求，损耗费用低，年费用最优的8×1250 mm2截面导线。

3 推荐导线结构的选择 3.1 导线参数比选

根据前文比较结果，本标段采用8 分裂1250mm2截面的导线技术经济性较优。目前1250 mm2大截面导线在国内输电线路上尚未使用过，国外输电线路使用过的最大截面导线约为1520 mm2。架空线路采用的1250 mm2大截面导线主要有2种，其铝钢截面比分别为1250∶70、1250∶100，钢芯强度可选用G2A、G3A，各导线的参数如表 9所示（本标段推荐导线型号将从表 9所列的导线中选出）。

表 9 钢芯铝绞线主要性能参数对比

根据本文第2部分中计算结果可知，表 9所列4种导线电气性能、机械性能、电磁环境完全满足本工程需要，且当截面、外径基本一致时，导线电气性能、电磁环境差异微小，因此本部分对表 9所列4种导线电气性能、机械性能、电磁环境不再一一计算。为便于经济比较，仅计算其电阻损耗和1300 m海拔的电晕损耗进行年费用比较。4种导线的年费用计算结果见表 10。

表 10 年费用计算结果（利用小时数取6000h）

由表 10可见，4种导线由于只是钢芯截面有较小差异，因此其初投资、年费用均相差不大。由于电阻非常接近，损耗费用基本相同，4种导线的年费用差异仅由初投资决定。初投资及年费用最优的是JL/G2A-1250/70型导线方案，JL/G3A-1250/70型导线与之相当，仅差0.15万元/km。因此从经济性方面考虑，推荐采用8×JL/G2A-1250/70 或8×JL/G3A-1250/70型导线。

3.2 导线的制造与施工

通过以上比较，在4 种导线方案中，8×JL/G2A-1250/70型和8×JL/G3A-1250/70型导线方案技术经济性较优。

就国内导线制造水平来看，大部分生产厂家均具备1250 mm2大截面导线的生产制造能力，因此该型号导线的生产不存在问题。

从施工方面来看，根据以往特高压工程1000mm2大截面导线的施工经验，在大截面导线压接时，强度损失较大。而1250 mm2大截面导线压接后的强度损失情况目前尚未有试验验证。鉴于此，为保证压接后导线的机械强度，建议采用高强度钢芯，因此推荐JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线。

3.3 推荐导线

山区线路具有高差大、档距大，存在微气象区等特点，运行条件比平地恶劣，因此对导线的机械性能提出了更高的要求。8×JL/G2A-1250/100型与8×JL/G3A-1250/100型导线的机械性能相当，均优于8×JL/G2A-1250/70型和8×JL/G3A-1250/70型导线。考虑8×JL/G2A-1250/100型导线的年费用比8×JL/G3A-1250/100型的低0.48万元/km，因此山区线路建议采用8×JL/G2A-1250/100型钢芯铝绞线。

推荐导线方案：平丘段采用8×JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线，一般山地段采用8×JL/G2A-1250/100型钢芯铝绞线。

4 与新型导线的比较分析 4.1 新型节能导线应用概况

一直以来，常规钢芯铝绞线都是我国输电线路建设中采用的主流导线。随着国民经济的发展和时代进步，电力建设越来越注重节能环保，对新型节能导线的关注越来越密切。新型节能导线符合当前建设“资源节约型”输电线路工程的理念，也是当前架空电力线路导线的发展方向之一。目前，在国内750 kV、1000 kV、±800 kV线路试验段应用较多的新型导线主要有钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯铝绞线以及全铝合金绞线。但是，这些新型节能导线在国内超、特高压输电线路上的应用还处在起步阶段，尚未大面积推广应用，其运行经验的积累较少且价格较高。鉴于此，目前国内超、特高压输电线路导线对新型节能导线一般采用小范围试用的方式，为日后的大范围推广使用积累运行经验。

4.2 比选导线参数及机械特性比较

本文以技术经济性较优的JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线为基准，选择外径基本与之相近的新型导线进行机械特性比较，结果见表 11所示。由表 11 比较结果可见，新型导线与JL/G3A-1250/70钢芯铝绞线各项机械特性基本相同。

表 11 本工程推荐导线与新型导线机械强度对比
4.3 经济性比较

4种新型导线方案年费用计算结果见表 12。根据表 12 比较结果可以看出，与JL（GD）/G3A-1250/70型钢芯高导电率铝绞线、JLHA3-1350型中强度全铝合金绞线、JL/LHA1-800/550型铝合金芯铝绞线3种新型导线相比，JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线年费用仍具有优势。根据以上经济性比较结果，本工程并不推荐采用新型导线。如果出于发展新技术、新材料以及为日后工程积累运行经验等方面考虑需要试用新型导线，则建议试用年费用较优的铝合金芯铝绞线。

表 12 年费用计算（年利用小时数取6000h）
5 结论

通过综合比较，得出以下结论。

5.1 能量传输

本工程额定输送容量10 000 MW，按照过负荷1.1倍的要求验算导线允许载流量，6×1250 mm2铝截面的导线不满足要求。8×900 mm2及以上铝截面的导线满足要求，且传输效率大于93%。

5.2 电磁环境

本工程的导线截面和分裂数均大于哈密—郑州±800 kV线路工程，其指标均满足电磁环境的相关要求，且优于哈郑线。

5.3 机械特性

在本标段设计气象条件下，对所选8×900 mm2及以上铝截面进行导线张力弧垂计算时，均按平均运行张力控制条件计算，所选导线在工程应用中的实际安全系数均大于2.5，且导线截面越大，实际安全系数越大。

另外，导线截面越大，其过载能力越强。以导线弧垂最低点的最大张力不超过设计拉断力的60%为控制条件，所选8×900 mm2及以上铝截面导线过载冰厚均超过设计冰厚的2倍，满足工程需要。

5.4 经济性

在导线电气、机械特性均满足要求的8×900mm2、8×1000 mm2、8×1120 mm2、8×1250 mm2 4种截面导线中，导线截面最小的8×900 mm2导线方案初投资最优，截面最大的8×1250 mm2 导线年费用最优。

在电气、机械特性均满足要求，铝截面均为8×1250 mm2 等级的JL/G2A-1250/100、JL/G3A-1250/100、JL/G2A-1250/70、JL/G3A-1250/70 型钢芯铝绞线中，初投资及年费用最优的是JL/G2A-1250/70型导线方案，JL/G3A-1250/70型导线与之相当。

5.5 制造与施工

目前国内1250 mm2大截面导线正处在研制阶段，多数导线生产厂家均具备该型导线的生产能力。但从施工方面来看，为保证压接后导线的机械强度，推荐JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线。

5.6 新型导线应用

以技术经济性较优的JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线为基准，选择外径基本与之相近的JL（GD）/G3A-1250/70 型钢芯高导电率铝绞线、JL/LHA1-800/550型铝合金芯铝绞线以及JLHA3-1350型中强度全铝合金绞线进行技术经济比较，3种新型导线的技术性能均满足工程要求。年费用方面，JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线仍具有优势，本标段不推荐采用新型导线。

5.7 推荐导线

本工程内蒙古段线路平丘段导线采用8×JL/G3A-1250/70型钢芯铝绞线、一般山地段采用8×JL/G2A-1250/100型钢芯铝绞线，分裂间距500 mm。

参考文献
[1] 中国电力企业联合会.GB 50790—2013 ±800 kV直流架空输 电线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2013.
[2] 全国电线电缆标准化委员会.GB/T 1179—2008 圆线同心 绞架空导线[S].北京:中国计划出版社,2008.
[3] 日本电线电缆生产商协会.JCS 0374:2003 裸线载流量计 算方法[S].东京:日本电线电缆生产商协会,2003.
[4] Lings R. EPRI AC ransmission line reference book-200kV and above[M]. Third edition. Palo Alto:Electric Power Research Institute, 2008.
[5] 电力工业部.电力工业部(82)电计字第44号文电力工程 经济分析暂行条例[R].北京:电力工业部,1982.
[6] 李孝林.220 kV输电线路采用钢芯铝绞线与碳纤维导线 的方案比较[J].内蒙古电力技术,2014,32(6):38-41.