林清海

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 概述

特高壓線路采用大截面導線，在減小線路損耗，降低輸電線路表面場強、無線電干擾和可聽噪聲等方面具有比較大的優(yōu)勢。

大截面導線在國外的應用比較廣泛，技術也非常成熟，其中以日本的用量為最大。日本275 kV系統(tǒng)中普遍采用 2×810 mm2、2×1160 mm2、4×810 mm2導線；500 kV 導線的截面已達到 2×1160 mm2、6×810 mm2；1000 kV 導線采用 8×810 mm2、8×960 mm2。美國有少量2×ACSR－1172／76導線在太平洋聯(lián)絡線應用。

近年來，在國內(nèi)的直流輸電（如三滬、三廣線）以及東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的主干網(wǎng)中采用了720 mm2大截面導線。

已投運的±660 kV寧東直流工程，采用4×JL／G3A－1000／45大截面導線，分裂間距500 mm。

已投運的±800 kV向家壩—上海特高壓直流工程，采用 6×ACSR－720／50 導線，分裂間距 450 mm。

在建±800 kV錦屏—蘇南特高壓直流工程，采用6×JL／G3A－900／40 和 6×JL／G2A－900／75 導線，分裂間距450 mm。

在建的±800 kV哈密—鄭州特高壓直流工程，采用 6×JL／G3A－1000／45 導線。

JL／G3A－900／40 結 構 的 導 線 鋁 鋼 截 面 比 為23.14，為特輕型導線，為滿足工程使用要求，鋼芯需選用特高強度鍍鋅鋼線。

1 導線選擇的主要原則

導線選擇是超、特高壓輸電線路的重要課題，對線路的輸送容量、傳輸性能、電磁環(huán)境問題（靜電感應、電暈、無線電干擾、噪聲等），以及輸電線路的技術經(jīng)濟指標都有很大的影響，同時對降低工程造價和長期運行維護有著十分深遠的意義［1］。

在特高壓直流線路導線選擇中，要充分考慮導線的電氣特性和機械特性。

在電氣特性方面，特高壓線路由于電壓的升高，導線電暈而引起的各種問題，特別是環(huán)境保護問題將比超高壓線路本體問題更加突出，從國內(nèi)外的實驗研究和工程實踐情況看，采用多分裂導線并合理選擇導線直徑和分裂形式是確保導線良好電氣性能及滿足環(huán)境保護要求的有效途徑。

對于導線的機械特性，要使特高壓輸電線路能安全可靠的運行，要求導線具有優(yōu)良的機械性能和一定的安全度，特別是線路經(jīng)過高山大嶺（大檔距和大高差）及嚴重覆冰地區(qū)。

根據(jù)特高壓直流輸電線路的特點，導線選擇時，在電氣特性、機械性能、經(jīng)濟性等方面需綜合考慮以下因素：導線電流密度、導線最高允許溫度；地面標稱電場強度；地面合成電場強度；地面離子流密度；無線電干擾水平；電暈可聽噪聲；機械強度；年費用；其它方面（如導線的電暈損失、對桿塔重量及絕緣子金具的影響及制造、施工條件等）。

2 導線選型的主要內(nèi)容

確定系統(tǒng)邊界條件及導線選擇的主要控制參數(shù)。

根據(jù)系統(tǒng)輸送容量確定導線經(jīng)濟電流密度，初步確定導線總截面。

根據(jù)桿塔規(guī)劃結果，選擇典型塔型，計算各備選導線方案的電氣特性，包括導線的過負荷溫度、傳輸功率及功率損耗、地面標稱電場強度、地面合成電場強度及地面離子流密度、地面磁場強度、無線電干擾、電暈可聽噪聲，并進行比較，研究直流輸電線路對環(huán)境的影響，確定滿足電磁環(huán)境指標的可行導線方案。

計算各備選導線方案的機械特性，包括弧垂特性、荷載特性（水平荷載、垂直荷載、張力）、覆冰過載能力和懸點應力允許高差等，確定合理的導線方案。

采用年費用最小法對備選導線進行綜合經(jīng)濟比較，以年費用最小來確定推薦常規(guī)導線方案。

3 導線選型的主要控制參數(shù)

導線選擇的主要控制參數(shù)參照《±800 kV直流架空輸電設計規(guī)范》（國標報批稿），其限值見表 1［3－4］。

說明：

1）地面磁場強度，實際計算值遠小于該限值，可不考慮磁場強度的影響。

2）無線電干擾水平，海拔不超過1000 m，20 m處 0.5 MHz 無線電干擾場強 80% ／／80% 值［5］。

3）可聽噪聲，20 m處時由電暈產(chǎn)生的可聽噪聲，50%值。

表1 導線選擇主要控制參數(shù)限值一覽表

4）無線電干擾的高海拔修正，根據(jù)《±800 kV直流架空輸電線路設計規(guī)范》（報批稿），以1000 m為基準，海拔高度每增加300 m，無線電干擾限值增加1 dB。

5）可聽噪聲的高海拔修正，根據(jù)《±800 kV直流架空輸電線路設計規(guī)范》（報批稿），以1000 m為基準，海拔高度每增加300 m，噪聲限值增加1 dB。

導線的選擇除了考慮以上因素以外，應從電氣特性、機械特性和經(jīng)濟性三個方面進行了詳細的技術經(jīng)濟比較，推薦出在技術和經(jīng)濟上最優(yōu)的導線截面和分裂型式。

4 導線電氣性能計算

導線電氣性能的計算主要包括導線電流密度、過負荷溫度、傳輸功率及功率損耗、表面電場強度、電暈損耗、無線電干擾、電暈可聽噪聲及地面標稱場強、地面合成場強、地面離子流密度等內(nèi)容。

表2列出了全部7種導線的各項電氣計算值，可以直觀的看出各種導線的電氣特性。

通過表2可知，極導線分裂根數(shù)越多，導線直徑越大，其電氣性能就越好，但導線總截面也不能太大，電流密度不能太低，以避免投資過大，另外還應考慮生產(chǎn)、施工、運行經(jīng)驗。

6分裂及以上極導線方案在高海拔條件下，其電氣性能、電場效應、無線電干擾和可聽噪聲方面均有較大優(yōu)勢。

綜上所述，7種導線組合均滿足電氣特性的要求，現(xiàn)對7種導線的機械特性進行比較。

表2 各種導線的電氣特性

表3 各導線的機械性能表

5 導線機械性能計算

5.1 導線機械特性的計算

參與比選的各導線機械性能見表3，表中，L為規(guī)律檔距，單位為m。

由表3可以看出，6種導線由于拉重比接近，在7.26～7.82之間，弧垂相差不大，規(guī)律檔距在600 m時，最大弧垂差值為1.82 m。

覆冰過載能力上，最大為 JL／G3A－1120／50，最小為ACSR－720／50，最大差值為規(guī)律檔距400 m時的2.61 mm，均能滿足本工程過載能力的要求。

5.2 導線懸點應力的計算

懸掛點的設計安全系數(shù)，根據(jù)《±800 kV直流架空輸電線路設計規(guī)范》（報批稿）的規(guī)定應不小于2.25。不同覆冰工況時，懸掛點應力允許的最大高差計算見表4。

在 900 mm2截面導線中，JL／G3A－900／40 導線的適用范圍將受一定限制，特別是相對高差較大的山地不建議采用。

5.3 導線荷載

參與比選的各導線荷載情況見表5，表中選取JL／G3A－900／40 為基準導線。

從表5可以看出：

1）水平荷載，變化范圍在 92.92%～121.07%，5×JL／G3A－1120／50 最小，8×ACSR-720/50 最大。 各導線組合方案相差較大，最大達到28.15%，對桿塔重量影響較大，約為8%，對工程投資影響較大。

2）垂直荷載，覆冰10 mm變化范圍在99.29%～119.14% ，5×JL／G3A －1120／50 最 小 ，6 ×JL／G3A －1120／50 最大。

表4 10 mm冰區(qū)滿足懸掛點應力條件下的最大允許高差

表5 參與比選的各導線荷載情況表

3）對于最大張力，變化范圍在100.00%～121.87%，6×JL／G3A－900／40 最小，6×JL／G3A－1120／50 最大，最大差21.87%，對桿塔重量影響較大，約為5%，耐張串的配置均需要3×530 kN。

4）6種導線的弧垂特性，由于拉重比接近，在7.26～7.82之間，弧垂相差不大，規(guī)律檔距在600 m時，最大弧垂差值為1.82 m。

導線的弧垂特性也與導線的結構有關，當鋁鋼截面比加大時，其弧垂特性變差，鋁鋼截面比一樣時，弧垂特性相差不多，JL／G3A－1120／50 最優(yōu)，ACSR－720／50最差?？傮w來說，所選的導線方案均能滿足工程對導線機械性能的要求。

5）覆冰過載能力上，最大為 JL／G3A－1120／50，最小為ACSR－720／50，最大差值為規(guī)律檔距400 m時的2.61 mm，均能滿足設計覆冰和驗算覆冰的要求， 而 JL／G3A－1120／50 和 JL／G2A－900／75 最大，ACSR－720／50最小。兩種結構900 mm2截面導線覆冰過載能力接近，相差1 mm左右。過載時，導線最低點的最大張力達到其計算拉斷力60%時相應的計算覆冰厚度。隨導線截面的加大，其覆冰過載能力也相應增大，6種導線均滿足10 mm及以下冰區(qū)抗過載要求。

6 導線經(jīng)濟性能計算

6.1 年費用最小法計算方法

年費用法為財務評價方法之一，能反映工程投資的合理性、經(jīng)濟性。年費用比較法是將參加比較的諸多方案在計算期內(nèi)的全部支出費用折算成等額年費用比較，年費用低的方案在經(jīng)濟上最優(yōu)。年費用包含初投資年費用、年運行維護費用、電能損耗費用及資金的時間價值（即利息）。為了進一步分析各種導線的經(jīng)濟性，采用最小年費用法對4種導線組合的年費用進行了計算。

式中：NF—年費用 （平均分布在從m＋1到m＋n期間的幾年內(nèi)）；Z—折算到第m年的總投資；u—折算年運行費用；m—施工年數(shù)；n—工程使用年限；t—從工程開工這一年起的年份；t′—工程部分投產(chǎn)的年份；r0—經(jīng)有關領導部門規(guī)定的電力工業(yè)投資回收率或稱電力工業(yè)投資利用率。

6.2 年費用

各導線方案的年費用，在損失小時數(shù)3000～5000 h的計算結果（計及電暈損耗）見表6。

從表6可以看出：

隨著電價、回收率和損失小時數(shù)提高，年費用也隨之提高。

回收率8%時，損失小時數(shù)在3000～5000 h范圍變化時，大截面導線 6×JL／G3A－1120／50 年費用方面最小，其次為 6×JL／G3A－1000／45，6×JL／G3A－900／40、6×JL／G2A－900／75 和 5×JL／G3A－1120／50三種導線的年費用相差不大。

表6 各種結構導線年費用計算結果 萬元／km

回收率10%時，損失小時數(shù)在3000～5000 h范圍變化時，6×JL／G3A－1120／50 年費用方面最小，6×JL／G3A－1000／45 年費用損失小時數(shù) 3000 h，電價低于 0.35 元 ／kWh 時，大于 6×JL／G3A－900／40 導線。

回收率 12%時，5×JL／G3A－1120／50 和 6×JL／G3A－1120／50具有年費用的優(yōu)勢，尤其是損失小時數(shù)在 3000 h，5 分裂的 JL／G3A－1120／50 的年費用優(yōu)于 6 分裂。但 6×JL／G3A－1000／45 的年費一直大于6×JL／G3A－900／40 導線， 主要是大截面導線本體投資的增加幅度大于損耗增加的比重。

總的來說，1000 mm2以上的大截面導線具有比900 mm2截面更具有年費用上的經(jīng)濟優(yōu)勢，決定性因素在于電能損耗在年費用的比重隨著損耗小時數(shù)和電價的提高越來越大。上述的分析再次驗證大截面導線在節(jié)能降耗上面的優(yōu)越性。

鑒于國內(nèi)最大截面的導線為已投運的±660 kV寧東直流工程，采用 4×JL／G3A－1000／45大截面導線。6×1000 mm2及以上的大截面導線存在國內(nèi)未有運行經(jīng)驗、加工制造困難、需要研制新型施工工具、增加本體造價等因素，暫不推薦超過1000 mm2截面的5×JL／G3A－1120／50、6×JL／G3A－1120／50、6×JL／G3A－1000／45三種導線組合。但隨著大截面導線制造工藝的成熟、供貨能力的提高及施工、運行經(jīng)驗的積累，大截面導線在工程上的運行存在廣闊的前景。

其他四種導線，6×JL／G3A－900／40 導線的年費用最低。

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

1）考慮比選導線的機械特性，水平荷載，6×JL／G3A－900／40 最小，8×ACSR－720／50 最大，最大達到21.07%，對桿塔重量影響較大，約為8%。

2）垂直荷載，覆冰 10 mm 時，6×JL／G3A－900／40最小，8×ACSR－720／50 最大。最大差值在 19.06%，對塔重影響約2%。

3）縱向張力，變化范圍在 97.52%～115.99%，，8×LGJ－630／45 最小，6×JL／G2A－900／75，最大差18.47%，對桿塔重量影響較大，約為5%。

4）導線價格上，由于 6×JL／G3A－900／40 最輕，不僅使導線的垂直荷載最小，而且使導線的初始投資也將最低。

5）大截面導線，分裂數(shù)相同時，一般直流電阻較小，電阻損耗占有優(yōu)勢，影響年運行費用的計算。

綜上原因，整個壽命周期內(nèi)，除3種截面超過1000 mm2的導線外，6×JL／G3A－900／40 年運行費用最低。

7 結語

大截面導線雖然在機械特性上（包括水平荷載、垂直荷載、張力荷載）較常規(guī)導線有較大劣勢，造成相應工程初始靜態(tài)投資的增加，但由于其在減小電能損耗上有較大優(yōu)勢，尤其是損耗小時數(shù)大，投資回收率大時，其全壽命周期內(nèi)的成本較低，因此，雖然運行經(jīng)驗缺乏，但隨著設計、制造和施工水平的同步提高，大截面導線具有廣闊的應用前景。

如何減少大截面導線在工程初始時的本體投資，由此將引起新型導線的研究問題，比如在等直徑情況下增大導線截面（增加輸送容量，減少電阻及損耗），或者等截面情況下縮小導線直徑（減少水平荷載）等等，本文可為后續(xù)問題的研究提供支持。

［1］中國電力工程顧問集團公司.Q／DG 1－A012－2008±800 kV直流架空輸電線路設計技術導則［S］．

［2］竇飛，喬黎偉．架空線路輸電能力計算［J］．電力建設，2010，31（12）：23－25．

［3］張文亮，陸家榆，鞠勇，等．±800 kV直流輸電線路的導線選型研究［J］．中國電機工程學報，2007，27（27）：1－6．

［4］薛志方，程思勇，何民，等．糯扎渡—廣東±800 kV直流輸電線路導線選型［J］．高電壓技術，2009，35（10）：2344－2349．

［5］李敏，余占清，曾嶸，等．高海拔±800 kV直流輸電線路電磁環(huán)境測量［J］．南方電網(wǎng)技術，2011，5（1）：42－45．

［6］孟遂民．架空送電線路設計［M］．湖北：中國電力出版社，2000．

［7］張殿生．電力工程高壓送電線路設計手冊［M］．北京：中國電力出版社，2003．