楊志剛

【摘要】針對(duì)110kV輸電線路工程實(shí)際情況，本文在結(jié)合《國(guó)家電網(wǎng)公司“兩型三新”線路設(shè)計(jì)建設(shè)導(dǎo)則》的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及型號(hào)進(jìn)行了全面應(yīng)用研究，通過對(duì)導(dǎo)線的電氣特性和機(jī)械特性進(jìn)行詳細(xì)的比較與分析可知，JLHA3-335導(dǎo)線的工作性能優(yōu)于其它型號(hào)導(dǎo)線，因而為本線路工程的實(shí)施提供了技術(shù)參考，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】110kV線路;電氣特性;機(jī)械特性;JLHA3-335

1.引言

合川思居110kV輸變電工程線路部分。線路起于大石110kV變電站110kV出線構(gòu)架，止于110kV合高線開斷π接點(diǎn)。線路由西北向東南走線，新建線路長(zhǎng)約2×12.9km，導(dǎo)線截面為2×300mm2。全線均位于合川區(qū)境內(nèi)，沿線高程：260～320m;沿線地形地貌：丘陵地形100%。沿線地質(zhì)：土30%，松砂石30%，巖石40%，無不良地質(zhì)情況。

架空輸電線路由導(dǎo)地線、絕緣子串、桿塔、接地裝置等部分組成。其中導(dǎo)線承擔(dān)傳導(dǎo)電流的作用，是電能傳輸?shù)慕橘|(zhì)。導(dǎo)線在架線線路工程一般占本體投資的30%左右，又導(dǎo)線的選型決定架空輸電線路桿塔、基礎(chǔ)、絕緣子和金具強(qiáng)度的選型。因此必須認(rèn)真對(duì)待導(dǎo)線的選型?，F(xiàn)在我國(guó)及國(guó)外大多數(shù)架空輸電線路采用技術(shù)相對(duì)成熟的鋼芯鋁絞線，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了新型節(jié)能導(dǎo)線，其具有更好的輸電性能和機(jī)械特性。對(duì)于導(dǎo)線選擇我們有了更多選擇，現(xiàn)目前正推廣使用高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度全鋁合金絞線三種節(jié)能導(dǎo)線。在導(dǎo)線的選型過程首先明確線路傳輸容量，其次因不同型號(hào)的導(dǎo)線輸電性能不同，根據(jù)傳輸容量合理選擇不同型號(hào)導(dǎo)線的截面，最后根據(jù)所選擇的導(dǎo)線作出技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能分析，確定導(dǎo)線型號(hào)。因此本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外導(dǎo)線的制造情況，在滿足電氣性能和機(jī)械特性要求的前提下，對(duì)不同型號(hào)的導(dǎo)線從表面電場(chǎng)強(qiáng)度、電暈、地面電場(chǎng)強(qiáng)度、無線電干擾、可聽噪聲等計(jì)算和校核，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦JLHA3-335型鋁包鋼芯鋁絞線作為本工程導(dǎo)線選型。

2.導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及型號(hào)選擇

2.1 導(dǎo)線截面及分裂根數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)資料，本工程每回線路應(yīng)保證極限輸送功率150MW，正常運(yùn)行輸送功率按75MW考慮，結(jié)合收資情況的要求，本工程導(dǎo)線推薦選用雙分裂300mm2的規(guī)格組合，能夠滿足系統(tǒng)輸送功率的要求，電流密度約0.55～1.35A/mm2。

2.2 導(dǎo)線分裂間距選取

導(dǎo)線分裂間距的選取要考慮分裂導(dǎo)線的次檔距振蕩和電氣兩個(gè)方面的特性。我公司以往設(shè)計(jì)2×300mm2截面導(dǎo)線工程，均采用雙分裂垂直布置、分裂間距為400mm的布置形式，多年運(yùn)行證明符合工程特性，滿足安全要求，為此本工程也推薦采用此布置方式。

2.3 導(dǎo)線的型號(hào)選擇

在雙分裂300mm2規(guī)格這一前提下，常規(guī)導(dǎo)線類型為鋼芯鋁絞線。參與比選的節(jié)能導(dǎo)線包括鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線、鋁合金絞線等三種。

結(jié)合本工程的地形和氣象條件，以及國(guó)內(nèi)220kV線路工程中導(dǎo)線的使用情況，參照《圓線同心絞架空導(dǎo)線》（GB/T 1179-2008）、國(guó)家電網(wǎng)基建[2013]99號(hào)文《國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于加強(qiáng)輸電線路節(jié)能導(dǎo)線推廣應(yīng)用工作的通知》、《鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線》（Q/GDW 632-2011）、《鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線》（報(bào)批稿）及《中強(qiáng)度鋁合金絞線》（報(bào)批稿）的相關(guān)資料，本工程共選擇了4種400mm2截面的導(dǎo)線進(jìn)行比較，分別為：鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25、鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL4/G1A- 300/25、鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3- 3355，各方案導(dǎo)線型號(hào)及技術(shù)參數(shù)見表1。

3.導(dǎo)線特性比較

3.1 導(dǎo)線電氣特性比較

3.1.1 電線載流量比較

在事故運(yùn)行方式下，交流輸電線路可能出現(xiàn)的最大容量由系統(tǒng)的過負(fù)荷能力所決定。導(dǎo)線載流量與導(dǎo)線所處氣象條件（環(huán)境溫度、風(fēng)速、日照強(qiáng)度）有關(guān)，在計(jì)算導(dǎo)線載流量時(shí)，應(yīng)使導(dǎo)線不超過某一溫度，目的在于使導(dǎo)線在長(zhǎng)期運(yùn)行或在事故條件下，由于導(dǎo)線的溫升，不致影響導(dǎo)線強(qiáng)度，以保證導(dǎo)線的使用壽命。

鋼芯鋁絞線連續(xù)允許使用溫度為70～80℃，若溫度升高，會(huì)惡化導(dǎo)線的綜合性能?！?10～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50 545-2010）中規(guī)定，驗(yàn)算導(dǎo)線允許載流量時(shí)鋼芯鋁絞線的允許溫度采用+70℃，必要時(shí)可采用+80℃。本報(bào)告鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁包鋼絞線、鋁合金絞線最高允許溫度采用+70℃和+80℃兩種方案進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算中環(huán)境溫度為最高氣溫月的平均氣溫，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計(jì)資料，計(jì)算導(dǎo)線載流量的環(huán)境溫度取35℃。日照強(qiáng)度1000w/m2，風(fēng)速0.5m/s，導(dǎo)線表面輻射、吸熱系數(shù)均取0.9，具體公式如下：

（1）

式中：I：允許載流量，A;WR：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度導(dǎo)線的輻射散熱功率，W/m;WF：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度導(dǎo)線的對(duì)流散熱功率，W/m;WS：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度導(dǎo)線的日照吸熱功率，W/m;：允許溫度時(shí)導(dǎo)線的交流電阻，Ω/m。

輻射散熱功率WR算式：

（2）

式中：D：導(dǎo)線外徑，m;E1：導(dǎo)線表面的輻射散熱系數(shù)，光亮的新線為0.23～0.43;舊線或涂黑色防腐劑的線為0.90～0.95;S1：斯特凡—包爾茨曼常數(shù)，為5.67×10-8，W/m2;θ：導(dǎo)線表面的平均溫升，℃;：環(huán)境溫度，℃;

對(duì)流散熱功率WF的算式：

（3）

式中，：導(dǎo)線表面空氣層的傳熱系數(shù)，W/m℃;Re ：雷諾數(shù)。

（4）

（5）

其中：V：垂直于導(dǎo)線的風(fēng)速，m/s;v：導(dǎo)線表面空氣層的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s;

（6）

日照吸熱功率WS的算式：

（7）

式中，aS：導(dǎo)線表面的吸熱系數(shù)，光亮的新線為0.23～0.43;舊線或涂黑色防腐劑的線為0.90～0.95;JS：日光對(duì)導(dǎo)線的日照強(qiáng)度，W/m2，當(dāng)天晴、日光直射導(dǎo)線時(shí)，可采用1000W/m2。各種導(dǎo)線載流量和輸送功率見表2。

從表2可知，本工程導(dǎo)線允許載流量按最高允許溫度70℃控制。參加比選的四種導(dǎo)線的每回線極限輸送功率均高于165MW，滿足系統(tǒng)要求。各種導(dǎo)線的載流量和極限輸送功率相差不大，節(jié)能導(dǎo)線要比普通導(dǎo)線高出2.5～4.2%。

3.1.2 交流電阻損失比較

根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，線路最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)與損耗小時(shí)數(shù)τ的關(guān)系。當(dāng)最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為4000h時(shí)，損耗小時(shí)為2200h。

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司輸電線路節(jié)能導(dǎo)線應(yīng)用計(jì)算導(dǎo)則》，交流電阻計(jì)算采用先假設(shè)導(dǎo)線溫度，通過集膚效應(yīng)計(jì)算出假定的交流電阻，在校核該溫度下導(dǎo)線通過的電流，反復(fù)迭代至負(fù)荷電流和校核電流相等或接近。雙回交流輸電線路的電阻熱損失為：

（8）

式中，WQ——功率熱損耗（MW/km）;N：分裂根數(shù);I：?jiǎn)位芈访扛鶎?dǎo)線的額定工作電流（A）;re：導(dǎo)線的交流電阻（Ω/km）。各種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的電能熱損失見表3。

從表3可看出，相對(duì)于普通鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL4/G1A-300/25、鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335具有良好的節(jié)能效果，在輸送功率較大的線路其節(jié)能效益更明顯。

3.2 導(dǎo)線機(jī)械特性比較

3.2.1 導(dǎo)線弧垂

導(dǎo)線的弧垂特性與導(dǎo)線的計(jì)算拉斷力、鋁鋼截面比、自重等因素有關(guān)。各導(dǎo)線40℃弧垂桿塔重量的計(jì)算結(jié)果見表4。

從表4可知，中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335弧垂特性最好;鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1-165/170弧垂特性較好;鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL4/G1A-300/25線弧垂特性基本相同。

3.2.2 導(dǎo)線過載能力

各導(dǎo)線過載能力見表3.6，覆冰驗(yàn)算的氣象條件為：氣溫-5℃、風(fēng)速10m/s。從表5可以看出，鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL4/G1A-300 /25過載覆冰能力最好;由于中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335導(dǎo)線單位重量輕、導(dǎo)線張力稍大，因此導(dǎo)線過載冰厚較好;而鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1 -165/170的過載冰厚稍差（見表5）。

在導(dǎo)線運(yùn)行中，導(dǎo)電層的最終應(yīng)力大小需單獨(dú)計(jì)算，它關(guān)系到鋁股的實(shí)際使用安全系數(shù)、平均運(yùn)行應(yīng)力和疲勞極限。在不計(jì)扭絞時(shí)，芯線和導(dǎo)電層的應(yīng)力與相應(yīng)的彈性系數(shù)成比例。按此計(jì)算，四種導(dǎo)線方案的各層應(yīng)力分配如表6。從表6可以看出，隨著芯線和導(dǎo)電層（即一般所說的鋼鋁比）的增大，鋁股的安全系數(shù)逐漸下降。因?yàn)镴LHA3-335采用同種材料，因此其各層應(yīng)力分配均勻，即使在過載情況下，仍具有足夠的安全系數(shù)，而JL4/LHA1-165/170在過載情況下，鋁股應(yīng)力相對(duì)其它導(dǎo)線較大。從過載能力角度看，線路的設(shè)計(jì)覆冰厚度為5mm時(shí)，表中4種導(dǎo)線的過載允許覆冰均在17mm以上，因此均能滿足本工程覆冰過載的要求，且有較大裕度。

3.2.3 導(dǎo)線耐張串強(qiáng)度選擇

導(dǎo)線耐張串承受導(dǎo)線全部拉力、風(fēng)荷載和垂直荷載。導(dǎo)線耐張串強(qiáng)度選擇對(duì)輸電線路的安全運(yùn)行尤為重要，根據(jù)《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50545-2010）要求，各導(dǎo)線耐張串強(qiáng)度計(jì)算如表7所示。從表7可知，鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1-165/170掛點(diǎn)張力較小，中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335掛點(diǎn)張力居中，其余兩種導(dǎo)線掛點(diǎn)張力基本一致，4種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)均需采用2×100kN耐張串。

3.2.4 導(dǎo)線對(duì)桿塔荷載的影響

表8給出了各種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的每相荷載。分析可知，各導(dǎo)線的水平荷載基本一致;鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載和使用張力相對(duì)鋼芯結(jié)構(gòu)絞線小。

3.2.5 導(dǎo)線風(fēng)偏角

當(dāng)基本風(fēng)速為23.5m/s時(shí)，各種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的風(fēng)偏角見表9，本專題僅根據(jù)各種導(dǎo)線風(fēng)偏角的不同驗(yàn)算典設(shè)鐵塔尺寸。從表9可可知，鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載相對(duì)較小，導(dǎo)線風(fēng)偏角較鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL4/G1A-300/25增大3°～5°。經(jīng)驗(yàn)算鐵塔典設(shè)模塊，間隙仍有裕度，新型導(dǎo)線可以直接使用。

表9 23.5m/s風(fēng)速各種導(dǎo)線風(fēng)偏角（kV=0.75）

導(dǎo)線結(jié)構(gòu) 雷電風(fēng)偏角（°） 操作風(fēng)偏角（°） 大風(fēng)風(fēng)偏角（°）

2×JL/G1A-300/25 11.46 24.52 43.62

2×JL4/G1A-300/25 11.45 24.5 43.6

2×JL1/LHA1-165/170 12.95 27.36 47.23

2×JLHA3-335 12.95 27.36 47.23

通過上述機(jī)械特性比較，四種導(dǎo)線均滿足機(jī)械特性的要求。

（1）中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335弧垂特性最好;鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL/LHA2-165/170弧垂特性次之;鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL4/G1A-300/25弧垂特性最差;

（2）鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL4/G1A-300/25過載覆冰能力最好;由于中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335導(dǎo)線單位重量輕、導(dǎo)線張力稍大，因此導(dǎo)線過載冰厚較好;而鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1 -165/170的過載冰厚稍差;

（3）鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1-165/170掛點(diǎn)張力較小，中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335掛點(diǎn)張力居中，其余兩種導(dǎo)線掛點(diǎn)張力基本一致，4種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)均需采用2×100kN耐張串;

（4）四種導(dǎo)線水平荷載基本一致。鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載和使用張力相對(duì)鋼芯結(jié)構(gòu)絞線小;

（5）鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線JL1/LHA1-165/170和中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載相對(duì)較小，導(dǎo)線風(fēng)偏角較鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL4/G1A- 300/25增大3°～5°，但校核典設(shè)鐵塔后仍能滿足間隙要求，可直接使用。

4.結(jié)論

結(jié)合導(dǎo)線的電氣特性分析和機(jī)械特性分析結(jié)果可知，在本文所比較的不同型號(hào)導(dǎo)線中，JLHA3-335導(dǎo)線具有良好的節(jié)能效果，在輸送功率較大的線路其節(jié)能效益更明顯，且其弧垂特性最好。另外，由于JLHA3-335導(dǎo)線的單位重量輕、導(dǎo)線張力稍大，因此該導(dǎo)線過載冰厚較好。雖然JLHA3-335導(dǎo)線在所比較的導(dǎo)線中掛點(diǎn)張力居中，但是其垂直荷載和使用張力相對(duì)鋼芯結(jié)構(gòu)絞線小，降低了線路工程的設(shè)計(jì)難度和成本。

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