1000kV蘇通長江大跨越輸電線路導線選擇

溫作銘，葉鴻聲，王彬，黃偉中，吳建生

(華東電力設計院，上海市200001)

1000kV蘇通長江大跨越輸電線路導線選擇

溫作銘，葉鴻聲，王彬，黃偉中，吳建生

(華東電力設計院，上海市200001)

規(guī)劃中的1 000 kV蘇通長江大跨越工程跨距大，耐張段長，通航要求高，選擇合理的導線是工程可行的關鍵。從導線材料、導線結(jié)構、制造條件方面選取常規(guī)的6×AACSR/EST-500/230與8×AACSR/EST-400/180特強鋼芯高強鋁合金導線方案，對2種方案進行輸送容量、電磁環(huán)境、機械特性、經(jīng)濟性等方面的比較，計算結(jié)果表明，具有較好機械性能的6分裂導線方案優(yōu)于8分裂導線方案。對AACSR/EST-500/230導線從材料和結(jié)構2個方面進行優(yōu)化，提高鋼芯的抗拉強度及適當降低鋁鋼截面比，導線優(yōu)化后使跨越塔高度大為降低，減少工程投資。推薦1 000 kV蘇通長江大跨越工程導線采用6×AACSR/UST-500/280超高強度鋼芯高強度鋁合金絞線。

大跨越；導線材料；導線結(jié)構；機械性能

0 引 言

高壓輸電線路的建設不可避免地要跨越大江大河或海峽港灣，由于跨越寬闊水面的送電線路檔距大，許多河流或海峽還有通航要求，需要特殊設計。大跨越輸電線路的功能是輸送電力，導線選擇的優(yōu)劣在很大程度上決定了大跨越工程的投資高低，輸電功能能否充分實現(xiàn)，能否保證長期、低耗、安全運行。

規(guī)劃中的1 000 kV淮南—南京—上海特高壓交流輸電工程蘇通長江大跨越的跨越檔距為2 150 m，耐張段長度5 053 m，位于蘇通長江大橋上游，通航要求高，兩岸均為平地，跨越塔需在江中立塔，采用同塔雙回線路。由于檔距大、通航要求高、跨越塔塔頭尺寸很大，造成跨越塔很高。選擇適當?shù)膶Ь€使在滿足輸送容量的前提下，盡量降低跨越塔高度，對該工程的實施以及降低投資具有非常重要的意義。

1 導線初選

大跨越工程在選擇導線時，應從載流量、電磁環(huán)境、弧垂特性、制造條件等因素考慮，使選擇的導線安全可靠、技術先進、經(jīng)濟合理[1]。

1.1 初選方案

我國大跨越導線的使用，形成了特強鋼芯鋁(及其合金)與鋁包鋼兩大系列，近年來由于線路輸送容量要求的提高，鋁(及其合金)系列導線在大跨越工程中的使用有增加的趨勢。國內(nèi)鋁包鋼絞線的生產(chǎn)水平已達到國際先進水平。由于其導電能力較差，載流能力難以提高，電能損耗大，在大跨越工程中的使用受到限制，在輸送容量要求不高，要求導線有很好力學特性和防振性能的大跨越工程中，鋁包鋼絞線會有優(yōu)勢。在鋁及其合金導線系列中，鋼芯鋁絞線用于大跨越工程的數(shù)量較少，近年來500 kV及以上電壓的大跨越工程基本上都采用了特強鋼芯高強鋁合金絞線，該種導線在輸送容量大，跨距在1 km以上的大跨越工程中具有明顯的技術經(jīng)濟優(yōu)勢。蘇通大跨越工程(雙回)正常輸送潮流為9 000～12 000 MVA，適宜使用特強鋼芯高強鋁合金絞線。

對于鋼芯鋁合金絞線，在導線材料確定(鋁/鋁合金，鋼/高強鋼)后，導線的弧垂特性取決于鋁鋼截面比。選取合適的導線鋁鋼截面比對于大跨越工程十分重要。通過對我國特高壓大跨越工程導線使用情況的統(tǒng)計，結(jié)果表明對于跨越檔距為1.2～2 km的大跨越，導線鋁(鋁合金)鋼比一般取為2.2。導線結(jié)構還直接影響耐振性能，優(yōu)先采用多股多層導線[2]，有利于降低導線的動彎應變。

蘇通大跨越工程耐張段需要的單根導線長度約5.5 km。大跨越工程要求整根導線無接頭，根據(jù)目前的原材料供應情況和實際生產(chǎn)能力，導線鋁合金截面宜選取在500 mm2以下。因此，基于目前的常見特高壓大跨越導線結(jié)構，導線初選6×AACSR/EST-500/230、8×AACSR/EST-400/180 2種型號方案，參數(shù)見表1。

表1初選導線參數(shù)

Tab.1Primaryconductorparameters

1.2 載流量

對大跨越工程而言，導線截面一般按允許載流量選擇。載流量計算采用規(guī)范推薦的方法[3]，驗算載流量時，鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線的允許溫度一般采用+90 ℃，環(huán)境氣溫采用35 ℃，風速采用0.6 m/s，太陽輻射功率密度采用1 000 W/m2。

導線載流量按式(1)計算為

(1)

式中：θ為導線的載流溫升；℃；V為風速，m/s;D為導線外徑；m；ε為導線表面的輻射系數(shù)，光亮新線為0.23～0.46，發(fā)黑舊線為0.90～0.95；S為斯蒂芬-包爾茨曼常數(shù)，S=5.67×10-8W/m2;ta為環(huán)境溫度；℃；αs為導線吸熱系數(shù)，光 亮新線為0.23～0.46,發(fā)黑舊線為0.90～0.95；kt為導線溫度ta+θ時的交直流電阻比；Rdt為導線溫度ta+θ時的直流電阻，Ω/m;Is為太陽幅射功率密度，W/m2。

導線載流量計算結(jié)果見表2。

表2載流量計算結(jié)果

Tab.2Calculationresultsofcurrentcapacity

計算結(jié)果表明，所選導線滿足N-1時輸送容量11 000 MVA的要求。

1.3 電磁環(huán)境

線下工頻電場計算采用國際大電網(wǎng)會議第36.01工作組推薦的等效電荷法[4]。輸電線路的電暈特性主要取決于導線表面電場的大小，所以導線表面電場是計算輸電線路無線電干擾和可聽噪聲的重要參數(shù)。導線的起暈場強采用皮克公式計算，導線表面電場計算采用逐步鏡像法[5-6]。多分裂導線的無線電干擾計算采用1998年CISPR補充版中推薦的激發(fā)函數(shù)法[7-8]?？陕犜肼暡捎妹绹鳥PA在實際線路上通過長期實測數(shù)據(jù)推導得出的預測公式[9]，并按我國電科院實測可向下修正2 dB。計算結(jié)果見表3。

計算結(jié)果表明，所選導線的電氣性能滿足規(guī)范[10]要求。

1.4 機械性能

各導線方案的安全系數(shù)、平均運行應力、弧垂特性、荷載情況等結(jié)果見表4。

計算結(jié)果表明，6分裂導線方案與8分裂導線方案相比，導線弧垂較小，塔高較低，水平荷載與垂直荷載較小?？梢?，在導線每相截面接近的情況下，8分裂導線方案的機械特性較6分裂導線方案的差。

表3電磁環(huán)境計算結(jié)果

Tab.3Calculationresultsofelectromagneticenvironment

表4塔高及荷載計算結(jié)果

Tab.4Calculationresultsofheightandload

1.5 經(jīng)濟比較

采用最小年費用法[11]對導線方案進行經(jīng)濟比較。第1年投資按60%、第2年投資按40%，運行期取40 a，年損耗小時數(shù)取3 750 h，設備運行維護率取1.4%，利率取8%、10%、12%，上網(wǎng)電價取0.3，0.35，0.4，0.45，0.5元/(kW·h)，計算結(jié)果見表5、表6。

結(jié)果表明，6分裂導線方案的年費用較低，經(jīng)濟性較好。

1.6 導線初選結(jié)論

2種導線方案均滿足載流量要求，8分裂方案在電磁環(huán)境方面較優(yōu)，6分裂方案在機械特性方面較優(yōu)。該工程鐵塔很高，且需要江中立塔，初始投資很大，線損較初始投資對年費用的影響小，6分裂方案塔高較低，初始投資較少，年費用也較小。綜合比較，6分裂導線方案優(yōu)于8分裂導線方案。

2 導線優(yōu)化

為進一步降低跨越塔高度，減小跨越塔基礎根開，基于上述6分裂導線方案，在不降低電氣性能的前提下，對導線的機械性能方面進行優(yōu)化。

表5方案經(jīng)濟比較

Tab.5Economiccomparisonofschemes

表6年費用比較

Tab.6Annualcostcomparison萬元

2.1 導線材料優(yōu)化

巴西亞馬遜大跨越采用了中國制造廠生產(chǎn)的超高強度鋼絞線(ultra high strength steel，UST)[12]，抗拉強度大于1 910 MPa，1%伸長時應力大于1 670 MPa，強度比EST鋼絞線提高7.7%。鋼絞線采用UST后，導線的整體抗拉強度提高了5.1%。

2.2 導線結(jié)構優(yōu)化

大跨越導線采用特強鋼芯高強鋁合金導線時，結(jié)構優(yōu)化就是鋁鋼截面比的優(yōu)化選擇。鋁合金截面受輸送容量即載流量決定而不能減小，因此只能改變鋼截面大小，使鋁鋼截面比減小，導線拉力質(zhì)量比增大，弧垂減小，從而降低跨越塔塔高，使跨越塔的水平荷載明顯降低，減少塔材和基礎。在大檔距時，這一措施作用明顯，但同時也使跨越塔、耐張塔的受力加大，增加了塔材和基礎。另一方面，由于需要控制鋁部應力在疲勞極限以下，因此導線的使用拉力有一定限制。在此限制下，當導線鋁鋼截面比選取過小時，鋼芯強度不能充分利用，導線的弧垂特性并沒有改善。

±500kV葛滬線吉陽長江跨越和沙洋漢水跨越采用了KTACSR/EST-630/360導線，結(jié)構為48(鋁股數(shù))/37(鋼股數(shù))，鋁鋼截面比為1.78。導線結(jié)構按此優(yōu)化后，拉力質(zhì)量比值較結(jié)構為42(鋁股數(shù))/37(鋼股數(shù))、鋁鋼截面比為2.2的導線提高了3.1%。

2.3 平均運行應力取值

導線AACSR/EST-500/230材料優(yōu)化后為AACSR/UST-500/230，進一步結(jié)構優(yōu)化后為AACSR/UST-500/280，導線技術參數(shù)如表7。

表7優(yōu)化后導線技術參數(shù)

Tab.7Conductorparametersafteroptimization

大跨越導線平均運行應力的取值，不僅直接影響導線的弧垂，從而影響跨越塔塔高，而且還影響了導線的自身抗疲勞振動能力，從而影響導線的安全運行。平均運行應力取值與導線自身的抗疲勞振動能力、整個跨越工程的防振措施、運行經(jīng)驗都有關系。

根據(jù)對國內(nèi)外特強鋼芯高強鋁合金導線平均運行應力的統(tǒng)計，平均運行張力都為17.7%～25%的額定破壞張力(rated tensile strength，RTS)。其中約有64%的工程平均運行張力為20.5%～23.5% RTS，運行良好。

平均運行應力是導線在平均氣溫狀態(tài)的綜合應力，而對應的鋁股或鋁合金股的應力值及如何評價是令人關注的。一般而言，選擇導線平均運行應力時，應按不同導線材料的應力分配，使鋁股或鋁合金股的應力不大于它們各自的疲勞極限。

導線材料的疲勞極限可通過在旋轉(zhuǎn)反復彎曲試驗機上進行試驗獲得，各種試驗報告的數(shù)據(jù)不盡相同，但差別不大。通常鋼絞線的疲勞極限最大，高強度鋁包鋼線次之，鋁合金線又次之，鋁線最差。

鋁部應力按式(2)計算

(2)

式中：σa為鋁合金部運行應力，MPa；αa為鋁合金部線膨脹系數(shù)，1/℃；αs為鋼部線膨脹系數(shù)，1/℃；Ea為鋁合金部彈性系數(shù)，MPa；ES為鋼部彈性系數(shù)，MPa；ts為使用溫度與制造溫度的差值，取15℃；T為導線的張力，N。3種導線鋁合金部應力計算結(jié)果見表8。

表8導線鋁合金部應力

Tab.8Aluminumalloystressofconductor

高強鋁合金的疲勞極限應力在8～9 kg/mm2，現(xiàn)取為8 kg/mm2左右，使特強鋼芯高強度鋁合金絞線平均運行張力控制在20%RTS，再考慮大跨越導線懸掛點應力較最低點應力提高10%左右，則導線最低點的平均運行應力控制在20%破斷應力(σb)是合適的。

2.4 對于T/W取值的考慮

有關導線微風振動在CIGRE WG11中提出微風振動的強度依賴于參數(shù)T/W(T為導線平均運行張力，W為導線自重)。但CIGRE SC22-WG11、IEEE或IEC/TC11文獻中至今為止沒有見到關于阻尼線的調(diào)查和詳細說明。

SC22-WG11-TF4-97-20最終報告第2版草案“沒有保護的單導線的微風振動的安全設計張力”中列舉了無任何保護的單導線T/W取值，事實上T/W方法本身也是從控制鋁股靜態(tài)應力的基本概念推導出來的，上節(jié)已經(jīng)從鋁部應力出發(fā)就選擇合適的導線松緊程度做了分析。從收集到的導線采用鋼芯鋁合金絞線的大跨越工程來看，很多工程的導線平均運行張力與導線自重的比值(T/W)大于3 000 m，其中一些國外工程如加拿大的多個大跨越工程T/W均超過3 600 m，且運行良好。

本工程導線平均運行應力取不大于20%σb，導線的平均運行張力與單位質(zhì)量比值(T/W)為3 559.5 m(AACSR/UST-500/280)。

國內(nèi)大跨越工程普遍采用阻尼線、防振錘、阻尼間隔棒聯(lián)合防振措施，其防振效果良好。建議蘇通長江大跨越工程同樣采用。

2.5 導線優(yōu)化后經(jīng)濟比較

導線優(yōu)化后經(jīng)濟比較計算結(jié)果見表9。

表9導線優(yōu)化前后經(jīng)濟比較

Tab.9Economiccomparisonbeforeandafterconductoroptimization

由表9可見，經(jīng)過2項優(yōu)化后，導線90 ℃弧垂由214 m減小至176 m，跨越塔基礎根開由74 m減小至66 m。大風工況下的水平荷載基本不變，覆冰工況下的垂直荷載則增加了9.2%。由于跨越塔高度得到有效降低，立于江中的跨越塔的塔材和基礎耗量大大降低，由于張力增大引起的耐張塔的塔材和基礎增加所占比重不大，使得工程的塔材和基礎耗量明顯降低。工程投資在導線優(yōu)化后大大降低。

2.6 導線生產(chǎn)能力分析

巴西亞馬遜大跨越檔距分布為900 m-2 148 m-860 m，耐張段長度為3 908 m，采用的導線為4分裂AACSR/UST-540/240，結(jié)構為鋁合金42×4.04、鍍鋅鋼芯37×2.88，導線直徑為36.32 mm，截面為779.43 mm2，實測破斷拉力超過577.5 kN(滿足設計要求鋁合金部應力325 MPa、鍍鋅鋼部應力1 670 MPa下的拉斷力要求)，鋼芯由河南鞏義提供，整線由杭州電纜廠制造，并已供貨，目前工程已建成。據(jù)了解，其鋼單絲1%伸長率應力達到1 670 MPa有難度，但是由于導線拉斷時的鋼絲伸長率實際超過1%，因此試驗測得導線實際拉斷力高于導線的計算拉斷力，導線強度能夠滿足設計要求。

蘇通長江大跨越推薦6分裂導線AACSR/UST-500/280，結(jié)構為鋁合金48×3.64、鍍鋅鋼芯37×3.12。破斷拉力要求629.75 kN(相應鋁合金部應力315 MPa、鍍鋅鋼部應力1 670 MPa)。長度需要約5.5 km。

根據(jù)有關方面了解，該導線具備制造可能，具體如下：

對鋁合金部分，單絲材料供應上目前眾多廠家均沒有問題。對鋁合金單絲的絞制工序上，中天、杭纜、武纜等廠家均沒有問題。

對鍍鋅鋼部分，單絲材料供應上目前僅武鋼與天津華源保證沒有問題，經(jīng)中天實測，以往工程武鋼提供的單絲樣本已能滿足應力要求，在單絲材料上，武鋼能夠保證。其他鋼廠如寶鋼也具備制造能力。

對鍍鋅鋼單絲的絞制工序上，若分多次絞成，則眾多廠家均可完成，若要求一次絞成，受設備條件限制，目前中天可保證沒有問題，其他可制造海纜的廠家如漢纜、寧波東方、亨通等具有絞制的潛力。

3 結(jié) 論

(1)大跨越導線在滿足載流量要求的前提下，當導線相截面接近時，分裂數(shù)多則電磁環(huán)境指標較好，但機械性能較差。1 000 kV蘇通大跨越工程跨越檔距大，通航要求高，還需江中立塔，工程初始投資很大，線損較初始投資對年費用的影響小。6分裂方案塔高較低，初始投資較少，年費用也較小。綜合比較，具有較好機械性能的6分裂導線方案6×AACSR/EST-500/230優(yōu)于8分裂導線方案8×AACSR/EST-400/180。

(2)1 000 kV蘇通長江大跨越工程在江中立塔，跨越檔距很大，降低塔高非常重要，可以從導線材料和導線結(jié)構2方面對導線進行優(yōu)化。通過提高導線鋼芯的抗拉強度以及適當降低導線的鋁鋼截面比2個方面將AACSR/EST-500/230特強鋼芯高強鋁合金絞線優(yōu)化為AACSR/UST-500/280超高強度鋼芯高強度鋁合金絞線，其中鋼芯采用超高強度鋼芯(UST)，鋁鋼截面比為1.78，優(yōu)化后實現(xiàn)了塔高降低38 m，基礎根開減小8 m，同時水平荷載基本不變，垂直荷載僅增加9.2%?？缭剿乃暮突A耗量大大降低，由于張力增大引起的耐張塔的塔材和基礎增加所占比重不大，使得工程的塔材和基礎耗量明顯降低。導線優(yōu)化后工程投資大大降低。

(3)高強度鋁合金的疲勞極限應力取為8 kg/mm2左右，通過對鋁合金部應力的驗算，AACSR/UST-500/280導線的平均運行張力控制在20%RTS是合適的。

(4)從收集到的導線采用鋼芯鋁合金絞線的大跨越工程來看，很多工程的導線平均運行張力與單位質(zhì)量比值(T/W)大于3 000 m，其中一些國外工程如加拿大的多個大跨越工程T/W均超過3 600 m，且運行良好。AACSR/UST-500/280導線的T/W為3 559.5 m，建議采用阻尼線、防振錘、阻尼間隔棒聯(lián)合防振措施。

(5)AACSR/UST-500/280導線在制造上有一定困難，但從制造廠商的生產(chǎn)能力來看，該導線具備制造可能。

(6)1 000 kV蘇通長江大跨越工程導線推薦采用6分裂AACSR/UST-500/280超高強度鋼芯高強度鋁合金絞線。

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(編輯：劉文瑩)

ConductorSelectionof1000kVSutongPowerTransmissionLineLargeCrossingoverYangtzeRiver

WEN Zuoming, YE Hongsheng, WANG Bin, HUANG Weizhong, WU Jiansheng

(East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200001, China)

In planning of 1 000 kV Sutong large crossing project over Yangtze River, the span is large, the strain segment is long, and the navigation requirements are relatively high, so the reasonable conductor selection is the key factor to the project feasibility. Regular 6×AACSR/EST-500/230 and 8×AACSR/EST-400/180 aluminum alloy clad steel reinforce (using extra-high strength steel core) conductor programs were selected from the conductor material, structure and manufacturing conditions. These two kinds of schemes were compared from the aspects of transmission capacity, electromagnetic environment, mechanical properties and economy, etc. The calculation results show that the 6 bundled conductor scheme with better mechanical properties is better than 8 bundled conductor scheme. The AACSR/EST-500/230 conductor was optimized from two aspects of material and structure, in order to improve the tensile strength of steel core and reduce the aluminum steel cross section ratio, which could lead the great reduction of crossing tower height and engineering investment. Therefore, the conductor scheme of 6×AACSR/UST-500/280 aluminum alloy clad steel reinforce (using ultra-high strength steel core) is recommended to be adopted in 1 000 kV Sutong large crossing project over Yangtze River.

large crossing; conductor material; conductor structure; mechanical properties

TM 751

： A

： 1000-7229(2014)04-0070-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.04.012

2013-10-14

：2013-11-22

溫作銘(1983)，男，碩士，工程師，從事輸電線路設計工作，E-mail：wzm@ecepdi.com；

葉鴻聲(1940)，男，教授級高級工程師，從事輸電線路設計工作，E-mail：yhs@ecepdi.com；

王彬(1983)，男，碩士，工程師，從事輸電線路設計工作，E-mail：wangb@ecepdi.com；

黃偉中(1964)，男，教授級高級工程師，從事輸電線路設計工作，E-mail：hwz@ecepdi.com；

吳建生(1953)，男，教授級高級工程師，從事輸電線路設計工作，E-mail：wjs@ecepdi.com。