龔有軍，郭琳霞

(1. 中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663；2. 廣東電網(wǎng)有限責任公司 教育培訓評價中心，廣州 510520)

?

不同電源送出1 000 kV交流輸電線路導線選型研究

龔有軍1，郭琳霞2

(1. 中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663；2. 廣東電網(wǎng)有限責任公司 教育培訓評價中心，廣州 510520)

導線選型是交流特高壓輸電的關(guān)鍵技術(shù)之一，對線路建成投產(chǎn)后的安全運行及經(jīng)濟運行有著非常重要的影響。根據(jù)擬定的輸送容量、電磁環(huán)境、運行溫度、安全系數(shù)等邊界條件，對16種導線進行了全面的電氣性能及機械性能對比。同時，根據(jù)國內(nèi)不同性質(zhì)電源(火電、水電、核電、風電)的特征，選取與之匹配的單位千瓦補充投資、上網(wǎng)電價、年運行小時數(shù)等參數(shù)進行了年費用分析，有針對性地給出了推薦建議，為工程建設(shè)提供參考。

特高壓；交流；導線選型；火電；水電；核電；風電

中國幅員遼闊，資源分布與負荷分布極不均勻?？紤]到經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的環(huán)境容量等因素，采用交直流特高壓輸電線路進行遠距離大容量輸電是我國解決上述問題的首選。

導線作為輸電線路最主要的部件之一，它既要滿足輸送電能的基本要求，也要安全可靠地運行，同時對特高壓輸電線路還要求滿足環(huán)境保護的要求。因此，對導線在電氣和機械兩方面都提出了嚴格的要求。同時考慮到架線工程投資對線路的一次投資及運行維護費用均影響很大，因此對特高壓線路的導線進行科學選型，社會和經(jīng)濟效益顯著。

導線選型中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是經(jīng)濟評價。不同的電源送出線路，其單位千瓦補充投資、上網(wǎng)電價、運行小時數(shù)等參數(shù)差異巨大，對導線選型的結(jié)果影響很大。因此，針對不同性質(zhì)的電源送出，對特高壓線路的導線選型進行有針對性的分析，很有必要。

1 參數(shù)說明

根據(jù)某工程實際情況，線路同塔雙回架設(shè)。正常時單回輸送容量5 000～6 000 MVA，事故時每回極限輸送功率8 000～12 000 MVA。線路基本設(shè)計風速為30 m/s，設(shè)計覆冰為10 mm，海拔1 000 m以下。線路直線塔采用雙回自立式傘型鐵塔，其單線圖見圖1?？紤]現(xiàn)有特高壓線路的運行經(jīng)驗以及電磁環(huán)境、不平衡度等指標，線路采用逆相序排列方式。

圖1 鐵塔單線圖及尺寸

Fig. 1 Single line diagram and size of the iron tower

鐵塔單線圖位置導地線坐標/mXY地線±215H+575第一層導線±151H+408第二層導線±154H+204第三層導線±157H

注：H為呼高；X為橫擔方向，原點為橫擔兩側(cè)導線掛點中點；Y為垂直往上方向，原點為地面。

2 約束條件

特高壓線路由于電壓等級高，因此在同等的導線分裂數(shù)及導線截面下，線路的電暈現(xiàn)象要比超高壓線路強烈得多。為了限制導線的電暈，改善線路的電磁環(huán)境，相關(guān)的規(guī)程規(guī)范對線路的電磁環(huán)境指標進行了約束[1]。主要有：(1)線下最大電場強度10 kV/m；(2)海拔500 m及以下地區(qū)，距離線路邊相導線地面水平投影外側(cè)20 m處，頻率為0.5 MHz的無線電干擾不應大于58 dB(μV/m)，濕導線的可聽噪聲不應大于55 dB(A)。若海拔高度大于500 m，則無線電干擾及可聽噪聲均以500 m為起點，每300 m增加1 dB。

此外，導線在機械性能及運行溫度方面的限制由：導線在弧垂最低點的最大安全系數(shù)不得小于2.5，年平安全系數(shù)不得小于4.0，普通鋼芯鋁絞線在最大輸送容量下的導線運行溫度不得高于80 ℃。

3 導線截面初步選擇

對于任意一條輸電線路而言，存在一個經(jīng)濟電流密度，在此電流密度下，線路可以在一次投資及運行費用間取得較好的平衡。經(jīng)濟電流密度的取值與線路建設(shè)時期的物價水平、利率水平、建設(shè)難度等因素息息相關(guān)，并不容易精確計算。我國目前的經(jīng)濟電流密度還是參考前蘇聯(lián)的相關(guān)成果，已經(jīng)不能用于決定最優(yōu)導線截面。然而，若是作為一個大概的指標以框定優(yōu)選范圍，該指標仍是有效的。本文取0.9 A/mm2作為經(jīng)濟電流密度進行初步框選。

根據(jù)系統(tǒng)提供的線路輸送容量為5 000～6 000 MVA，由此算得的每相電流為2 887～3 464 A，按照前述的電流密度的參考值0.9 A/mm2并適當放寬至0.7～1.0 A/mm2，算得的導線總截面為2 887～4 948 mm2，該值作為導線總截面選擇的參考。以此為基礎(chǔ)，參考國內(nèi)外特高壓線路的導線分裂數(shù)取值情況，組合得到備選的導線參數(shù)見表1，初步選擇的導線形式如表2所示。

表1 導線參數(shù)表

Tab. 1 Parameters of conductors

導線型號直徑/mm20℃直流電阻/(Ω·km-1)額定拉斷力/kNJL/G1A?400/352680073910367JL/G1A?500/4530000059112731JL/G1A?630/453380045915045ACSR?720/503620039817059

表2 初步選擇的導線形式

Tab. 2 Parameters of submarine power cable

導線型號無線電干擾/dB可聽噪聲/dB(A)是否合格7×JL/G1A?400/3561265965否8×JL/G1A?400/3558165668否9×JL/G1A?400/3555225405是10×JL/G1A?400/3552485178是6×JL/G1A?500/4563966132否7×JL/G1A?500/4560395787否8×JL/G1A?500/4557085495是9×JL/G1A?500/4553955237是10×JL/G1A?500/4551045014是6×JL/G1A?630/4563195956否7×JL/G1A?630/455945621否8×JL/G1A?630/455595337是6×ACSR?720/506276587否7×ACSR?720/5058865542否8×ACSR?720/5055315268是6×JL/G3A?900/406195736否

注：無線電干擾為雙80%值，可聽噪聲為濕導線可聽噪聲值。

4 電氣性能對比

4.1 電磁環(huán)境對比

線路的電磁環(huán)境指標包括地面電場、地面磁場、無線電干擾和可聽噪聲。其中，地面電場主要控制導線的對地高度，且線路雙回路逆相序時一般不起控制作用；地面磁場僅與線路的輸送容量相關(guān)，而與采用何種導線結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系，因此也不對導線選型起控制作用。實際上，對導線選型起到控制作用的是與電暈相關(guān)的兩個指標，即無線電干擾與可聽噪聲。長期以來，世界各國各個機構(gòu)對輸電線路的無線電干擾及可聽噪聲均作了大量的研究與實測[2-5]。結(jié)果表明，國際無線電干擾特別委員會(CISPR)方法及邦維爾電力局(BPA)方法的計算結(jié)果分別與無線電干擾及可聽噪聲的實測結(jié)果吻合度較好，誤差較小[6]。因此，本文采用CISPR方法[7]及BPA[8]方法計算得到線路的電暈電磁環(huán)境，如表2所示?？芍艿綗o線電干擾控制，JL/G1A-500/45、JL/G1A-630/45、ACSR-720/50均需要8分裂及以上才能滿足要求，JL/G1A-400/35需9分裂以上才能滿足要求。

表4 參比導線機械性能對比一覽表

Tab. 4 Comparison of the mechanical properties of reference wire

導線型號水平荷載數(shù)值/(N/m)比值/%垂直荷載數(shù)值/kN比值/%縱向荷載數(shù)值/m比值/%代表檔距及檔距500m/m550m/m600m/m耐張串噸位/kN9×JL/G1A?400/351590892211813546781942342773×42010×JL/G1A?400/351767991234903939861942342773×4208×JL/G1A?500/451583888221853870841882262673×4209×JL/G1A?500/451780999249964354951882262673×55010×JL/G1A?500/451978110927610648381061882262673×5508×JL/G1A?630/451783100026010045741001902282693×5508×ACSR?720/501910107129111251861131932312733×550

4.2 載流量對比

排除電磁環(huán)境不合格的9種導線組合，對剩下的7種導線組合進行載流量核算。環(huán)境溫度取最高氣溫月的平均最高氣溫35℃，風速0.5 m/s，太陽輻射功率密度1 000 W/m2，計算得到載流量見表3?？芍?種導線均滿足載流量要求。

5 機械性能對比

參比導線的機械性能對比見表4?？梢姡怪焙奢d、縱向荷載、耐張絕緣子噸位基本與導線總截面正相關(guān)；水平荷載則稍微復雜一些，不僅與導線總截面有關(guān)，還與分裂數(shù)有關(guān)。各導線的弧垂與其各自的拉重比關(guān)系密切，基本呈反比關(guān)系。根據(jù)計算結(jié)果，各型導線在代表檔距及檔距均分別為500 m、550 m、600 m時，最大值與最小值之差分別約為0.6 m、0.8 m、1.0 m?？紤]到交流特高壓線路的導線對地高度較高，弧垂較大，因此上述差別實際上并不大。

表3 載流量對比

Tab. 3 Contrast of Load flow

導線型號80℃時載流量/kA9×JL/G1A?400/351225210×JL/G1A?400/35136148×JL/G1A?500/45125269×JL/G1A?500/451391810×JL/G1A?500/45154648×JL/G1A?630/45145838×ACSR?720/5016406

6 經(jīng)濟性分析

6.1 一次投資

輸電線路的一次投資主要由塔材、導線、絕緣子、金具、接地裝置、基礎(chǔ)組成。其中，導線的水平荷載、垂直荷載、張力荷載以及特定氣象條件下的風偏角度影響桿塔尺寸、桿件強度、基礎(chǔ)方量及基礎(chǔ)鋼筋，導線的拉斷力則影響與之匹配的盤型絕緣子的噸位。對于金具及接地裝置，不同導線型號的影響很小。需要注意的是，導線選型應當從全社會范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置統(tǒng)籌考慮，因此與電能損耗相關(guān)的單位千瓦補充投資也應當列入考慮范疇。一般而言，單位千瓦補充投資越高，則電能損耗較低的導線越有競爭力。

6.2 運行維護費用

輸電線路投入運行后產(chǎn)生的費用主要是電阻損失與電暈損失兩種。其中，電阻損失是指在導線流過一定電流時，導線由于電阻的熱效應而產(chǎn)生的電能損失，與載流量、導線溫升、趨膚效應、磁滯效應等有關(guān)，在計算過程中需綜合考慮。電暈損失則是導線電暈放電而產(chǎn)生的電能損失，其損失值與導線根數(shù)、導線直徑、導線表面電場強度、起暈電場強度、天氣分布等密切相關(guān)[8]。表5計算了不同比選導線的電阻損失及電暈損失?？梢?，導線截面大的導線方案電阻損失要小一些；而電暈損失則比較復雜，由于不僅與總截面有關(guān)，而且與導線分裂數(shù)有關(guān)。但是，由于電阻損失占的比例較大，總體而言，導線總截面加大有利于降低線路的電能損失。

線路的損耗費用除了與電能損失功率相關(guān)以外，還與上網(wǎng)電價、電源的運行小時數(shù)有關(guān)，相關(guān)參數(shù)的選值闡述見6.3節(jié)。此外，線路的維護也需要一定的費用，取值一般按照線路造價的1.4%。

表5 比選導線的一次投資及運行損耗

Tab. 5 Investment and loss during operation of the selected wire

導線型號造價/(萬元·km-1)電阻損失/(kW·km-1)電暈損失/(kW·km-1)9×JL/G1A?400/3512965820598910×JL/G1A?400/351353520845838×JL/G1A?500/451285525060709×JL/G1A?500/4514014642456210×JL/G1A?500/451496416040538×JL/G1A?630/451439409046158×ACSR?720/50152035624356

注：好天氣7 407 h，雪天0 h，雨天1 331 h，霧凇天22 h。

6.3 經(jīng)濟參數(shù)選取

受到電源性質(zhì)(水電、火電、核電、風電、太陽能)、開發(fā)規(guī)模、建設(shè)難度、自然條件、國家政策、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展程度等的影響，不同電源的建設(shè)投資、年運行小時數(shù)、上網(wǎng)電價等大有不同。根據(jù)相關(guān)公開資料，得到各電源的經(jīng)濟參數(shù)見表6?？梢?，核電的單位容量投資最高，受核電技術(shù)的影響較大(二代、三代核電技術(shù)的造價分別可控制在1.2萬元/kW、1.8萬元/kW)，年運行小時數(shù)最高，電

表6 不同電源的經(jīng)濟參數(shù)

Tab. 6 Economic Parameters of submarine power cable

電源性質(zhì)單位千瓦補充投資/(萬元·kW-1)[9]年運行小時數(shù)/h[10]損耗小時數(shù)/h上網(wǎng)電價/(元/kWh)火電035～04547063406025～045水電06～153653192203～036核電12～1874896482043風電08～101905762051～061

價也相對較高；水電的單位容量投資適中，但是在局部建設(shè)條件特別惡劣的地區(qū)則投資陡增(例如西藏雅魯藏布江流域)，年運行小時數(shù)受枯水期的影響而較低，由于建成后幾乎沒有一次能源成本因此電價也相對較低；火電的單位容量投資最小，年運行小時數(shù)也較高，上網(wǎng)電價適中，主要受到燃煤價格的影響；風能的單位容量投資較高，受技術(shù)的進步近年來有下降的趨勢，受風能極不穩(wěn)定的影響年運行小時數(shù)最低，上網(wǎng)電價由于受到國家新能源政策的扶持而最高。

另外，根據(jù)相關(guān)規(guī)定[11]，特高壓線路的使用周期為30年，設(shè)備運行維護費取為1.4%，聯(lián)網(wǎng)工程的財務(wù)基準收益率取為7.5%。

6.4 年費用分析

根據(jù)表5及表6的數(shù)據(jù)，單位千瓦補充投資分別取為0.4、0.8、1.2、0.9萬元/kW，計算得到典型火電、水電、核電、風電特高壓送出線路的年費用對比見圖2～圖5。從計算結(jié)果看，對于火電送出線路，以我國主要煤電基地的經(jīng)濟參數(shù)來看(上網(wǎng)電價0.30～0.35元/kWh)，8×JL/G1A-630/45是最好的選擇，局部上網(wǎng)電價低于0.3元/kWh的地區(qū)可采用8× JL/G1A-500/45，對于局部上網(wǎng)電價較高的地區(qū)(如皖電東送)，可采用截面更大的8×ACSR-720/50。對于水電送出線路，由于電價較低且利用小時數(shù)較低，因此截面相對較小的8×JL/G1A-500/45經(jīng)濟性最好。對于核電送出線路，由于核電單位千瓦補充投資高，且年利用小時數(shù)高、電價相對較高，因此導線截面最大的8×ACSR-720/50經(jīng)濟性最好且具有較大的優(yōu)勢——這意味著可酌情采用更大截面的導線結(jié)構(gòu)。對于風電送出線路，其特點是利用小時數(shù)低，但是風電價格及電源的單位千瓦投資均較高，根據(jù)計算，10×JL/G1A-400/35及8×JL/G1A-500/45的經(jīng)濟性相對較好，綜合考慮設(shè)計運行經(jīng)驗以及風電送出容量等因素，更推薦采用8×JL/G1A-500/45。

圖2 典型火電條件下的年費用對比Fig. 2 Annual cost comparison of typical thermal power

圖3 典型水電條件下的年費用對比Fig. 3 Annual cost comparison of typical hydro power

圖4 典型核電條件下的年費用對比Fig. 4 Annual cost comparison of typical nuclear power

圖5 典型風電條件下的年費用對比Fig. 5 Annual cost comparison of typical wind power

6.5 影響因素

根據(jù)6.4節(jié)的分析，可得一般結(jié)論：上網(wǎng)電價越高、運行小時數(shù)越高、單位千瓦補充投資越高，則截面越大的導線越具有優(yōu)勢。同時，這些參數(shù)也不是一成不變的。若是國家政策扶持，則一些單位容量造價較高的水電廠、采用三代技術(shù)的核電廠等可以給予更高的上網(wǎng)電價予以扶持。而技術(shù)的進步可進一步降低風電等新能源的單位容量造價。因此，上述參數(shù)與建設(shè)條件、建設(shè)規(guī)模、技術(shù)進步、國家政策等關(guān)系非常密切。工程實際情況多種多樣，參數(shù)千差萬別，且電能可能來自不同性質(zhì)的電源，具體工程應用時需具體分析。

7 結(jié)論

在給定的邊界條件下，本文對不同電源送出特高壓交流輸電線路的導線選型進行了分析與研究，得到相關(guān)結(jié)論如下：

1)受到無線電干擾及可聽噪聲的控制，JL/ G1A-500/45、JL/G1A-630/45、ACSR-720/50均需要8分裂及以上才能滿足要求，JL/G1A-400/35需9分裂以上才能滿足要求。

2)根據(jù)本文的邊界條件，對于我國的大煤電基地送出線路，推薦采用8×JL/G1A-630/45；對于我國的大水電送出線路及風能基地送出線路，推薦采用8×JL/G1A-500/45；對于核電送出線路，推薦采用8×ACSR-720/50甚至更大規(guī)格的導線。

3)相關(guān)經(jīng)濟評價參數(shù)，如單位容量投資及上網(wǎng)電價往往隨著技術(shù)進步、國家政策的變化而聯(lián)動變化。因此，具體工程還需根據(jù)當時當?shù)氐慕ㄔO(shè)條件進行具體分析。

[1] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會. 1 000 KV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范：GB 50665—2011[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[2]EPRI. Transmission line reference book：345 kV and above [M]. U.S.A.：Fred Weidner & Son Printers，INC，1982：217-248.

[3]The General Electrotechnuial Standards Policy Committee. Radio interference characteristics of overhead power lines and high-voltage equipment-Part1,description of phenomena:TR CISPR 18-1[S]. U.S.A.:[s.n.],1994.

[4]The General Electrotechnucal Standards Policy Committee. Radio interference characteristics of overhead power lines and high-voltage equipment-Part3,code of practice for minimizing the generation of radio noise:TR CISPR 18-3[S].U.S.A.:[s.n.],2010.

[5]TRINH N G，MARUVADA P S. A method of predicting the corona performance of conductor bundles based on cage test results [J]. IEEE Trans.，1977(1)：312-325.

(ContinuedonPage101)(ContinuedfromPage68)

[6] 莊池杰，曾嶸，龔有軍，等. 交流輸電線路的無線電干擾計算方法 [J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(2)：56-60.

[7]TRINH N G，MARUVADA P S. A method of predicting the corona performance of conductor bundles based on cage test results [J]. IEEE Trans.，1977(1)：312-325.

[8]莊池杰，曾嶸，龔有軍，等. 交流輸電線路的無線電干擾計算方法 [J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(2)：56-60.

[9]無線電干擾標準化分技術(shù)委員會. 高壓架空送電線無線電干擾計算方法：DL/T691—1999 [S]. 北京：中國電力出版社，1999.

[10] 張殿生. 電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊 [M]. 北京：中國電力出版社，2004.

[11] 國家能源局. 2011—2012年投產(chǎn)電力工程項目造價情況 [EB/OL]. [2014-05-29].http://www.docin.com/p-1549995373. html.

[12] 國家能源局. 全國6 000千瓦及以上電廠發(fā)電設(shè)備平均利用小時情況 [EB/OL]. http://www.nea.gov.cn/2015-01/21/c_13393607 3.htm.

[13] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會. 輸變電工程經(jīng)濟評價導則：DL/T 5438-2009.[S].北京：中國電力出版社，2009.

(責任編輯 高春萌)

Study on the Wire Selection of 1 000 kV AC Transmission Line with Different Power Supply

GONG Youjun1, GUO Linxia2

( 1. China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China; 2. Educational, Training and Evaluation Centre of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510520, China)

Conductor selection is one of the key technologies of UHVAC power transmission, which has a very important influence on the safe operation and economic operation of the line. According to the boundary conditions, such as transport capacity, electromagnetic environment, operating temperature, safety factor, the paper makes a comprehensive comparison of the 16 kinds of wires in the electrical and mechanical properties. At the same time, according to the characteristics of different nature of power supply (thermal power, hydropower, nuclear power, wind power), the selection and matching of the units of the supplementary investment, access to electricity, the number of hours per year, and other parameters for the annual cost analysis, the proposed recommendation for the construction of engineering.

UHV; AC; conductor selection; thermal power; hydro power; nuclear power; wind power

2016-04-21

中國能建廣東院科技項目：1 000 kV特高壓交流輸電線路導地線選型及新型導線應用研究(EX02311W)

龔有軍(1984)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，工程師，碩士，主要從事輸電線路設(shè)計工作(e-mail)gongyoujun236@163.com。

10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2016.04.013

TM726

A

2095-8676(2016)04-0064-05