某220kV线路增容导线选型的技术经济性分析

某 220kV线路增容导线选型的技术经济性分析

吴才亮 高幸

佛山电力设计院有限公司 广东佛山 528200

摘要：本文以某220kV线路增容导线选型为例，选取了4种常见导线作为增容比选方案，从载流量、弧垂特性、线损情况、运行情况、经济性等方面进行了技术经济分析，给出了最优方案和建议，供输电线路设计同行参考。

关键词：输电线路；增容导线；耐热导线；导线选型

1 引 言

某工程需将一条长17.3km的双回220kV线路解口接入某500kV变电站，新建线路导线采用2×JL/LB20A-630/45铝包钢芯铝绞线，而该双回旧线路导线为2×LGJ-300/40型钢芯铝绞线，根据系统专业要求，需将该旧线路实施增容改造，以匹配新建线路的载流量。本文选取了4种南网品类优化清单中的耐热导线作为增容比选方案，从应用情况、机械特性、弧垂特性、线损情况、经济性等方面进行了技术经济分析，最终确定了最优的增容导线方案。

2 导线选型原则及方案

2.1 设计条件

拟改造的220kV线路位于清远市清城区，沿线以丘陵、平地地形为主，其中1#～32#段于2008年12月投产，2022年底资产净值率约30%，33#～65#段于2010年12月投产，2022年底资产净值率约40%。线路最大档距为35#～36#，档距为505m，重要交叉跨越为7#～8#跨越许广高速。

根据全线杆塔设计资料，该线路1#～32#段为双回路杆塔，设计挂附导线为2×LGJX-300/40（安全系数k=2.5），33#～56#段线路为四回路杆塔，设计挂附导线为2×LGJ-630/45（安全系数k=3.2），57#～60#段线路为双回路杆塔，设计挂附导线为2×LGJ-400/35（安全系数k=2.5）。但该线路现状实际挂附导线为2×LGJX-300/40，设计安全系数为2.5。

该线路设计气象条件组合如表1所示。

表1 气象条件组合表

2.2 导线选型原则

（1）所选导线在允许运行温度范围内应能达到系统所需的输送容量；

（2）所选导线根据原设计气象条件及规范要求进行电气及结构校核，并满足原设计规范要求；

（3）所选导线对地距离按满足系统输送容量时的温度弧垂校核，交叉跨越距离满足规范要求，对地距离宜不小于原设计值的90%且不小于规范要求；跨越树木段按现场实际树种考虑高跨，减少树木砍伐；

（4）同塔四回线路上下回导线配合计算时，上回导线弧垂按满足系统输送容量时的温度计算，下回导线弧垂按40℃计算。

2.3 增容方案拟定

输电线路增容主要有两类，一是提高导线截面积，二是提高导线允许温度，具体分析如下：

（1）提高导线截面积方案：因更大截面导线的单重及张力势必更大，旧线路杆塔受力往往无法满足，需将旧线路拆除重建。本项目的杆塔净值率较高，根据相关管理规定不得拆除重建。但通过对旧线路杆塔设计情况分析，该线路33#～56#段杆塔具备更换2×630mm2普通导线的条件，而57#～60#段杆塔虽然设计导线为2×400mm2，但最大使用档距为200米，具备放松架线的条件，因此该线路33#～60#段可更换为2×JL/LB20A-630/45型铝包钢芯铝绞线。

因更换导线位于四回路塔上回，而下回路仍为旧导线，因此更换导线后无需考虑对下方跨越物的距离，但需校核新导线与下回旧导线的垂直距离能否满足规范要求。选择该段线路最大档距505米进行校核，LGJ-300/40导线40℃时弧垂与JL/LB20A-630/45导线80℃时弧垂差为2.6米，而铁塔上下回层高为6.46米，则档距中上下回垂直线间距离为3.86米，能够满足规范要求的最小相间距离。

（2）提高导线允许温度方案：本项目1#～32#段杆塔不能更换大截面导线，因此考虑更换旧导线为更高允许运行温度的耐热导线。根据系统专业要求，改造后的220kV线路载流量需与新建线路导线2×JL/LB20A-630/45输送容量（环境温度35℃，导线允许温度80℃）匹配，对应导线载流量为2028A。根据导线允许载流量计算及南网物资品类优化清单，选择如下表2所示的增容导线方案。

表2 1#～32#段增容导线方案

3 耐热导线简介及应用情况比较

3.1 耐热导线简介

（1）铝包钢芯耐热铝合金绞线

这种耐热导线最为普通，在国内大量使用，全国绝大多数厂家都能生产，价格已与普通导线相当，生产周期短，配套金具简单便宜。唯一的缺点是，在高温运行时弧垂特性相对差一些，因此需选用铝钢截面比较小的该型导线。

（2）绞合碳纤维复合芯软铝型线绞线

这种导线是在棒式碳纤维芯耐热导线的基础上发展出来的，其消除了棒式碳纤维芯的缺点：施工难度大易断裂，接续金具复杂，价格昂贵。复合芯形状与普通钢芯特性相似，其它方面都具有碳纤维的特性：重量轻、低弧垂、耐腐蚀、抗拉强度大、线损低、蠕变小、耐高温等。同时，整个绞线具有普通钢芯绞线的柔软性、耐疲劳性，克服了棒型碳纤维复合芯容易折断的特点，施工方法、工器具也与普通导线相同。

（3）殷钢芯耐热铝合金绞线

这种导线用殷钢芯代替钢芯耐热铝合金绞线的钢芯，殷钢具有较低的线膨胀系数，弧垂随导线运行温度变化较小，其优异的低弧垂特性早期在国内使用较多。早期殷钢芯耐热导线主要从日本进口，价格昂贵且供货周期长；近年来国内一些厂商能自主生产，供货周期大大缩短，配套金具国内也能生产，但由于殷钢本身价格贵，相应导线的价格相对普通导线仍相差较大。

（4）其它类的增容导线

除以上耐热导线外，还有间隙型耐热铝合金绞线、特强钢芯软铝绞线、铝基陶瓷芯铝绞线等也在国内使用。这些导线的弧垂特性、经济特性相对较差，且在南网输电线路中使用较少，因此不纳入比选范围。

3.2 耐热导线应用情况比较

施工工艺方面，普通耐热导线、殷钢导线、碳纤维导线施工工艺与普通铝包钢芯铝绞线基本相同，采用张力放线方法。

长期运行维护方面，普通耐热导线、殷钢导线运行维护与普通铝包钢芯铝绞线基本相同，非常方便，而且导线损伤时可以比较容易检测，能够很大程度上避免导线断线断股现象的发生；碳纤维导线采用绞合碳芯，绞合碳芯发生损伤时没有成熟的技术手段可以检测到，给运行维护带来一定困难。以上耐热导线均需使用特殊金具，需由导线厂家提供备品备件。

普通耐热导线运行维护最为成熟简单，基本在广东电网各地区局都有应用；殷钢导线应用较普通耐热导线少，但也有长期运行经验；碳纤维导线只在海南地区有长期运行经验，广东地区尚缺乏长期运行经验。

4 技术性能比较

4.1 机械荷载比较

更换的增容导线必须保证新导线的纵向张力、水平荷载和垂直荷载在各种气象条件下均不超出杆塔承受能力，为保证更换导线的最大使用张力不超原杆塔设计值，需根据不同导线破断张力设计不同的安全系数。表3给出了各导线方案的设计安全系数及荷载比值情况。

表3 各导线方案的设计安全系数及荷载比值情况

从表3可知，前3种导线不会因荷载增加而更换杆塔，而第4种导线可能因荷载增加而更换更多的杆塔。

4.2 弧垂特性比较

弧垂特性是增容改造方案的最大控制因素。各导线的弧垂因拉重比、运行温度不同而不尽相同。因碳纤维复合芯和殷钢芯的线膨胀系数、弹性模量较铝合金绞线相差较大，其弧垂特性存在拐点温度，而普通耐热导线和钢芯铝绞线在允许温度内无拐点。根据文献[2]推荐的拐点温度及弧垂计算公式，选取该段线路的3个档距进行弧垂比较，其结果见表4。

表4 1#～32#段线路不同导线弧垂特性对比

从表4可知：碳纤维导线具有最优的弧垂特性；在常规耐热温度范围内（150℃），对于相近结构型式的殷钢导线和普通耐热铝合金导线，殷钢导线弧垂特性与普通耐热铝合金导线相比优势不明显；相同电流下的普通耐热导线，300/50型导线弧垂较240/55型导线弧垂增加较少。

4.3 线损比较

线路损耗主要包括电阻损耗和电晕损耗。对于低海拔地区的220kV线路，其电晕损耗仅为电阻损耗的3%～5%，且线径和分裂间距相近时电晕损耗基本一致，因此无需比较电晕损耗。而电阻损耗与导线的直流电阻正相关，因此殷钢导线的电阻损耗最大，碳纤维导线的电阻损耗最小，300/50常规耐热导线的电阻损耗次之。

5 经济性比较

因更换导线后弧垂变大或杆塔荷载增大，需考虑更换或增加部分杆塔，以确保增容线路的安全运行。通过对以上4种不同导线方案进行平断面校验及杆塔荷载分析，各导线方案涉及的主要工程量及投资如下表5所示。

表5 1#～32#段增容工程量与造价比较

从表5可知：因更换碳纤维导线不涉及新建塔基，且线材较殷钢导线便宜（约5.0万元/吨），因此其投资最少，而殷钢导线因线材昂贵（约9.7万元/吨），其投资最高，而普通耐热导线投资介于两者之间，约为碳纤维导线的1.3倍，为殷钢导线的59%。

6 结束语

（1）根据对旧线路杆塔设计条件、实际使用条件进行具体分析，33#～60#段线路可更换为2×JL/LB20A-630/45型铝包钢芯铝绞线，不仅能很好匹配新建线路载流量，还大大降低了线路损耗。

（2）对于1#～32#段线路，考虑到碳纤维导线仍未在南网市场广泛应用，且曾经出现过断芯事故，因此本工程暂不考虑采用碳纤维导线，但其具有优良的机械弧垂特性，且无需新建杆塔，未来仍具备较大使用可能；因该段线路的最大档距仅430米，不能体现殷钢导线的弧垂优势，且殷钢导线造价高，线损大，因此不推荐殷钢导线；考虑300/50型耐热铝合金导线线损小，弧垂及投资较240/55型导线增加不多，因此该段线路增容推荐采用JNRLH1/LB20A-300/50型耐热铝合金绞线。

（3）在对旧线路进行增容改造时，不能因为某一导线在某些项目中表现良好就盲从，应在准确收资的前提下，根据线路的具体档距情况、弧垂特性、线材造价等方面逐一比选，以确定最优的增容导线方案。

参考文献

[1]潘春平,廖民传,麻闽政.输电线路增容改造工程导线选型的技术经济性分析[J].南方电网技术,2014,8(03):109-113.

[2]蔡鸿,朱本玉,鲁修学.两种增容导线的性能及应用研究[J].江西电力,2021,45(08):25-29.

[3]李斌,王国利,刘磊,厉天威,廖民传,党朋,曾伟,罗勇芬.输电线路增容导线弧垂特性真型试验研究[J].南方电网技术,2017,11(06):35-41.

[4]陆庆城.绞合型碳纤维复合芯软铝导线在220 kV向阳送变电工程中的应用[J].红水河,2018,37(04):60-63.