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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
气象条件 | 气温(℃) | 风速(m/s) | 冰厚(mm) |
最高气温 | 40 | 0 | 0 |
最低气温 | -5 | 0 | 0 |
年平均气温 | 20 | 0 | 0 |
最大风速 | 20 | 30 | 0 |
操作过电压 | 20 | 15 | 0 |
大气过电压 | 15 | 10 | 0 |
安装情况 | 0 | 10 | 0 |
年均雷电日 | 100 |
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
导线种类 | 型号 | 外径(mm) | 单重(kg/km) | 20℃直流电阻(Ω/km) | 计算拉断力(kN) | 导线需运行温度(℃ ) |
铝包钢芯铝绞线 | JL/LB20A -630/45 | 33.6 | 2007.2 | 0.04526 | 151.5 | 80 |
铝包殷钢芯耐热铝合金绞线(以下简称殷钢导线) | JNRLH1X/LBY -240/55 | 20.82 | 1083 | 0.1169 | 93.12 | 150 |
绞合碳纤维复合芯软铝型线绞线(以下简称碳纤维导线) | JLRX1/JF1B- 320/40 | 22.59 | 948.9 | 0.0875 | 102.60 | 120 |
铝包钢芯耐热铝合金绞线(以下简称普通耐热导线) | JNRLH1/LB20 -240/55 | 22.4 | 1070.4 | 0.1153 | 116.78 | 143 |
铝包钢芯耐热铝合金绞线(以下简称普通耐热导线) | JNRLH1/LB20 -300/50 | 24.3 | 1150.3 | 0.0928 | 106.2 | 120 |
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
导线型式 | LGJ- 300/40 (现状) | JNRLH1X/LBY -240/55(殷钢) | JLRX1/JF1B -320/40(碳纤维) | JNRLH1/LB20A -240/55(普通耐热) | JNRLH1/LB20A -300/50(普通耐热) |
安全系数 | 2.5 | 2.58 | 2.8 | 3.17 | 3.16 |
最大张力比值% | 100 | 99.6 | 99.3 | 99.9 | 99.9 |
垂直荷载 | 100 | 96 | 84 | 95 | 102 |
水平荷载 | 100 | 87 | 95 | 94 | 102 |
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
导线型式 | LGJ- 300/40 (现状) | LGJ/ 300/40 (现状) | JNRLH1X/LBY -240/55(殷钢) | JLRX1/JF1B -300/40(碳纤维) | JNRLH1/LB20A -240/55(普通耐热) | JNRLH1/LB20A -300/50(普通耐热) |
导线温度(℃) | 40 | 70 | 150 | 120 | 143 | 120 |
L=260,Lp=245弧垂(m) | 5.1(0) | 6.2(1.1) | 6.5(1.4) | 5.6(0.5) | 7.3(2.2) | 7.5(2.4) |
L=325,Lp=270弧垂(m) | 7.8(0) | 9.3(1.5) | 9.8(2.0) | 8.4(0.6) | 10.8(3.0) | 11.1(3.3) |
L=430,Lp=380弧垂(m) | 12.8(0) | 14.4(1.6) | 15.0(2.2) | 13(0.2) | 15.4(2.6) | 16.3(3.5) |
注:以上括号内数值为当前弧垂较现状导线40℃弧垂增加值。 |
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
导线型式 | JNRLH1X/LBY10 -240/55(殷钢) | JLRX1/JF1B -320/40(碳纤维) | JNRLH1/LB20A -240/55(普通耐热) | JNRLH1/LB20A-300/50(普通耐热) |
线材(吨) | 132 | 114 | 129 | 138 |
新建杆塔(基) | 8 | 0 | 12 | 12 |
架线造价(万元) | 1594 | 887 | 547 | 570 |
塔基造价(万元) | 408 | 0 | 612 | 612 |
合计投资(万元) | 2002 | 887 | 1159 | 1182 |
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
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