耐热导线在高压输电线路设计中的应用研究

耐热导线在高压输电线路设计中的应用

研究

摘要：现今，随着各行各业的高速发展，能源消耗不断增大，促进电力行业

的进一步改革和进步，在输电线路工程中，导线往往是长距离电能输送的重要组

成部分。在进行导线的选用时，应要考虑电气性能因素，并综合考虑机械性能因

素和经济成本因素。新建工程中考虑采用耐热型导线，往往可达到减少能源损耗、降低成本和保护环境等效果。

关键词：耐热导线；高压输电线路设计；应用

引言

以某110kV海上风电升压站送出工程为例，根据接入系统资料，新建线路每

回正常最大负荷为77MVA，N-1事故极限负荷为163MVA。考虑海上风电送出最大

发电功率一般出现在冬季晚上，因此按照系统事故极限负荷进行校验时，环境温

度可按25℃考虑，常规钢芯铝绞线导线截面1×400mm²能满足事故载流量要求。

本工程结合风力发电特性、陆地段及涉海段的不同需求，利用耐热增容导线与常

规导线进行导线对比选型。

1 导线选型原则

导线作为输电线路最主要的部件之一，首先需满足输送电能的要求，同时能

保证安全可靠地运行，而且在经济上是合理的，因此，在导线选择时，在电气特性、机械性能、经济性等方面需综合考虑以下因素：

(1) 导线经济电流密度；

(2) 线路电气参数，如：自然功率、极限输送功率、导线表面场强、地面工频电场、工频磁场、无线电干扰、可听噪声等；

(3) 导线电晕及电阻产生的有功功率损失；

(4) 导线的机械特性；

(5) 工程造价和年费用；

(6) 综合技术经济特性及工程建设的全寿命周期管理。

2 导线材料初选

作为架空输电线路的导线，一是必须要有良好的导电率，二是必须具有一定的机械强度以支持自身的重量及外来的自然荷重(风荷载、冰荷载)。

不同的耐热导电基体与不同的加强芯组合即形成不同类型的导线，如钢芯耐热铝合金绞线由普通耐热铝合金与钢芯同心绞合而成、特强钢芯软铝绞线由特强镀锌钢与软铝同心绞合而成、碳纤维复合芯软铝绞线由碳纤维复合芯与软铝同心绞合而成等等。其中，本次将选择铝包钢芯耐热铝合金、特强钢芯软铝绞线、绞合型碳纤维复合芯软铝绞线和绞合型碳纤维复合芯软铝绞线作为对比。

3 导线电气性能比较

(1) 载流量分析

我国根据以往线路的运行经验，在《110～750kV 架空输电线路设计技术规定》（GB50545-2010）第5.0.6 条中规定，在验算导线允许载流量时，钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度宜采用+70℃，必要时采用80℃。根据厂家提供的参数，铝包钢芯铝绞线最高运行温度可取80℃，但不应超过90℃；特强钢芯软铝绞线运行温度可达150℃，超耐热铝合金导线的长期运行温度可达210℃，软铝导线长期运行温度可达150℃～180℃。实际上，一般线路设计所采用导线最高运行温度相比厂家提供的温度值会留有少许裕度。

本工程极限输送容量为163MVA、单根子导线电流为856A，经计算从结果可以看出，各导线方案在允许温升范围内均能满足线路极限输送容量要求。

(2) 线损分析

输电线路损耗主要由电晕损耗和电阻损耗组成。电晕损耗的大小与导线表面电场强度、导线表面状况、气象条件、海拔高度等因素有关。

由于110kV线路电压等级较低，线路的导线表面电场强度与起晕场强之比约为50%左右，远小于《110kV～750kV架空输电线路设计规范》GB 50545-2010 条文说明中关于导线表面电场强度E 不宜大于全面电晕电场强度的80%～85%的要求。因此，本工程电晕损失数值较低，约为0.75～0.9kW/km。

4 导线机械性能比较

(1) 张力对比

由于各比选增容耐热导线均选用标准设计模块杆塔，因此各增容耐热导线的杆塔荷载和线条张力均应满足所选用杆塔模块的设计条件。对线条张力而言，要求增容耐热导线的最大使用张力、安装工况张力、大风工况张力等应均不大于标准设计模块原钢芯铝绞线相应工况的张力。对耐张塔，由于大风工况、安装工况下前后侧张力差对不同塔型的杆件均有所控制，故还需校验张力差数值。

经参数对比，四种耐热增容导线的张力荷载均小于常规的钢芯铝绞线，其中铝包钢芯耐热铝合金的张力荷载相对最小；铝包钢芯耐热铝合金和绞合型碳纤维复合芯软铝绞线在安装工况下纵向张力相对最小，但铝包殷钢芯耐热铝合金绞线的张力差最小。

(2) 弧垂对比

导线的弧垂特性与线路的气象条件，导线的计算拉断力、铝钢截面比、自重等线材特性密切相关。

在地形、跨越物等其他条件相同的前提下，直线杆塔高度与导线弧垂密切相关。根据本工程的设计输入条件，耐张塔数量及高度均已确定。因此杆塔总重量与导线弧垂密切相关，最终影响工程的造价。因此有必要了解在高温条件下各导线的张力弧垂特性。

根据载流量计算，各导线的校验温度选取本工程极限输送容量的运行温度。根据导线力学特性，结合工程气象条件和导线张力取值，可计算得到各导线弧垂值。

表4-2 各导线校验温度条件下的弧垂值

导线型号

代表档距

（m ）

综上：绞合型碳纤维复合芯软铝绞线的弧垂性能最好，大档距条件下优势更明显，代表档距350m 可降低直线塔呼高约5.32m；

铝包殷钢芯耐热铝合金绞线的弧垂性能次之，代表档距350m 可降低直线塔

呼高约0.59m；

铝包钢芯耐热铝合金和特强钢芯软铝绞线的弧垂性能相对较差，但在代表档

距大于450m时，其弧垂性能开始优于传统的钢芯铝绞线。

(3) 荷载对比

导线荷载直接影响杆塔重量及基础型式，经计算，绞合型碳纤维复合芯软铝

绞线直径最小，水平荷载相对最小，其余三种耐热导线基本相当，均优于传统的

钢芯铝绞线；

绞合型碳纤维复合芯软铝绞线重量最轻，垂直荷载相对最小。铝包殷钢芯耐

热铝合金绞线的重量次之，垂直荷载也较小，其余两种耐热导线基本相当，均优

于传统的钢芯铝绞线。

5 投资比较

（1）一次性投资分析

根据目前导线的市场报价，由于导线自重及单价的差异，铝包钢芯耐热铝合

金绞线导线费用最低，特强钢芯软铝绞与传统的钢芯铝绞线的投资费用基本相当，而铝包殷钢芯耐热铝合金绞线和绞合型碳纤维复合芯软铝绞线的费用相对较高。

根据各类导线的机械性能，比选增容导线中铝包钢芯耐热铝合金绞线因其良

好的机械性能，综合计算耗钢量相对最小。

（2）全寿命周期分析

输电线路在设计过程中，为避免短期行为，进行多方案比较，选出技术可靠、经济合理、环保节约的最佳方案，取得最大的经济效益与社会效益。

本次对比的耐热导线中年最大负荷利用小时数偏低的条件下，铝包钢芯耐热

铝合金绞线年值费用相对最小，综合收益相对最高，特强钢芯软铝绞线次之。总

体来看几种增容导线均能降低整个运行阶段的整体投资。