750kV线路导线选型研究最终版.docx
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750kV线路导线选型研究最终版
新疆与西北主网联网第二通道输变电工程
750kV二通道(哈密~格尔木、沙州~敦煌)双回输电线路工程
初步设计
专题报告
导线选型研究
中国电力工程顾问集团西北电力设计院
2012年3月
批准:
杨林
审核:
朱永平陈建忠
校核:
郝阳
编制:
李小亭
概述
在超高压架空输电线路中,架线工程投资一般要占工程本体投资的32%~35%,如果再考虑因导线方案变化而相应造成的杆塔工程量和基础工程量的变化,其对整个工程的造价影响极其巨大。
合理选择导线截面及其分裂形式直接关系到线路的工程建设费用以及建成后的技术特性和运行成本。
在以往的750kV线路工程中,3000m及以下海拔选用6×LGJ-400/50钢芯铝绞线,3000m以上海拔选用6×LGJ-500/45钢芯铝绞线,经过多个工程的论证和实践检验,表明技术可行、经济合理,是本工程导线选型的基础。
在本工程的导线选型研究中,重点论证以下两方面的内容:
1)鉴于本工程处于西北极干旱地区,一年中绝大部分为好天气,且部分地区海拔小于1000m,线路的电晕损耗较小,对4分裂导线的可行性进行了论证;
2)为将更多的新技术、新材料、新工艺应用到电网建设中,根据国网公司基建设计[2012]18号《关于开展输电线路节能导线试点应用工作的通知》要求,对6×LGJ-400/50、6×LGJ-500/45钢芯铝绞线以及与之对应的等截面(外径)的三种节能导线(即高导电率钢芯铝绞线、铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线),主要从载流量、电能损耗、对地距离、过载能力、铝部(铝合金)应力、弧垂、绝缘子选型、杆塔荷载、塔头尺寸、投资分析和年费用等方面进行了详细的技术经济比较。
综合各种导线的电气、机械性能、以往工程设计建设经验、通用设计杆塔的利用和标准化工作开展以及可研审查意见,推荐本工程导线选型如下:
哈密~柴达木双回输电线路的哈密南~沙州段哈密南变侧约2×35km导线采用4×JLK/G2A-630(720)/45扩径导线,鱼卡~柴达木段的盐湖区段约2×58km导线采用6×JL/LHA1-220/230铝合金芯铝绞线;沙州~敦煌段线路导线采用JL/LHA2-210/220铝合金芯铝绞线;其余段海拔3000m以下采用6×LGJ-400/50导线,海拔3000m以上采用6×LGJ-500/45导线。
1工程概况
1.1路径概况
750kV二通道(哈密~柴达木、沙州~敦煌)双回输电线路工程是新疆与西北主网联网第二通道输变电工程的一部分,是为了贯彻落实党中央、国务院实施“西部大开发”的战略目标,实现新疆跨跃式发展,满足疆电外送,建设坚强的送端电网,提高新疆与西北主网之间供电的可靠性,加快新疆、甘肃及青海经济、社会发展,增进民族团结,具有重要的经济及政治意义。
二通道输电线路工程由两部分组成。
第一部分线路起自新疆哈密市北部的哈密750kV变电站,经哈密换流站、哈密南750kV变电站、沙洲750kV变电站、鱼卡750kV开关站,止于青海省柴达木市的柴达木变电站,沿途经过新疆的哈密市、甘肃省敦煌市、阿克塞县、青海海西洲的大柴旦行署、都兰县、格尔木市,共三省区的6个市县。
线路推荐路径长度约925.5km,航空距离约865km,线路曲折系数1.07。
第二部分起于甘肃敦煌地区的沙州750kV变电站,止于甘肃省安西县的750kV敦煌变电站,其全部在甘肃省境内,途经敦煌市、瓜州县,线路推荐路径长度约166km,航空距离约131km,线路曲折系数1.27。
全线海拔在520m~3850m之间,最高海拔位于青海境内青山约3850m,最低海拔位于新疆境内哈密换流站附近约520m。
海拔1500以下566km约51%,海拔1500m~2000m之间96km约9%,海拔2000m~3000m之间172km约16%,海拔3000m~4000m之间258.5km约24%。
海拔由北向南逐步升高,海拔分布见图1-1。
图1-1750kV哈密~柴达木海拔高程示意图
全线地形划分如表1-1。
表1-1全线地形划分表
地形
平地
丘陵
山地
高山
泥沼
沙漠
盐湖
长度(km)
824
84.5
95
16
30
21
22
比例(%)
75
8
9
1
3
2
2
1.2电力系统条件
1)系统额定电压:
750千伏
2)系统最高运行电压:
800千伏
3)功率因数:
0.95
4)最大负荷利用小时数:
3000-5000小时
5)系统单回输送功率:
3000MW,极限输送功率5500MW
6)正常时单回线系统所需最小相导线截面积:
2400mm2。
1.3气象条件
根据中华人民共和国国家标准《110kV~750kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)的规定,500kV输电线路设计基本风速应按50年重现期,基准高度为10m,10min时距平均的年最大风速为样本进行统计分析。
根据沿线各市县的气象台(站)的气象资料,参照风压分布图以及附近已有线路的设计资料、运行情况,本线路工程设计气象条件见表1-1。
表1-1线路设计气象组合条件表
气象区
工况
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
气温
(℃)
风速
(m/s)
覆冰
(mm)
气温
(℃)
风速
(m/s)
覆冰
(mm)
气温
(℃)
风速
(m/s)
覆冰
(mm)
气温
(℃)
风速
(m/s)
覆冰
(mm)
最低气温
-30/-35
0
0
-30/-35
0
0
-30
0
0
-30
0
0
年平均气温
5
0
0
5
0
0
5
0
0
5
0
0
基本风速
-5
29
0
-5
31
0
-5
29
0
-5
33
0
覆冰情况
-5
10
5
-5
10
5
-5
10
10
-5
10
10
最高气温
40
0
0
40
0
0
40
0
0
40
0
0
安装
-15
10
0
-15
10
0
-15
10
0
-15
10
0
大气过电压
15
10
0
15
15
0
15
10
0
15
15
0
操作过电压
5
16.6
0
5
17.7
0
5
16.6
0
5
18.9
0
区段长度
2×338
2×715.5
2×15
2×23
冰的比重
0.9g/cm3
注:
基本风速为10m基准高度,其他风速为20m基准高度。
1.4杆塔条件
根据本工程的设计气象条件、海拔高度、地形条件、导线型式等组合,按照国网通用设计的原则,在1000m海拔、31m/s风速、5mm覆冰气象条件下典型的直线塔单线图见图1-2,边导线距中心18.1m。
图1-2杆塔单线图
2导线结构及型号选择
2.1导线截面及分裂根数
根据系统资料和以往750kV线路工程的设计、建设经验,在满足正常输送功率3000MW的前提下,3000m及以下海拔导线选取6×400mm2的规格,其中在1000m及以下海拔4分裂导线可选取630mm2的规格;3000m以上海拔导线选取6×500mm2的规格;所选导线的电流密度在0.83~1.01A/mm2之间。
2.2导线分裂间距选取
导线分裂间距的选取要考虑分裂导线的次档距振荡和电气两个方面的特性。
根据以往750kV和±500kV线路工程的设计经验,6分裂导线的分裂间距取400mm,4分裂导线的分裂间距取500mm。
2.3导线的型号选择
在6×400mm2规格导线中,常规导线选择钢芯铝绞线,节能导线选择钢芯高导电率硬铝绞线、铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线三种;6×500mm2规格导线与6×400mm2规格导线类似;在4×630mm2规格导线中,根据以往工程的论证结果,4×LGJ-630/45导线的电磁环境不满足限值要求,本文采用4×JLK/G2A-630(720)/45扩径导线,该导线在1000kV特高压线路中已有应用,产品成熟。
结合本工程的地形和气象条件,以及国内750kV线路工程中导线的使用情况,参照《圆线同心绞架空导线》(GB/T1179-2008)和国家电网公司《关于开展输电线路节能导线试点应用工作的通知》的相关资料,本工程共选择了4种400mm2截面的导线进行比较,分别为:
钢芯铝绞线LGJ-400/50、高导电率钢芯铝绞线JL(GD)/G1A-400/50、铝合金芯铝绞线JL/LHA1-220/230和中强度全铝合金绞线JLHA3-450;4种500mm2截面的导线进行比较,分别为:
钢芯铝绞线LGJ-500/45、高导电率钢芯铝绞线JL(GD)/G1A-500/45、铝合金芯铝绞线JL/LHA1-365/165和中强度全铝合金绞线JLHA3-530;4分裂导线选择4×JLK/G2A-630(720)/45扩径导线。
各种导线的主要技术参数见表2-1。
表2-1导线型号及技术参数表
导线型号
面积/mm2
单线根数
直径/mm
单位长度质
量(kg/km)
额定拉断
力kN
直流电阻
(20℃)
(Ω/km)
导线弹
性摸量
Gpa
导线热
胀系数
10-6/℃
铝
铝合金
(钢)
总和
铝
铝合金
(钢)
铝单线
铝合金
(钢)单线
绞线
JLK/G2A-630(720)/45
634.66
43.10
677.76
38
7
4.71/4.53
2.80
36.3
2090
159.9
0.04542
63.6
20.8
LGJ-400/50
400
51.9
452
54
7
3.07
3.07
27.6
1510.3
123.04
0.0723
69
19.3
JL(GD)/G1A-400/50
399.73
51.82
451.55
54
7
3.07
3.07
27.6
1509.3
122.95
0.0701
69
19.3
JL/LHA1-220/230
219.46
231.65
451.11
18
19
3.94
3.94
27.6
1244.6
104.44
0.0686
55
23
JLHA3-450
/
451.11
451.11
/
37
/
3.94
27.6
1246.1
108.27
0.0668
55
23
LGJ-500/45
488.58
43.1
531.68
48
7
3.60
2.80
30.0
1687.0
128.1
0.05912
65
20.5
JL(GD)/G1A-500/45
488.58
43.10
531.68
48
7
3.60
2.80
30.0
1687.0
127.31
0.0573
65
20.5
JL/LHA1-365/165
365.79
165.48
531.27
42
19
3.33
3.33
30.0
1467.0
109.62
0.0565
55
23
JLHA3-530
/
531.26
531.26
/
61
/
3.33
30.0
1467.5
127.50
0.0567
55
23
3导线电气性能比较
3.1导线载流量比较
在事故运行方式下,交流输电线路可能出现的最大容量由系统的过负荷能力所决定。
导线载流量与导线所处气象条件(环境温度、风速、日照强度)有关,在计算导线载流量时,应使导线不超过某一温度,目的在于使导线在长期运行或在事故条件下,由于导线的温升,不致影响导线强度,以保证导线的使用寿命。
根据《110kV~750kV架空输电线路设计规范》(GB50545—2010),在系统最大输送容量下,导线的允许温度应按以下规定取值:
钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线宜采用70℃,必要时可采用80℃。
根据系统条件,系统正常时单回线最大输送功率3000MW,此时每相通过的电流为2431A;在事故时单回线最大输送功率达到5500MW,此时每相通过的电流为4456.7A。
对初步选定的各种导线方案在最大输送容量下导线的温度见表3-1。
表3-1各导线组合的允许载流量及温升计算结果
导线型号
分裂
根数
电流
密度
(A/mm2)
相导线
允许电
流70℃(A)
相导线
允许电
流80℃(A)
事故时
导线温度
(℃)
自然功率
(MW)
JLK/G2A-630(720)/45
4
0.958
3548
4316
82.1
2040
LGJ-400/50
6
1.014
3996
4800
75.4
2140
JL(GD)/G1A-400/50
6
1.014
4050
4860
74.7
2140
JL/LHA1-220/230
6
0.898
4185
5040
73.0
2140
JLHA3-450
6
0.898
4229
5092
72.5
2140
LGJ-500/45
6
0.829
4495
5418
69.6
2146
JL(GD)/G1A-500/45
6
0.829
4554
5484
69.1
2146
JL/LHA1-365/165
6
0.761
4664
5635
68.1
2146
JLHA3-530
6
0.761
4664
5636
68.1
2146
注:
计算条件为:
气温:
35、风速:
0.5m/s、W=1kW/m2。
从计算结果可以看出,在正常3000MW的输送容量下,以上各导线均满足系统要求,在事故时5500MW容量下,4×630铝截面导线最高温度已超过80°,鉴于750kV线路各种导线的自然功率在2200MW左右,5500MW输送容量的概率很小,不应作为控制条件,各种导线方案只要满足正常3000MW的输送容量即可。
从上表可看出,当导线允许温度从70℃上升至80℃,导线载流量提高约1.20倍。
为提高线路的输送能力,降低工程造价,本工程导线允许载流量按80℃控制。
除了4分裂导线不满足事故5500MW输送容量外,其余导线均满足系统要求。
相同铝截面下,6分裂导线比4分裂导线的极限输送功率增加12%,节能导线比普通导线的极限输送功率增加1.3~5.8%。
3.2导线表面场强
导线表面电场强度是导线选择的最基本条件,导线表面电场强度过高将会引起导线全面电晕,不但电晕损耗急剧增加,而且会带来其他如电磁环境影响等许多问题,所以在超高压线路设计中必须限制导线表面电场强度,对于导线表面电场强度一般按照导线表面最大电场强度和导线起晕临界电场强度的比值来控制。
1)导线电晕临界电场强度的计算
本报告采用我院在西北330kV线路工程中一贯使用的修正Peek公式进行计算:
Eo=30.3mδ×(1+0.3/(r0δ)0.5)kV(峰值)/cm
其中,m-导线表面粗糙系数;
δ-相对空气密度;
r0-导线半径(cm)
x-修正指数
表3-2给出了各种导线方案在不同海拔下的起晕场强计算值,由于节能导线外径与普通钢芯铝绞线相同,表中不再列出结果。
表3-2各种导线方案起晕场强(kV/cm,峰值)
导线型号
分裂
根数
海拔高度(m)
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
JLK/G2A-630(720)/45
4
29.22
28.65
28.09
27.54
26.98
26.44
25.87
LGJ-400/50
6
30.02
29.45
28.90
28.34
27.79
27.25
26.68
LGJ-500/45
6
29.77
29.19
28.64
28.09
27.53
26.99
26.42
2)导线表面工作场强与临界场强的比值
导线表面最大工作场强取决于最高运行电压,子导线直径,相导线分裂形式及相间距离等,其计算方法较多,本文采用逐次镜像法法进行计算。
计算得到的导线工作场强与临界场强的比值见表3-3。
表3-3导线工作场强与临界场强的比值
导线型号
分裂
根数
Em/Eo
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
JLK/G2A-630(720)/45
4
0.85
0.87
0.89
0.90
0.92
0.94
0.96
LGJ-400/50
6
0.79
0.80
0.82
0.83
0.85
0.87
0.88
LGJ-500/45
6
0.74
0.76
0.77
0.79
0.80
0.82
0.84
在超高压线路中考察电晕影响程度的主要判据是导线表面工作场强与起始电晕场强的比值,导线电晕特性优劣也最终取决于导线表面工作场强与导线临界场强的比值,《110~750kV架空输电线路设计规范》条文说明中建议导线表面电场强度Em不宜大于全面电晕电场强度Eo的80%~85%,根据我院在西北高海拔地区大量330kV线路的设计经验,对于修正peek公式计算的起始电晕场强,Em/Eo控制在0.88以下比较合理。
从上表中可以看出:
在总铝截面相当的情况下,分裂根数越多,其电晕情况越好。
增加导线分裂根数比增加导线截面更能改善电磁环境。
对于6分裂导线,6×LGJ-400/50和6×LGJ-500/45均可以用到4000m海拔,6×LGJ-500/45导线的场强略小。
对于4分裂导线,4×JLK/G2A-630(720)/45导线可以用到1500m。
3.3无线电干扰计算结果
对于无线电干扰水平的预估,主要有三种方法,其一为半理论分析法,目前各国使用的较少;其二为比较法,即从已知线路的无线电干扰水平,通过线路参数比较,预估新线路的无线电干扰水平;其三为激发函数法,即利用在实验笼内的导线在“大雨”状态下求得的激发函数,用以预估新线路的无线电干扰水平。
除第一种方法使用较少外,其余两种方法均有采用。
我国国家标准GB15707-95建议采用方法二,并给出了预测公式,但从给出的公式看没有考虑分裂导线根数的影响,一般认为该公式仅适用于4分裂以下导线,是否适用于多分裂导线还有待研究。
我国电力行业标准DL/T691-1999《高压架空送电线路无线电干扰计算方法》附录B中推荐了多分裂导线的无线电干扰计算方法,该方法为CISPR18-3和《345kV及以上输电线路设计参考手册》推荐的专门计算多分裂导线的激发函数法,该方法适用于多分裂导线型式,计算方法中给出了大雨时的无线电干扰值,好天气的无线电干扰值由大雨时的值减去22dB得到。
采用激发函数法计算时,试验地的海拔高度直接将其作为500m的值,其它海拔的值则根据海拔每升高300m,无线电干扰增加1dB加以修正。
计算得到各种导线方案不同海拔高度下的无线电干扰值见表3-4。
表3-4各导线的好天气无线电干扰限值(dB)
导线型号
分裂
根数
海拔(m)
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
JLK/G2A-630(720)/50
4
53.3
54.9
56.6
58.3
59.9
61.6
63.3
LGJ-400/50
6
47.4
49.0
50.7
52.4
54.0
55.7
57.4
LGJ-500/45
6
46.3
47.9
49.6
51.3
52.9
54.6
56.3
采用比较法计算得到各种导线方案不同海拔高度下的无线电干扰值见表3-5。
表3-5各导线的双80%无线电干扰限值(dB)
导线型号
分裂
根数
海拔(m)
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
JLK/G2A-630(720)/50
4
55.7
57.3
59.0
60.7
62.3
64.0
65.7
LGJ-400/50
6
47.2
48.8
50.5
52.2
53.8
55.5
57.2
LGJ-500/45
6
45.1
46.7
48.4
50.1
51.7
53.4
55.1
本文按照双80%情况58dB、好天气55dB控制,从计算结果可以看出,6×400导线可以用到3000m海拔,6×500导线在3500m的海拔为54.6,在4000m海拔为56.3,由于计算条件中边导线距中心18.1m,为1000m海拔的间隙值,在4000m海拔时距离21m左右,其无线电干扰值也能满足好天气55dB的要求,因此在3000-4000m海拔范围内可采用6×500导线。
4×JLK/G2A-630(720)/50导线可以用到1500m海拔,但电磁环境情况要差一些。
与以往750kV线路工程的结论一致。
3.4可听噪声计算结果
超高压架空送电线路上电晕所产生的可听噪音强度取决于导线的几何特性、电压和天气条件,当超高压架空送电线路的运行电压在500kV以下时,基本无噪声问题。
当运行电压在500kV及以上时,可听噪声必须与无线电噪声一起加以考虑,并且在许多情况下它对导线选择起着更为重要的作用。
由于在好天气条件下,实际架空送电线路在工作场强下的电晕较小,因而其所产生的可听噪声也较低,一般平均好天气可听噪声比大雨可听噪声低9dB。
而在坏天气(大雨、中雨、小雨、雾、雪)条件下,导线上存在着大量的电晕源,使噪声增加到相当高的声压级,因此,坏天气条件下的可听噪声水平是衡量架空送电线路整体噪声水平的一个特征量。
大雨(降雨强度范围约在1.8~8.9cm/h间)情况下的可听噪声表征了高压送电线路可听噪声的最大值。
它受导线表面场强变化的影响及分裂导线几何形状的影响,大雨天气在实际自然天气情况中很少发生,而在中雨、小雨、雾、雪等天气条件下的可听噪声更加令人讨厌,所以我们用“湿导线可听噪声”来表征高压送电线路可听噪声水平。
1)可听噪声的计算
国际上有许多国家的研究机构对超高压和特高压输电线路的可听噪声进行过深入的研究,提出了各自的预测公式,但由于各自的实验环境和条件不同,其预测公式的计算结果也存在差异,目前世界各国和我国比较常用的有《345kV及以上输电线路设计参考手册》推荐的预测公式,和美国BPA电力公司根据实验研究结果推荐的预测公式,该两个公式的计算理论基本相同,只是公式的表达和系数的取值有差别。
BPA公司利用他的预测公式的结果与其他送电线路的实测结果作了比较,比较结果说明,预测值与实测值的误差绝大多数仅1dB左右,因此,我们认为BPA公司的这个预测公式有较好的代表性和准确性,所以本报告推荐采用BPA公式进行可听噪声计算。
2)可听噪声的计算结果
本文采用BPA推荐的可听噪声预测公式,对各种导线分裂方式的可听噪声进行了计算,其结果列入表3-6。
表中是海拔1
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