1000kV苏通长江大跨越输电线路导线选择

温作铭，叶鸿声，王彬，黄伟中，吴建生

(华东电力设计院，上海市200001)

1000kV苏通长江大跨越输电线路导线选择

温作铭，叶鸿声，王彬，黄伟中，吴建生

(华东电力设计院，上海市200001)

规划中的1 000 kV苏通长江大跨越工程跨距大，耐张段长，通航要求高，选择合理的导线是工程可行的关键。从导线材料、导线结构、制造条件方面选取常规的6×AACSR/EST-500/230与8×AACSR/EST-400/180特强钢芯高强铝合金导线方案，对2种方案进行输送容量、电磁环境、机械特性、经济性等方面的比较，计算结果表明，具有较好机械性能的6分裂导线方案优于8分裂导线方案。对AACSR/EST-500/230导线从材料和结构2个方面进行优化，提高钢芯的抗拉强度及适当降低铝钢截面比，导线优化后使跨越塔高度大为降低，减少工程投资。推荐1 000 kV苏通长江大跨越工程导线采用6×AACSR/UST-500/280超高强度钢芯高强度铝合金绞线。

大跨越；导线材料；导线结构；机械性能

0 引 言

高压输电线路的建设不可避免地要跨越大江大河或海峡港湾，由于跨越宽阔水面的送电线路档距大，许多河流或海峡还有通航要求，需要特殊设计。大跨越输电线路的功能是输送电力，导线选择的优劣在很大程度上决定了大跨越工程的投资高低，输电功能能否充分实现，能否保证长期、低耗、安全运行。

规划中的1 000 kV淮南—南京—上海特高压交流输电工程苏通长江大跨越的跨越档距为2 150 m，耐张段长度5 053 m，位于苏通长江大桥上游，通航要求高，两岸均为平地，跨越塔需在江中立塔，采用同塔双回线路。由于档距大、通航要求高、跨越塔塔头尺寸很大，造成跨越塔很高。选择适当的导线使在满足输送容量的前提下，尽量降低跨越塔高度，对该工程的实施以及降低投资具有非常重要的意义。

1 导线初选

大跨越工程在选择导线时，应从载流量、电磁环境、弧垂特性、制造条件等因素考虑，使选择的导线安全可靠、技术先进、经济合理[1]。

1.1 初选方案

我国大跨越导线的使用，形成了特强钢芯铝(及其合金)与铝包钢两大系列，近年来由于线路输送容量要求的提高，铝(及其合金)系列导线在大跨越工程中的使用有增加的趋势。国内铝包钢绞线的生产水平已达到国际先进水平。由于其导电能力较差，载流能力难以提高，电能损耗大，在大跨越工程中的使用受到限制，在输送容量要求不高，要求导线有很好力学特性和防振性能的大跨越工程中，铝包钢绞线会有优势。在铝及其合金导线系列中，钢芯铝绞线用于大跨越工程的数量较少，近年来500 kV及以上电压的大跨越工程基本上都采用了特强钢芯高强铝合金绞线，该种导线在输送容量大，跨距在1 km以上的大跨越工程中具有明显的技术经济优势。苏通大跨越工程(双回)正常输送潮流为9 000～12 000 MVA，适宜使用特强钢芯高强铝合金绞线。

对于钢芯铝合金绞线，在导线材料确定(铝/铝合金，钢/高强钢)后，导线的弧垂特性取决于铝钢截面比。选取合适的导线铝钢截面比对于大跨越工程十分重要。通过对我国特高压大跨越工程导线使用情况的统计，结果表明对于跨越档距为1.2～2 km的大跨越，导线铝(铝合金)钢比一般取为2.2。导线结构还直接影响耐振性能，优先采用多股多层导线[2]，有利于降低导线的动弯应变。

苏通大跨越工程耐张段需要的单根导线长度约5.5 km。大跨越工程要求整根导线无接头，根据目前的原材料供应情况和实际生产能力，导线铝合金截面宜选取在500 mm2以下。因此，基于目前的常见特高压大跨越导线结构，导线初选6×AACSR/EST-500/230、8×AACSR/EST-400/180 2种型号方案，参数见表1。

表1初选导线参数

Tab.1Primaryconductorparameters

1.2 载流量

对大跨越工程而言，导线截面一般按允许载流量选择。载流量计算采用规范推荐的方法[3]，验算载流量时，钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度一般采用+90 ℃，环境气温采用35 ℃，风速采用0.6 m/s，太阳辐射功率密度采用1 000 W/m2。

导线载流量按式(1)计算为

(1)

式中：θ为导线的载流温升；℃；V为风速，m/s;D为导线外径；m；ε为导线表面的辐射系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.90～0.95；S为斯蒂芬-包尔茨曼常数，S=5.67×10-8W/m2;ta为环境温度；℃；αs为导线吸热系数，光 亮新线为0.23～0.46,发黑旧线为0.90～0.95；kt为导线温度ta+θ时的交直流电阻比；Rdt为导线温度ta+θ时的直流电阻，Ω/m;Is为太阳幅射功率密度，W/m2。

导线载流量计算结果见表2。

表2载流量计算结果

Tab.2Calculationresultsofcurrentcapacity

计算结果表明，所选导线满足N-1时输送容量11 000 MVA的要求。

1.3 电磁环境

线下工频电场计算采用国际大电网会议第36.01工作组推荐的等效电荷法[4]。输电线路的电晕特性主要取决于导线表面电场的大小，所以导线表面电场是计算输电线路无线电干扰和可听噪声的重要参数。导线的起晕场强采用皮克公式计算，导线表面电场计算采用逐步镜像法[5-6]。多分裂导线的无线电干扰计算采用1998年CISPR补充版中推荐的激发函数法[7-8]。可听噪声采用美国BPA在实际线路上通过长期实测数据推导得出的预测公式[9]，并按我国电科院实测可向下修正2 dB。计算结果见表3。

计算结果表明，所选导线的电气性能满足规范[10]要求。

1.4 机械性能

各导线方案的安全系数、平均运行应力、弧垂特性、荷载情况等结果见表4。

计算结果表明，6分裂导线方案与8分裂导线方案相比，导线弧垂较小，塔高较低，水平荷载与垂直荷载较小。可见，在导线每相截面接近的情况下，8分裂导线方案的机械特性较6分裂导线方案的差。

表3电磁环境计算结果

Tab.3Calculationresultsofelectromagneticenvironment

表4塔高及荷载计算结果

Tab.4Calculationresultsofheightandload

1.5 经济比较

采用最小年费用法[11]对导线方案进行经济比较。第1年投资按60%、第2年投资按40%，运行期取40 a，年损耗小时数取3 750 h，设备运行维护率取1.4%，利率取8%、10%、12%，上网电价取0.3，0.35，0.4，0.45，0.5元/(kW·h)，计算结果见表5、表6。

结果表明，6分裂导线方案的年费用较低，经济性较好。

1.6 导线初选结论

2种导线方案均满足载流量要求，8分裂方案在电磁环境方面较优，6分裂方案在机械特性方面较优。该工程铁塔很高，且需要江中立塔，初始投资很大，线损较初始投资对年费用的影响小，6分裂方案塔高较低，初始投资较少，年费用也较小。综合比较，6分裂导线方案优于8分裂导线方案。

2 导线优化

为进一步降低跨越塔高度，减小跨越塔基础根开，基于上述6分裂导线方案，在不降低电气性能的前提下，对导线的机械性能方面进行优化。

表5方案经济比较

Tab.5Economiccomparisonofschemes

表6年费用比较

Tab.6Annualcostcomparison万元

2.1 导线材料优化

巴西亚马逊大跨越采用了中国制造厂生产的超高强度钢绞线(ultra high strength steel，UST)[12]，抗拉强度大于1 910 MPa，1%伸长时应力大于1 670 MPa，强度比EST钢绞线提高7.7%。钢绞线采用UST后，导线的整体抗拉强度提高了5.1%。

2.2 导线结构优化

大跨越导线采用特强钢芯高强铝合金导线时，结构优化就是铝钢截面比的优化选择。铝合金截面受输送容量即载流量决定而不能减小，因此只能改变钢截面大小，使铝钢截面比减小，导线拉力质量比增大，弧垂减小，从而降低跨越塔塔高，使跨越塔的水平荷载明显降低，减少塔材和基础。在大档距时，这一措施作用明显，但同时也使跨越塔、耐张塔的受力加大，增加了塔材和基础。另一方面，由于需要控制铝部应力在疲劳极限以下，因此导线的使用拉力有一定限制。在此限制下，当导线铝钢截面比选取过小时，钢芯强度不能充分利用，导线的弧垂特性并没有改善。

±500kV葛沪线吉阳长江跨越和沙洋汉水跨越采用了KTACSR/EST-630/360导线，结构为48(铝股数)/37(钢股数)，铝钢截面比为1.78。导线结构按此优化后，拉力质量比值较结构为42(铝股数)/37(钢股数)、铝钢截面比为2.2的导线提高了3.1%。

2.3 平均运行应力取值

导线AACSR/EST-500/230材料优化后为AACSR/UST-500/230，进一步结构优化后为AACSR/UST-500/280，导线技术参数如表7。

表7优化后导线技术参数

Tab.7Conductorparametersafteroptimization

大跨越导线平均运行应力的取值，不仅直接影响导线的弧垂，从而影响跨越塔塔高，而且还影响了导线的自身抗疲劳振动能力，从而影响导线的安全运行。平均运行应力取值与导线自身的抗疲劳振动能力、整个跨越工程的防振措施、运行经验都有关系。

根据对国内外特强钢芯高强铝合金导线平均运行应力的统计，平均运行张力都为17.7%～25%的额定破坏张力(rated tensile strength，RTS)。其中约有64%的工程平均运行张力为20.5%～23.5% RTS，运行良好。

平均运行应力是导线在平均气温状态的综合应力，而对应的铝股或铝合金股的应力值及如何评价是令人关注的。一般而言，选择导线平均运行应力时，应按不同导线材料的应力分配，使铝股或铝合金股的应力不大于它们各自的疲劳极限。

导线材料的疲劳极限可通过在旋转反复弯曲试验机上进行试验获得，各种试验报告的数据不尽相同，但差别不大。通常钢绞线的疲劳极限最大，高强度铝包钢线次之，铝合金线又次之，铝线最差。

铝部应力按式(2)计算

(2)

式中：σa为铝合金部运行应力，MPa；αa为铝合金部线膨胀系数，1/℃；αs为钢部线膨胀系数，1/℃；Ea为铝合金部弹性系数，MPa；ES为钢部弹性系数，MPa；ts为使用温度与制造温度的差值，取15℃；T为导线的张力，N。3种导线铝合金部应力计算结果见表8。

表8导线铝合金部应力

Tab.8Aluminumalloystressofconductor

高强铝合金的疲劳极限应力在8～9 kg/mm2，现取为8 kg/mm2左右，使特强钢芯高强度铝合金绞线平均运行张力控制在20%RTS，再考虑大跨越导线悬挂点应力较最低点应力提高10%左右，则导线最低点的平均运行应力控制在20%破断应力(σb)是合适的。

2.4 对于T/W取值的考虑

有关导线微风振动在CIGRE WG11中提出微风振动的强度依赖于参数T/W(T为导线平均运行张力，W为导线自重)。但CIGRE SC22-WG11、IEEE或IEC/TC11文献中至今为止没有见到关于阻尼线的调查和详细说明。

SC22-WG11-TF4-97-20最终报告第2版草案“没有保护的单导线的微风振动的安全设计张力”中列举了无任何保护的单导线T/W取值，事实上T/W方法本身也是从控制铝股静态应力的基本概念推导出来的，上节已经从铝部应力出发就选择合适的导线松紧程度做了分析。从收集到的导线采用钢芯铝合金绞线的大跨越工程来看，很多工程的导线平均运行张力与导线自重的比值(T/W)大于3 000 m，其中一些国外工程如加拿大的多个大跨越工程T/W均超过3 600 m，且运行良好。

本工程导线平均运行应力取不大于20%σb，导线的平均运行张力与单位质量比值(T/W)为3 559.5 m(AACSR/UST-500/280)。

国内大跨越工程普遍采用阻尼线、防振锤、阻尼间隔棒联合防振措施，其防振效果良好。建议苏通长江大跨越工程同样采用。

2.5 导线优化后经济比较

导线优化后经济比较计算结果见表9。

表9导线优化前后经济比较

Tab.9Economiccomparisonbeforeandafterconductoroptimization

由表9可见，经过2项优化后，导线90 ℃弧垂由214 m减小至176 m，跨越塔基础根开由74 m减小至66 m。大风工况下的水平荷载基本不变，覆冰工况下的垂直荷载则增加了9.2%。由于跨越塔高度得到有效降低，立于江中的跨越塔的塔材和基础耗量大大降低，由于张力增大引起的耐张塔的塔材和基础增加所占比重不大，使得工程的塔材和基础耗量明显降低。工程投资在导线优化后大大降低。

2.6 导线生产能力分析

巴西亚马逊大跨越档距分布为900 m-2 148 m-860 m，耐张段长度为3 908 m，采用的导线为4分裂AACSR/UST-540/240，结构为铝合金42×4.04、镀锌钢芯37×2.88，导线直径为36.32 mm，截面为779.43 mm2，实测破断拉力超过577.5 kN(满足设计要求铝合金部应力325 MPa、镀锌钢部应力1 670 MPa下的拉断力要求)，钢芯由河南巩义提供，整线由杭州电缆厂制造，并已供货，目前工程已建成。据了解，其钢单丝1%伸长率应力达到1 670 MPa有难度，但是由于导线拉断时的钢丝伸长率实际超过1%，因此试验测得导线实际拉断力高于导线的计算拉断力，导线强度能够满足设计要求。

苏通长江大跨越推荐6分裂导线AACSR/UST-500/280，结构为铝合金48×3.64、镀锌钢芯37×3.12。破断拉力要求629.75 kN(相应铝合金部应力315 MPa、镀锌钢部应力1 670 MPa)。长度需要约5.5 km。

根据有关方面了解，该导线具备制造可能，具体如下：

对铝合金部分，单丝材料供应上目前众多厂家均没有问题。对铝合金单丝的绞制工序上，中天、杭缆、武缆等厂家均没有问题。

对镀锌钢部分，单丝材料供应上目前仅武钢与天津华源保证没有问题，经中天实测，以往工程武钢提供的单丝样本已能满足应力要求，在单丝材料上，武钢能够保证。其他钢厂如宝钢也具备制造能力。

对镀锌钢单丝的绞制工序上，若分多次绞成，则众多厂家均可完成，若要求一次绞成，受设备条件限制，目前中天可保证没有问题，其他可制造海缆的厂家如汉缆、宁波东方、亨通等具有绞制的潜力。

3 结 论

(1)大跨越导线在满足载流量要求的前提下，当导线相截面接近时，分裂数多则电磁环境指标较好，但机械性能较差。1 000 kV苏通大跨越工程跨越档距大，通航要求高，还需江中立塔，工程初始投资很大，线损较初始投资对年费用的影响小。6分裂方案塔高较低，初始投资较少，年费用也较小。综合比较，具有较好机械性能的6分裂导线方案6×AACSR/EST-500/230优于8分裂导线方案8×AACSR/EST-400/180。

(2)1 000 kV苏通长江大跨越工程在江中立塔，跨越档距很大，降低塔高非常重要，可以从导线材料和导线结构2方面对导线进行优化。通过提高导线钢芯的抗拉强度以及适当降低导线的铝钢截面比2个方面将AACSR/EST-500/230特强钢芯高强铝合金绞线优化为AACSR/UST-500/280超高强度钢芯高强度铝合金绞线，其中钢芯采用超高强度钢芯(UST)，铝钢截面比为1.78，优化后实现了塔高降低38 m，基础根开减小8 m，同时水平荷载基本不变，垂直荷载仅增加9.2%。跨越塔的塔材和基础耗量大大降低，由于张力增大引起的耐张塔的塔材和基础增加所占比重不大，使得工程的塔材和基础耗量明显降低。导线优化后工程投资大大降低。

(3)高强度铝合金的疲劳极限应力取为8 kg/mm2左右，通过对铝合金部应力的验算，AACSR/UST-500/280导线的平均运行张力控制在20%RTS是合适的。

(4)从收集到的导线采用钢芯铝合金绞线的大跨越工程来看，很多工程的导线平均运行张力与单位质量比值(T/W)大于3 000 m，其中一些国外工程如加拿大的多个大跨越工程T/W均超过3 600 m，且运行良好。AACSR/UST-500/280导线的T/W为3 559.5 m，建议采用阻尼线、防振锤、阻尼间隔棒联合防振措施。

(5)AACSR/UST-500/280导线在制造上有一定困难，但从制造厂商的生产能力来看，该导线具备制造可能。

(6)1 000 kV苏通长江大跨越工程导线推荐采用6分裂AACSR/UST-500/280超高强度钢芯高强度铝合金绞线。

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(编辑：刘文莹)

ConductorSelectionof1000kVSutongPowerTransmissionLineLargeCrossingoverYangtzeRiver

WEN Zuoming, YE Hongsheng, WANG Bin, HUANG Weizhong, WU Jiansheng

(East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200001, China)

In planning of 1 000 kV Sutong large crossing project over Yangtze River, the span is large, the strain segment is long, and the navigation requirements are relatively high, so the reasonable conductor selection is the key factor to the project feasibility. Regular 6×AACSR/EST-500/230 and 8×AACSR/EST-400/180 aluminum alloy clad steel reinforce (using extra-high strength steel core) conductor programs were selected from the conductor material, structure and manufacturing conditions. These two kinds of schemes were compared from the aspects of transmission capacity, electromagnetic environment, mechanical properties and economy, etc. The calculation results show that the 6 bundled conductor scheme with better mechanical properties is better than 8 bundled conductor scheme. The AACSR/EST-500/230 conductor was optimized from two aspects of material and structure, in order to improve the tensile strength of steel core and reduce the aluminum steel cross section ratio, which could lead the great reduction of crossing tower height and engineering investment. Therefore, the conductor scheme of 6×AACSR/UST-500/280 aluminum alloy clad steel reinforce (using ultra-high strength steel core) is recommended to be adopted in 1 000 kV Sutong large crossing project over Yangtze River.

large crossing; conductor material; conductor structure; mechanical properties

TM 751

： A

： 1000-7229(2014)04-0070-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.04.012

2013-10-14

：2013-11-22

温作铭(1983)，男，硕士，工程师，从事输电线路设计工作，E-mail：wzm@ecepdi.com；

叶鸿声(1940)，男，教授级高级工程师，从事输电线路设计工作，E-mail：yhs@ecepdi.com；

王彬(1983)，男，硕士，工程师，从事输电线路设计工作，E-mail：wangb@ecepdi.com；

黄伟中(1964)，男，教授级高级工程师，从事输电线路设计工作，E-mail：hwz@ecepdi.com；

吴建生(1953)，男，教授级高级工程师，从事输电线路设计工作，E-mail：wjs@ecepdi.com。