风电场线路导线截面选择解析.docx

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风电场线路导线截面选择解析

风电场送出线路

导线截面选择与耐热铝合金导线的应用

李叔昆编

2012年9月24日修

风电场送出线路导线截面选择与耐热铝合金导线的应用

1.风力发电的发展情况

2.风电场的结构和技术条件

3.风电场线路导线的经济电流密度及输送容量

4.耐热铝合金导线在送出线上的应用

1.风力发电的发展情况

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦。

中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。

　　随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。

中国风电2010年新增装机容量达到18,928兆瓦，占全球新增装机容量48%，超过美国，成为世界第一大风电市场。

作为节能环保的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇，近年来发展势头迅猛。

2011年全国累计风电装机容量再创新高，海上风电大规模开发正式起步。

国内风电市场竞争形势日趋激烈，使得企业在满足国内需求的基础上，积极拓展海外市场。

　　中国风力发电行业发展前景广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。

“十二五”期间，我国风电产业仍将持续每年10000兆瓦以上的新增装机速度，风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。

目前，我省全省风电装机容量已达87万千瓦，年内将突破100万千瓦大关，2011年投产运营的风电场利用小时名列全国第二，发电效益显著。

据《云南省风电场规划报告（2011年）》查明，全省可开发风电装机达3300万千瓦以上，而目前87万千瓦的风电装机规模，尚不足可开发总规模的3%。

云南还有97%以上的风电资源可开发利用。

云南风电的送出工程也将大力、持续发展。

2.风电场的结构和技术条件

风力发电场分布在山脉分水岭上，一个风电场一般装机49.5MW，33台风机，单机容量1500～1600kW,最大负荷利用小时数在3000小时以下，一般在1800～2500小时。

往往几个风电场建在一起，共用一个升压站送出。

风电场布置分散，风向多变，线路上的输送负荷要考虑同系数，一般估计在0.80～0.95。

风力发动机采用一机一变单元接线方式，发动机的出口电压一般为620伏，经电缆送至配电箱（变压器），升压至35kV接到35kV集电线路上。

35kV集电线路搜集各风机的电力，走向曲折，转角耐张塔较多。

一般一个风电场有多条集电线路。

集中送到升压站。

升压站再以110～220kV电压的线路送出与大电网联结。

线路的功率因数一般0.90～0.95。

3.风电场线路导线的经济电流密度及输送容量

规程规定导线截面应按经济电流密度选择，最大负荷利用小时数在3000小时以下，经济电流密度为1.65安/mm2。

此范围较大，对风电线路最大负荷利用小时数在1800～2500小时的情况还应细化。

根据《电气工程设计手册》上，软导线的经济电流密度数据，35～220kV钢芯铝绞线最大负荷利用小时数与经济电流密度的关系如下表；

最大负荷利用小时数

经济电流密度（A/mm2）

3000

1.65

2500

1.68

2400

1.72

2300

1.75

2200

1.78

2100

1.81

2000

1.85

1900

1.88

1800

1.92

1700

1.94

1600

1.98

导线截面计算公式：

S＝P/1.7321/U/J/COSФ

式中

S－导线截面积，mm2；

P－输送功率，kW；（考虑同时率后）

U－线路额定电压，kV；

J－经济电流密度，按上表取值，A/mm2；

COSФ－0.90～0.95

按以上要求计算可得：

110～220kV风电送出线路，同时率＝0.9，经济电流密度1.8时（Tmax=2100），输送功率为：

导线截面（mm2）

输送容量（MW）

35kV

110kV

220kV

95

9.3（170安）

120

11.8（216安）

150

14.7（269安）

46（268安）

185

18.2（334安）

57（332安）

240

23.6（433安）

74（432安）

300

29.5（541安）

92.6（540安）

185.2（540安）

400

123（717安）

247.0（720安）

2×240

296.3（864安）

2×300

370.0（1078安）

2×400

493.8（1440安）

2×500

注：

表中未计入同时率0.8~0.9系数。

4.耐热铝合金导线在送出线上的应用

4.1耐热铝合金导线概况

（1）定义

通常在铝中加入镁、硅、铼可以提高铝的强度,这就是铝合金,以此制成铝合金导线,它具有较高的抗拉强度。

在铝合金中再加入锆（Zr）,能提高铝合金的再结晶温度,又不会降低其导电率,这就是耐热铝合金材料,以此制成的导线即为耐热铝合金导线。

（2）工作温度与电流

一般钢芯铝线和铝合金绞线的允许温度为70°C,耐热铝合金导线的工作温度可在90、120、150、210、230°C。

（严格说150°C及以上才能称耐热铝合金）。

随着温度的增加，载流量随之增大。

以240/30导线为例：

工作温度℃

70

90

120

150

210

230

工作电流安

610

633

820

960

1017

1270

增容率％

100

104

134

157

166

208

可以看出，耐热铝合金导线的增容，最大为2倍。

（3）耐热铝合金的导电率

耐热铝合金导线一般按其导电率分58％IACS和60％IACS分为两种。

（钢芯铝线为64%IACS）IACS为国际标准铜的导电率。

（4）耐热铝合金导线的特性：

a）工作温度在150-230℃，输送容量可提高1.5－2.0倍；

b）工作在200℃以上耐热铝合金导线，由于温度高，采用常规的钢芯弧垂过大，因此采用殷钢（invarsteel）做钢芯，限制了弧垂过大的增长。

殷钢是铁镍合金，膨胀系数为3.7×10-6，是钢的1/3，铝的1/5，在高温下伸长很小。

因此，采用殷钢作钢芯，导线工作温度在210－230℃时，可以维持低弧垂。

（铝包殷钢芯的耐热导线在210℃时的弧垂，与钢芯铝绞线在90℃时的弧垂接近。

）有较好的抗腐蚀能力。

殷钢芯耐热铝合金导线造价较高。

C）原有线路的铁塔无需进行改造和加固。

但在档距较大、交叉跨越、对地距离较紧的地方，有时还需加塔。

（5）耐热铝合金导线的主要用途：

1）旧线路的增容改造。

在不改变铁塔，不增加线路走廊的情况下，可增加容量50～100％。

2）60％IACS的耐热铝合金导线，也可用于新建线路。

4.2耐热铝合金导线的工作电流

4.3耐热铝合金不同工作温度时的弧垂变化

以LGJ-300/4058％IACS导线为例

弧垂增加温度

率％

档距（m）

40°

70°

90°

110°

120°

150°

200

100

26.5

43.3

58.8

66.5

87.5

300

16.4

26.7

36.6

41.3

54.9

400

11.1

18.2

25.0

28.3

37.8

500

8.05

13.2

18.1

20.5

27.6

600

6.03

9.91

13.7

15.5

20.9

4.4耐热铝合金导线线路的设计顺序

1）旧线路的增容改造。

a）了解旧线路的设计气象条件、导线型号、输送容量；

b）计算改造后需要输送的容量，线电流；

c）根据工作电流，选择某工作温度的耐热铝合金导线；

d）注意金具配套（150℃及以上导线的耐张线夹、接续管需用耐热铝合金导线的配套金具。

）

e）计算线路的电能损耗

f）计算所选工作温度的耐热铝合金导线的力学特性,用最高工作温度的模板在断面图上检查对地距离，提出增加的杆塔数量及相应的材料；

g）编写设计文件。

2）新建线路设计

a）根据输送的工作电流，选择某工作温度的耐热铝合金导线;

b）注意金具配套（150℃及以上导线的耐张线夹、接续管需用耐热铝合金导线的配套金具。

）

c）计算线路的电能损耗

d）计算所选工作温度的耐热铝合金导线的力学特性,用最高工作温度的模板在断面图上排位；

e）编写设计文件。

附：

综合弹性模量与综合温度膨胀系数的计算

组合导线的E

E＝Ecm+αEa/1+α

组合导线的γ（线胀系数）

γ＝γcmEcm+αγaEa/Ecm+αEa

式中Ecm－钢的弹性模量；

Ea－铝的弹性模量；

α－铝、钢的截面比；

γcm－钢的温度膨胀系数；

γa－铝的温度膨胀系数。

END