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
目录
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；
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：
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：
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（invar steel）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-300/40 58％IACS 导线为例
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＝E cm+αE a / 1+α
组合导线的γ(线胀系数)
γ＝γcm E cm+αγa E a/ E cm+αE a
式中E cm－钢的弹性模量；
E a－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。