輸電線路“插花”增容改造方案研究

李攀峰，馮 炳，呂建軍

(國網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

輸電線路“插花”增容改造方案研究

李攀峰，馮 炳，呂建軍

(國網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

針對某220 kV單回架空線路增容改造工程，在原線路桿塔基礎狀況良好的情況下，提出了采用“插花”式立塔同時選用雙分裂節(jié)能導線的改造方案。與采用直接更換耐熱導線的改造方案進行導線對地距離、桿塔荷載、塔頭間隙等方面的分析比較，最后利用全壽命周期內(nèi)年費最小法進行技術經(jīng)濟分析，得出由于年電阻損耗較大，更換耐熱導線方案的在年費用比較中并不占優(yōu)，“插花”方案雖然需要增加一次性投資，但折合年費用時無疑為最優(yōu)的改造方案。

增容改造；節(jié)能導線；技術經(jīng)濟；電阻損耗；年費用

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力的供需矛盾日益突出，電網(wǎng)中已建線路的輸送容量不能滿足日益增大的負荷要求等問題逐漸突出。對于建設年限相對較長，需要增容的線路，一般考慮拆除重建，但對于建設時間不長，原線路可以繼續(xù)利用的情況下，則要選擇好的增容改造方案。根據(jù)國內(nèi)目前關于線路增容改造的相關研究，文獻[1]主要側(cè)重于根據(jù)實際運行環(huán)境，如環(huán)境溫度、太陽輻射功率，風速等來計算應急增容情況下的導線輸送容量；文獻[2]分析了更換與原線路的導線有著相同或十分相近參數(shù)的增容耐熱導線方案的技術經(jīng)濟性，未對利用老線路的改造方案進行進一步研究。對于耐熱增容導線，由于其電阻損耗較大，在輸送容量較大的情況下，每年線路電能損耗也非常大，如果從全壽命分析，可能不是最優(yōu)方案。

浙江紹興計劃新建某220 kV單回輸電線路，要求系統(tǒng)單回正常輸送功率300 MW，極限輸送功率450 MW，其中2 km利用已建單回線路。因舊線路導線輸送容量已不能滿足系統(tǒng)需要，項目單位要求盡可能利用該段原輸電線路設施的前提下，通過技術手段對原線路進行增容改造。

1 改造方案的提出

經(jīng)調(diào)查該舊線路設計導線型號為1×JL/G1A-400/35鋼芯鋁絞線，桿塔均為角鋼鐵塔，于2010年設計，設計標準按照2010年發(fā)布的《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》，本次改造參照原設計氣象條件。因線路投運時間不長，經(jīng)現(xiàn)場勘探，發(fā)現(xiàn)桿塔、基礎狀況良好。

為此，本文提出“插花”增容改造方案， 該方案是在利用原有線路桿塔的基礎上，將原單根導線更換為大截面導線，為保持耐張塔所受張力相近，需將導線張力放松，相應的導線弧垂隨之增加。同時，原線路桿塔水平荷載與垂直荷載均要增加，為保證原線路弧垂、桿塔的水平荷載、垂直荷載與原線路相同或者相近，則要求在原線路每兩基桿塔之間插入1基直線塔。

本文將“插花”方案與更換耐熱導線的方案進行技術經(jīng)濟比較，得出何種方案為更優(yōu)的改造方案。原線路設計氣象條件組合表見表1。

表1 原線路設計氣象條件組合表

2 導線選擇

根據(jù)系統(tǒng)正常運行輸送功率為300 MW，由此算得每相導線的負荷電流為875 A，按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》，仍將原“水電部”1965年頒布的經(jīng)濟電流密度值作為參考，鋁導線經(jīng)濟電流密度在最大負荷利用小時為3 000 h以下，3 000～5 000 h和5 000 h以上時分別為1.65、1.15和0.9。

本工程的最大負荷利用小時為5 000 h，通過計算得出的導線總截面不小于760 mm2，所以雙分裂導線截面應選用2×400 mm2。對于大截面單導線，由于集膚效應影響，在滿足極限輸送容量的要求下，單導線截面需要1 200 mm2以上，考慮到制造、施工技術還不成熟等問題，本工程不考慮大截面單導線的選型。

根據(jù)國家電網(wǎng)基建(2013)99號《國家電網(wǎng)公司關于加強輸電線路節(jié)能導線推廣應用工作的通知》的要求，參照以往節(jié)能導線選型結果，在本工程氣象條件下，雙分裂導線直接選取中強度全鋁合金絞線2×JLHA3-425，風偏小，弧垂小，尤其是節(jié)能效果明細[3,4]。

由于耐熱導線不宜按經(jīng)濟密度選擇，故按照極限輸送功率為450 MW選擇，此時每相導線的負荷電流為1 312 A。根據(jù)目前改造工程中耐熱導線使用情況，本文選取常用的兩種耐熱導線作為比選方案，分別為碳纖維復合導線1×JRLX/T-400與鋼芯耐熱鋁合金導線1×JLHNR58/G1A-400/35。 各種導線主要參數(shù)及輸送功率見表2。

表2 各種導線主要參數(shù)及輸送功率

3 兩種方案的導線最小對地距離、桿塔荷載、塔身間隙比較

3.1 導線最小對地距離比較

在“插花”方案中，由于單根導線改為雙分裂導線，在計算桿塔結構受力時，斷線張力的取值不同。單導線耐張塔斷線張力取最大使用張力的100%，雙分裂耐張塔斷線張力取最大使用張力的70%。為使雙分裂導線耐張塔結構在斷線工況驗算受力不大于原單分裂導線耐張塔在斷線工況驗算受力相同， 即：

(1)

式中T0、K0——原線路導線的拉斷力、安全系數(shù)；T1、K1——原線路導線的拉斷力、安全系數(shù)。

考慮弧垂影響，經(jīng)取整后“插花”方案中雙分裂導線JLHA3-425安全系數(shù)取5.0。更換耐熱導線方案中導線張力保持與原設計一致，碳纖維導線JRLX/T-400安全系數(shù)取3.5，鋼芯耐熱鋁合金導線JLHNR58/G1A-400/35安全系數(shù)取2.5。參考本工程提供的資料，增容改造段線路長約2 km，共3基耐張塔，4基直線塔。桿塔明細表見表3。

表3 原線路桿塔明細表

可以看到6檔線路中，有1號與2號檔檔線路檔距為91 m，經(jīng)斷面排位分析1號耐張塔處于上拔狀態(tài)，采用放松架設后弧垂最低點依然位于1號塔處?？紤]到弧垂變化很小，且該檔無重要交叉跨越，故1號與2號檔不插入桿塔。其余5檔均考慮插入直線塔，原線路直線塔水平檔距在212～437 m，垂直檔距85～444 m的方法，擬新建5基直線塔。

通過詳細計算采用各方案下導線的對地距離，經(jīng)校核均能滿足跨越要求，計算結果見表4。原線路斷面圖和插花后線路斷面圖見圖1、圖2。

圖1 原線路斷面圖

圖2 插花后線路斷面圖

表4 改造前后導線最低點對地距離比較 m

注：改造方案二中導線對地距離為插入直線塔后兩檔中較低一檔的對地距離。

3.2 桿塔荷載比較

分別選取3號耐張塔、4號直線塔，計算兩基塔改造前后的導線中相掛點所受最大荷載。見表5、表6所示。

表5 3號轉(zhuǎn)角塔改造前后導線中相掛點所受荷載標準值 N

表6 4號直線塔改造前后導線中相掛點所受荷載標準值 N

從計算結果中可以看出，通過對安全系數(shù)的控制，兩種方案下的直線塔、耐張塔中相導線掛點受力均與原設計較為接近，同時可以看出，其中采用 “插花”方案時最大縱向荷載明顯低于原設計掛點受力，該最大縱向荷載一般對應工況為斷線情況。

3.3 塔頭電氣間隙圓分析

不同增容方案導線在各工況下的風偏角計算結果如表7所示。

表7 不同方案下導線的最大風偏角

可知，采用更換耐熱導線的方案時，兩種導線各工況下的風偏均在原桿塔的允許范圍內(nèi)。采用“插花”方案時，導線最大風偏角增加約7.4%，因此有必要對原直線塔塔頭間隙進行校核。根據(jù)規(guī)范要求，針對本工程設計條件，分別繪制了插花方案雙分裂導線不同排列方式下的電氣間隙圓，并與原設計方案間隙圓進行了對比(見圖3)。可知，插花方案雙分裂導線如采用垂直排列方式，分裂間距取400 mm時，在其垂直方向的間隙相比原設計方案增加400 mm，水平方向的間隙增加380 mm。經(jīng)校驗，原桿塔塔頭層高與橫擔長度均無法滿足電氣距離的要求，因此不推薦垂直排列分裂方式。插花方案雙分裂導線采用水平排列方式，分裂間距仍取400 mm，在其垂直方向的間隙與原設計方案相同，水平方向的間隙增加約260 mm。經(jīng)校驗，原桿塔塔頭層高滿足要求，上下橫擔的長度稍顯不足。但可通過加掛重錘的方法來適當減小導線風偏，解決水平方向電氣距離不足的問題。因此，本工程插花方案分裂導線推薦采用水平排列方式布置。

圖3 插花方案導線不同排列方式間隙圓圖

對于耐張塔，跳線可以采用防風偏固定跳線絕緣子，插花方案更換雙分裂導線不會對其塔頭間隙圓產(chǎn)生影響。

4 增容改造方案的全壽命周期經(jīng)濟比較

對兩種方案進行全壽命周期內(nèi)等值年費用進行比較，得出年費用最優(yōu)的改造方案。

4.1 “插花”方案桿塔基礎配置

根據(jù)本工程氣象條件及桿塔使用條件，專項規(guī)劃了 “插花”方案中使用的直線塔2B-ZMCH，桿塔呼高為27～33 m，基礎采用板式基礎，基礎形式為PD2252+0.5，具體指標見表8、表9。

表8 “插花”方案的桿塔指標表

表9 “插花”方案的基礎指標表

4.2 兩種改造方案新增材料費用

采用直接更換耐熱導線時，只需考慮新增導線的材料費用，采用 “插花”時，需要考慮新建5基桿塔、基礎及雙分裂導線的費用，材料數(shù)量、單價、費用見表10。

表10 不同改造方案的材料費用

4.3 導線電阻損耗的計算

導線的損耗與輸電線路的年運行費用的關系較大，是衡量其技術經(jīng)濟性的重要指標。一般線路損耗主要包括導線電阻損耗和電暈損耗。根據(jù)公式計算和實測數(shù)據(jù)，可以得出低海拔地區(qū)高壓輸電線路電暈損耗一般不超電阻損耗的5%，且線徑和分裂間距相近時，電暈損耗相差非常小。故本文僅對占主要地位的電阻損耗進行計算分析，見表11。

表11 各種改造方案的不同輸送功率下的電阻損耗 kW/km

注：(1)環(huán)境溫度均為本地年平均氣溫(15℃)。 (2)正常輸送功率為300 MW，計算時考慮按正常輸送功率的110%、100%、90%、80%、70%、60% 6種組合。

分別計算出不同輸送功率下的導線的電阻損耗，可以看出兩種耐熱導線的電阻損耗明顯大于中強度全鋁合金絞線，耐熱導線中采用碳纖維復合芯軟鋁絞線的損耗次之，采用鋼芯耐熱鋁合金絞線的損耗最大。

4.4 等值年費用的計算

年費用最小法是工程方案比較常用的比較方法，是用折算年費用評選工程方案。年費用法能反映工程投資的合理性、經(jīng)濟性。年費用包含初次年費用、年運行維護費用、電能損耗費用及資金的利息。年費用的計算結果如表12所示。不同制方案的年費用比較如圖4所示。

折算到工程投運年的總投資：

(2)

式中NF——年平均費用(萬元) (平均分布在m+1到m+n期間的n年內(nèi))；n——工程的經(jīng)濟使用年限；Z——折算后的工程總投資(萬元)。

(3)

式中t——從開工這一年起到計算年的年數(shù)；m——工程施工年數(shù)；Z——第年的建設投資(萬元)；r0——電力工業(yè)投資回收率；μ——折算年運行費用(萬元)。

(4)

式中t0——工程部分投產(chǎn)的年份；ut——運行費用(萬元)。

根據(jù)本工程的實際情況，進行最小年費用計算條件如下：

(1)經(jīng)濟使用年限為30年，施工期按2年計，前一年投資為60%，后一年投資為40%。

(2)電網(wǎng)的最大負荷利用小時數(shù)按5 000計算時，功率因數(shù)0.9，對應最大負載損耗小時為3 400 h。

(3)設備運行維護費率為1.4%。

(4)電力工程回收率按工程投資的8%計。

(5)電價按當?shù)貙嶋H上網(wǎng)電價0.45元/kWh計。

表12 年費用計算結果

圖4 不同改造方案的年費用比較

由表12可見， 由于本工程年損耗小時比較高，計及年損耗費用和利率后，“插花”方案的年費用明顯低于更換耐熱導線方案，從而等值年費用最優(yōu)，具有較強的經(jīng)濟性。

5 結語

對于一般增容改造架空線路，直接更換耐熱導線是慣用的改造方案。但在極限輸送負荷不大而年最大負荷利用小時很大的線路中，如原線路檔距中央有適宜立塔的條件，采用雙分裂節(jié)能導線的“插花”方案具有明顯的經(jīng)濟性。盡管相對更換耐熱導線增加了部分一次性投資，但其在全壽命周期帶來的利益十分可觀。

對于不同負荷特性的線路，計算結果可能存在差異，例如在極限輸送負荷很大而年最大負荷利用小時很小的線路中，可能直接更換耐熱導線是最經(jīng)濟的方案。

[1]

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(本文編輯：嚴 加)

Scheme of Capacity-Increasing Improvement of Transmission Line

LI Pan-feng, FENG Bing, LV Jian-jun

(State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing 312000, China)

For the project of capacity-increasing improvement of 220kV transmission line，this paper puts forward the reforming scheme of using the "plug-in" tower setup and the double split energy-saving conductors with the original line tower and foundation in good condition，and compares it with the replacement of heat-resistant conductor on ground clearance, tower load, tower gaps, etc.. Finally the method of life-cycle minimum annual cost is used for technical and economic analysis. It is concluded that due to large annual resistance loss, the scheme of replacing the heat-resistant conductor is not so good in terms of annual cost comparison. Although the "plug-in" scheme requires the increased one-time investment, but in terms of the equivalent annual cost, it is certainly the optimal retrofit scheme.

capacity-increasing improvement; energy-saving conductor; technical economy; resistance loss; annual cost

10.11973/dlyny201606002

李攀峰(1983)，男，工程師，注冊電氣工程師，從事輸電線路設計工作。

TM75

A

2095-1256(2016)06-0673-05

2016-09-11