低風(fēng)壓導(dǎo)線在輸電線路中的應(yīng)用

廖寶文 張強 陳宇 范冰

（1 中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350003 2 中國電建集團(tuán)國際工程有限公司 北京 100036）

0 引言

國家電網(wǎng)公司推行全壽命周期最優(yōu)化設(shè)計。近年來，國家電網(wǎng)公司加強基建設(shè)計和技術(shù)管理，大力提倡科技創(chuàng)新提高電網(wǎng)建設(shè)設(shè)計水平，積極應(yīng)用新技術(shù)、新材料，減少工程建設(shè)對自然環(huán)境的影響［1］。

導(dǎo)線是輸電線路實現(xiàn)輸電功能的載體，在架空輸電線路中導(dǎo)線受到的風(fēng)壓大概占輸電線路受到風(fēng)壓的50%～70%，這就使得支撐導(dǎo)線的桿塔在本身承受風(fēng)荷載的基礎(chǔ)上，還必須承載導(dǎo)線傳遞過來的風(fēng)荷載。導(dǎo)線的風(fēng)壓對鐵塔的強度和基礎(chǔ)的設(shè)計有著很大的影響，因此降低導(dǎo)線的風(fēng)壓對于降低線路工程造價及提供的安全可靠運行具有重要的意義。

本文介紹一種低風(fēng)壓導(dǎo)線在線路工程中的應(yīng)用，選取低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線和普通中強度全鋁合金導(dǎo)線，在電氣特性、機械特性、經(jīng)濟(jì)特性、全壽命周期等方面進(jìn)行比較，提出在沿海等大風(fēng)地區(qū)推薦使用低風(fēng)壓導(dǎo)線的技術(shù)觀點。

1 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)特點

低風(fēng)壓導(dǎo)線應(yīng)用于電力系統(tǒng)輸電領(lǐng)域，是一種架空導(dǎo)線用的新型導(dǎo)線。與傳統(tǒng)導(dǎo)線等外徑的前提下，低風(fēng)壓導(dǎo)線最外層采用型線結(jié)構(gòu)及V 形溝槽形式，使導(dǎo)線表面形成一定的粗糙度，降低導(dǎo)線的阻力系數(shù)，從而降低了導(dǎo)線的風(fēng)壓，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 低風(fēng)壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)流體力學(xué)理論，對于層流風(fēng)中的導(dǎo)線類圓柱狀物體來說，其受到風(fēng)速方向的導(dǎo)線單位長度的作用力如式（1）［2］。

式中：F 為導(dǎo)線單位長度上受到的風(fēng)壓作用力，ρ 為空氣密度（常數(shù)），D 為導(dǎo)線的直徑（與導(dǎo)線的截面和線型有關(guān)），V 為風(fēng)速（常數(shù)），Cd為阻力系數(shù)（也即導(dǎo)線表面粗糙度）。

根據(jù)公式（1），在自然環(huán)境確定的條件下，即空氣密度（ρ）和風(fēng)速（V）已知的前提下，導(dǎo)線單位長度的作用（F）與導(dǎo)線的直徑（D）和阻力系數(shù)（Cd）成正比。低風(fēng)壓導(dǎo)線通過將導(dǎo)線最外層采用型線結(jié)構(gòu)和V 形溝槽的方法降低導(dǎo)線的阻力系數(shù)來降低導(dǎo)線所受的風(fēng)壓。

2 導(dǎo)線參數(shù)

以與普通中強度全鋁合金導(dǎo)線的輸電能力基本相當(dāng)為原則，按等截面的要求，選取相應(yīng)的低風(fēng)壓導(dǎo)線。本文以某一典型的沿海110 kV 線路工程為例進(jìn)行分析，因此所選擇參與比選的兩種導(dǎo)線分別為JLHA3X（DFY）-340（30°）低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線和JLHA3-335 中強度全鋁合金導(dǎo)線。比選參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)線型號及特性

3 導(dǎo)線電氣性能比較

比較所采用的條件為：輸送容量120 MVA。

通過對導(dǎo)線的電磁場、無線電干擾、可聽噪聲的計算分析［3-6］，可知導(dǎo)線對地距離越大，導(dǎo)線電場強度、磁場強度、無線電干擾、可聽噪聲越小，導(dǎo)線的外徑越大，表面場強越小。本文選取對比的2 種導(dǎo)線外徑相當(dāng)，因此它們的電場強度、磁場強度、無線電干擾、可聽噪聲相似。

3.1 載流量比較

計算載流量公式［7-8］如式（2）。

式中：I 為允許載流量，A；WR為單位長度導(dǎo)線的輻射散熱功率，W/m；WF為單位長度導(dǎo)線的對流散熱功率，W/m；WS為單位長度導(dǎo)線的日照吸熱功率，W/m；R′為允許溫度是單位長度導(dǎo)線的電阻，Ω/km。

式（2）中WR、WF、WS按照標(biāo)準(zhǔn)中的公式計算；計算電阻損耗時，導(dǎo)線允許溫度采用80 ℃，風(fēng)速V 取值0.5 m/s，日照強度JS 取值為1 000 W/m2，導(dǎo)線表面輻射散熱系數(shù)E 取0.9，導(dǎo)線表面吸熱系數(shù)αs 取0.9，波爾茨曼常數(shù)S 取值5.67×10-8W/m2；環(huán)境溫度為40 ℃；電阻溫度系數(shù)α 取0.003 86。交直流電阻比按照標(biāo)準(zhǔn)《裸線載流量計算方法》（JCS0374—2003）［10］進(jìn)行計算。2 種導(dǎo)線載流量如表2 所示。

表2 允許電流值（單根，環(huán)溫40 ℃，線溫80 ℃）單位∶A

由表2 可知，在環(huán)溫40 ℃、線溫80 ℃時，上述2 種導(dǎo)線載流量相當(dāng)。

3.2 電能損耗

單回交流輸電線路的電能損耗計算如式（3）。

式中：WQ為功率熱損耗，MW/km；N 為分裂根數(shù)；I 為單回路每根導(dǎo)線的額定工作電流，A；re為導(dǎo)線的交流電阻，Ω/km。

各種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的電能損耗見表3。

表3 各種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的電能損耗（輸送容量120 MVA，環(huán)溫40 ℃）

從表3 可看出，2 種導(dǎo)線能耗相當(dāng)。

4 導(dǎo)線機械性能比較

4.1 導(dǎo)線弧垂特性

本文比較所采用的條件為：基本風(fēng)速37 m/s、覆冰0 mm。

參與比選的各導(dǎo)線機械性能的計算結(jié)果［8］見表4。

由表4 可知：2 種導(dǎo)線弧垂特性相當(dāng)。

表4 導(dǎo)線機械性能一覽表

4.2 導(dǎo)線荷載比較

參與比選的各導(dǎo)線荷載的計算結(jié)果［8］見表5（計算條件為37 m/s 風(fēng)速、無覆冰）。

表5 導(dǎo)線荷載一覽表

以37 m/s 風(fēng)速0 mm 覆冰的氣象條件為例，從垂直荷重、縱向最大張力來看，2 種導(dǎo)線相當(dāng)。

從水平荷重來看，低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線僅為普通中強度全鋁合金導(dǎo)線的69.34%，這主要是由于低風(fēng)壓導(dǎo)線的體型系數(shù)較小。

無冰風(fēng)荷載的公式如式（4）。

式中：g4為大風(fēng)時線條風(fēng)荷重，v 為最大風(fēng)速，d 為導(dǎo)線外徑，α為電線風(fēng)壓不均勻系數(shù)，μsc為電線體型系數(shù)。

由公式（4）可知：在風(fēng)速相同的情況下，導(dǎo)線所受的大風(fēng)時線條風(fēng)荷重與導(dǎo)線的外徑和體型系數(shù)成正比。因此在任何風(fēng)速下，低風(fēng)壓導(dǎo)線的線條風(fēng)荷重與普通導(dǎo)線的比值是不變的。

5 不同風(fēng)速下導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性比較

在不同設(shè)計風(fēng)速條件下，由于導(dǎo)線機械特性、材質(zhì)各異，除導(dǎo)線本身的成本外，單位鋼耗量、單位混凝土量等也各不相同，因而2 種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的本體投資是不一樣的。

5.1 導(dǎo)線用量計算

根據(jù)目前導(dǎo)線的市場報價，各種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的每公里材料量列于表6。

由表6 可知：低風(fēng)壓中強度全鋁合金絞線JLHA3X（DFY）-340（30°）費用略高。

表6 導(dǎo)線的材料量及費用

5.2 不同風(fēng)速下工程材料耗量與工程費用比較

各種導(dǎo)線的工程材料耗量與工程費用比較見表7～表10。

由表7～表10 可以看出，隨著風(fēng)速的增大，工程的耗鋼量、混凝土量等指標(biāo)也隨著增長，這是由于所受風(fēng)荷載增加引起的；相同風(fēng)速的工況下，低風(fēng)壓中強度全鋁合金絞線JLHA3X（DFY）-340（30°）耗鋼指標(biāo)與混凝土指標(biāo)等較低，這主要由其良好機械性能（水平荷載較低）所決定。

表7 工程材料耗量與工程費用對比表（一）

表8 工程材料耗量與工程費用對比表（二）

表9 工程材料耗量與工程費用對比表（三）

表10 工程材料耗量與工程費用對比表（四）

11 種風(fēng)速下普通中強度全鋁合金絞線和低風(fēng)壓中強度全鋁合金絞線的本體投資比較如圖2 和圖3。

圖2 2 種導(dǎo)線本體投資比較

圖3 2 種導(dǎo)線本體投資差值及投資差值占本體投資百分比

由圖2～圖3 可看出，在23 m/s 的工況下，低風(fēng)壓導(dǎo)線本體投資與普通導(dǎo)線相當(dāng)，但隨著風(fēng)速的增大，低風(fēng)壓導(dǎo)線較普通導(dǎo)線的投資差值越來越大，且其投資差值占本體投資的百分比也隨著風(fēng)速的增大而增大。

6 全壽命周期分析

按電力工業(yè)部（82）電計字第44 號文《頒發(fā)“電力工程經(jīng)濟(jì)分析暫行條例”的通知》第十五條經(jīng)濟(jì)計算-年費用最小法，線路工程折算到工程投運年的總投資簡化計算公式如式（5）。

式中：NF為年平均費用，平均分布在m+1 到m+n 期間的n 年內(nèi)；n 為工程的經(jīng)濟(jì)使用年限，a；r0為電力工業(yè)投資回報率，%；Z 為折算后的工程總投資，萬元；μ 為折算年運行費用，萬元，計算如式（6）。

式中：t 為從開工年起到計算年的年數(shù)，a；m 為工程施工年數(shù)，a；Zt為折算至t 年時的工程總投資，萬元。

折算年運行費用公式如式（7）。

式中：μ 為折算年運行費用，萬元；t0為工程部分投產(chǎn)的年份；μt為t 年運行費用，萬元。

根據(jù)工程的實際情況，最小年費用計算條件如下：①經(jīng)濟(jì)使用年限為40 a，施工期按2 a 計，前一年投資為60%，后一年投資為40%；②年最大負(fù)荷損耗小時數(shù)分別按2 500 h 計；③設(shè)備運行維護(hù)費率為1.4%；④電力工業(yè)投資回收率按8%計；⑤電價按0.45 元/kWh 計。

采用以上原則及邊界條件，計算各導(dǎo)線的年費用見表11。

表11 年費用比較表

由表11 可知：2 種導(dǎo)線中，低風(fēng)壓中強度全鋁合金絞線JLHA3X（DFY）-340（30°）年費用較低。

7 結(jié)論

（1）與同截面普通中強度全鋁合金導(dǎo)線相比，低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線的外徑相近，因此它們的電暈損耗、電磁環(huán)境（無線電干擾、可聽噪聲）等相似；由于導(dǎo)線材料的組成也相同，因此它們的電能損耗也相近。

（2）與同截面普通中強度全鋁合金導(dǎo)線相比，低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線的垂直荷載、縱向張力均與其相當(dāng)，但是由于低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線風(fēng)阻系數(shù)較小，其所受的風(fēng)荷載僅為普通中強度全鋁合金導(dǎo)線的69.4%。

（3）雖然低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線比同截面普通中強度全鋁合金導(dǎo)線單價高20%左右，但是由于其較優(yōu)的機械特性，當(dāng)使用低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線時，鐵塔耗鋼量僅為同截面普通中強度全鋁合金導(dǎo)線的93.5%，本體投資也較少。

（4）在風(fēng)速較低時，低風(fēng)壓導(dǎo)線的投資成本與普通導(dǎo)線相當(dāng)，但隨著風(fēng)速的增大，低風(fēng)壓導(dǎo)線與普通導(dǎo)線投資差值越來越大，其投資差值占整體投資的百分比也呈上升趨勢。

（5）在電價0.45 元/kWh 時，低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線較同截面普通中強度全鋁合金導(dǎo)線年費用減少1.8%，因此在全壽命周期內(nèi)，低風(fēng)壓中強度全鋁合金導(dǎo)線也較為經(jīng)濟(jì)。

（6）低風(fēng)壓導(dǎo)線由于其風(fēng)阻系數(shù)較小，對于在沿海等風(fēng)速較大的地區(qū)，其優(yōu)點更為突出。因此，在沿海等風(fēng)速較大的地區(qū)的輸電線路設(shè)計中，推薦采用低風(fēng)壓導(dǎo)線。