输电线路“插花”增容改造方案研究

李攀峰，冯 炳，吕建军

(国网绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000)

输电线路“插花”增容改造方案研究

李攀峰，冯 炳，吕建军

(国网绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000)

针对某220 kV单回架空线路增容改造工程，在原线路杆塔基础状况良好的情况下，提出了采用“插花”式立塔同时选用双分裂节能导线的改造方案。与采用直接更换耐热导线的改造方案进行导线对地距离、杆塔荷载、塔头间隙等方面的分析比较，最后利用全寿命周期内年费最小法进行技术经济分析，得出由于年电阻损耗较大，更换耐热导线方案的在年费用比较中并不占优，“插花”方案虽然需要增加一次性投资，但折合年费用时无疑为最优的改造方案。

增容改造；节能导线；技术经济；电阻损耗；年费用

随着社会经济的快速发展，电力的供需矛盾日益突出，电网中已建线路的输送容量不能满足日益增大的负荷要求等问题逐渐突出。对于建设年限相对较长，需要增容的线路，一般考虑拆除重建，但对于建设时间不长，原线路可以继续利用的情况下，则要选择好的增容改造方案。根据国内目前关于线路增容改造的相关研究，文献[1]主要侧重于根据实际运行环境，如环境温度、太阳辐射功率，风速等来计算应急增容情况下的导线输送容量；文献[2]分析了更换与原线路的导线有着相同或十分相近参数的增容耐热导线方案的技术经济性，未对利用老线路的改造方案进行进一步研究。对于耐热增容导线，由于其电阻损耗较大，在输送容量较大的情况下，每年线路电能损耗也非常大，如果从全寿命分析，可能不是最优方案。

浙江绍兴计划新建某220 kV单回输电线路，要求系统单回正常输送功率300 MW，极限输送功率450 MW，其中2 km利用已建单回线路。因旧线路导线输送容量已不能满足系统需要，项目单位要求尽可能利用该段原输电线路设施的前提下，通过技术手段对原线路进行增容改造。

1 改造方案的提出

经调查该旧线路设计导线型号为1×JL/G1A-400/35钢芯铝绞线，杆塔均为角钢铁塔，于2010年设计，设计标准按照2010年发布的《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》，本次改造参照原设计气象条件。因线路投运时间不长，经现场勘探，发现杆塔、基础状况良好。

为此，本文提出“插花”增容改造方案， 该方案是在利用原有线路杆塔的基础上，将原单根导线更换为大截面导线，为保持耐张塔所受张力相近，需将导线张力放松，相应的导线弧垂随之增加。同时，原线路杆塔水平荷载与垂直荷载均要增加，为保证原线路弧垂、杆塔的水平荷载、垂直荷载与原线路相同或者相近，则要求在原线路每两基杆塔之间插入1基直线塔。

本文将“插花”方案与更换耐热导线的方案进行技术经济比较，得出何种方案为更优的改造方案。原线路设计气象条件组合表见表1。

表1 原线路设计气象条件组合表

2 导线选择

根据系统正常运行输送功率为300 MW，由此算得每相导线的负荷电流为875 A，按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》，仍将原“水电部”1965年颁布的经济电流密度值作为参考，铝导线经济电流密度在最大负荷利用小时为3 000 h以下，3 000～5 000 h和5 000 h以上时分别为1.65、1.15和0.9。

本工程的最大负荷利用小时为5 000 h，通过计算得出的导线总截面不小于760 mm2，所以双分裂导线截面应选用2×400 mm2。对于大截面单导线，由于集肤效应影响，在满足极限输送容量的要求下，单导线截面需要1 200 mm2以上，考虑到制造、施工技术还不成熟等问题，本工程不考虑大截面单导线的选型。

根据国家电网基建(2013)99号《国家电网公司关于加强输电线路节能导线推广应用工作的通知》的要求，参照以往节能导线选型结果，在本工程气象条件下，双分裂导线直接选取中强度全铝合金绞线2×JLHA3-425，风偏小，弧垂小，尤其是节能效果明细[3,4]。

由于耐热导线不宜按经济密度选择，故按照极限输送功率为450 MW选择，此时每相导线的负荷电流为1 312 A。根据目前改造工程中耐热导线使用情况，本文选取常用的两种耐热导线作为比选方案，分别为碳纤维复合导线1×JRLX/T-400与钢芯耐热铝合金导线1×JLHNR58/G1A-400/35。 各种导线主要参数及输送功率见表2。

表2 各种导线主要参数及输送功率

3 两种方案的导线最小对地距离、杆塔荷载、塔身间隙比较

3.1 导线最小对地距离比较

在“插花”方案中，由于单根导线改为双分裂导线，在计算杆塔结构受力时，断线张力的取值不同。单导线耐张塔断线张力取最大使用张力的100%，双分裂耐张塔断线张力取最大使用张力的70%。为使双分裂导线耐张塔结构在断线工况验算受力不大于原单分裂导线耐张塔在断线工况验算受力相同， 即：

(1)

式中T0、K0——原线路导线的拉断力、安全系数；T1、K1——原线路导线的拉断力、安全系数。

考虑弧垂影响，经取整后“插花”方案中双分裂导线JLHA3-425安全系数取5.0。更换耐热导线方案中导线张力保持与原设计一致，碳纤维导线JRLX/T-400安全系数取3.5，钢芯耐热铝合金导线JLHNR58/G1A-400/35安全系数取2.5。参考本工程提供的资料，增容改造段线路长约2 km，共3基耐张塔，4基直线塔。杆塔明细表见表3。

表3 原线路杆塔明细表

可以看到6档线路中，有1号与2号档档线路档距为91 m，经断面排位分析1号耐张塔处于上拔状态，采用放松架设后弧垂最低点依然位于1号塔处。考虑到弧垂变化很小，且该档无重要交叉跨越，故1号与2号档不插入杆塔。其余5档均考虑插入直线塔，原线路直线塔水平档距在212～437 m，垂直档距85～444 m的方法，拟新建5基直线塔。

通过详细计算采用各方案下导线的对地距离，经校核均能满足跨越要求，计算结果见表4。原线路断面图和插花后线路断面图见图1、图2。

图1 原线路断面图

图2 插花后线路断面图

表4 改造前后导线最低点对地距离比较 m

注：改造方案二中导线对地距离为插入直线塔后两档中较低一档的对地距离。

3.2 杆塔荷载比较

分别选取3号耐张塔、4号直线塔，计算两基塔改造前后的导线中相挂点所受最大荷载。见表5、表6所示。

表5 3号转角塔改造前后导线中相挂点所受荷载标准值 N

表6 4号直线塔改造前后导线中相挂点所受荷载标准值 N

从计算结果中可以看出，通过对安全系数的控制，两种方案下的直线塔、耐张塔中相导线挂点受力均与原设计较为接近，同时可以看出，其中采用 “插花”方案时最大纵向荷载明显低于原设计挂点受力，该最大纵向荷载一般对应工况为断线情况。

3.3 塔头电气间隙圆分析

不同增容方案导线在各工况下的风偏角计算结果如表7所示。

表7 不同方案下导线的最大风偏角

可知，采用更换耐热导线的方案时，两种导线各工况下的风偏均在原杆塔的允许范围内。采用“插花”方案时，导线最大风偏角增加约7.4%，因此有必要对原直线塔塔头间隙进行校核。根据规范要求，针对本工程设计条件，分别绘制了插花方案双分裂导线不同排列方式下的电气间隙圆，并与原设计方案间隙圆进行了对比(见图3)。可知，插花方案双分裂导线如采用垂直排列方式，分裂间距取400 mm时，在其垂直方向的间隙相比原设计方案增加400 mm，水平方向的间隙增加380 mm。经校验，原杆塔塔头层高与横担长度均无法满足电气距离的要求，因此不推荐垂直排列分裂方式。插花方案双分裂导线采用水平排列方式，分裂间距仍取400 mm，在其垂直方向的间隙与原设计方案相同，水平方向的间隙增加约260 mm。经校验，原杆塔塔头层高满足要求，上下横担的长度稍显不足。但可通过加挂重锤的方法来适当减小导线风偏，解决水平方向电气距离不足的问题。因此，本工程插花方案分裂导线推荐采用水平排列方式布置。

图3 插花方案导线不同排列方式间隙圆图

对于耐张塔，跳线可以采用防风偏固定跳线绝缘子，插花方案更换双分裂导线不会对其塔头间隙圆产生影响。

4 增容改造方案的全寿命周期经济比较

对两种方案进行全寿命周期内等值年费用进行比较，得出年费用最优的改造方案。

4.1 “插花”方案杆塔基础配置

根据本工程气象条件及杆塔使用条件，专项规划了 “插花”方案中使用的直线塔2B-ZMCH，杆塔呼高为27～33 m，基础采用板式基础，基础形式为PD2252+0.5，具体指标见表8、表9。

表8 “插花”方案的杆塔指标表

表9 “插花”方案的基础指标表

4.2 两种改造方案新增材料费用

采用直接更换耐热导线时，只需考虑新增导线的材料费用，采用 “插花”时，需要考虑新建5基杆塔、基础及双分裂导线的费用，材料数量、单价、费用见表10。

表10 不同改造方案的材料费用

4.3 导线电阻损耗的计算

导线的损耗与输电线路的年运行费用的关系较大，是衡量其技术经济性的重要指标。一般线路损耗主要包括导线电阻损耗和电晕损耗。根据公式计算和实测数据，可以得出低海拔地区高压输电线路电晕损耗一般不超电阻损耗的5%，且线径和分裂间距相近时，电晕损耗相差非常小。故本文仅对占主要地位的电阻损耗进行计算分析，见表11。

表11 各种改造方案的不同输送功率下的电阻损耗 kW/km

注：(1)环境温度均为本地年平均气温(15℃)。 (2)正常输送功率为300 MW，计算时考虑按正常输送功率的110%、100%、90%、80%、70%、60% 6种组合。

分别计算出不同输送功率下的导线的电阻损耗，可以看出两种耐热导线的电阻损耗明显大于中强度全铝合金绞线，耐热导线中采用碳纤维复合芯软铝绞线的损耗次之，采用钢芯耐热铝合金绞线的损耗最大。

4.4 等值年费用的计算

年费用最小法是工程方案比较常用的比较方法，是用折算年费用评选工程方案。年费用法能反映工程投资的合理性、经济性。年费用包含初次年费用、年运行维护费用、电能损耗费用及资金的利息。年费用的计算结果如表12所示。不同制方案的年费用比较如图4所示。

折算到工程投运年的总投资：

(2)

式中NF——年平均费用(万元) (平均分布在m+1到m+n期间的n年内)；n——工程的经济使用年限；Z——折算后的工程总投资(万元)。

(3)

式中t——从开工这一年起到计算年的年数；m——工程施工年数；Z——第年的建设投资(万元)；r0——电力工业投资回收率；μ——折算年运行费用(万元)。

(4)

式中t0——工程部分投产的年份；ut——运行费用(万元)。

根据本工程的实际情况，进行最小年费用计算条件如下：

(1)经济使用年限为30年，施工期按2年计，前一年投资为60%，后一年投资为40%。

(2)电网的最大负荷利用小时数按5 000计算时，功率因数0.9，对应最大负载损耗小时为3 400 h。

(3)设备运行维护费率为1.4%。

(4)电力工程回收率按工程投资的8%计。

(5)电价按当地实际上网电价0.45元/kWh计。

表12 年费用计算结果

图4 不同改造方案的年费用比较

由表12可见， 由于本工程年损耗小时比较高，计及年损耗费用和利率后，“插花”方案的年费用明显低于更换耐热导线方案，从而等值年费用最优，具有较强的经济性。

5 结语

对于一般增容改造架空线路，直接更换耐热导线是惯用的改造方案。但在极限输送负荷不大而年最大负荷利用小时很大的线路中，如原线路档距中央有适宜立塔的条件，采用双分裂节能导线的“插花”方案具有明显的经济性。尽管相对更换耐热导线增加了部分一次性投资，但其在全寿命周期带来的利益十分可观。

对于不同负荷特性的线路，计算结果可能存在差异，例如在极限输送负荷很大而年最大负荷利用小时很小的线路中，可能直接更换耐热导线是最经济的方案。

[1]

彭向阳. 架空送电线路特殊增容运行研究[J].中国电力,2010(1)：40-42.

PENG Xiang-yang. Study on raising transmission capability of overhead transmission line in special operation condition[J]. ELECTRIC POWER,2010(1): 40-42.

[2]潘春平. 输电线路增容改造工程导线选型的技术经济性分析[J].南方电网技术,2014(8)：110-113.

PAN Chun-ping. Analysis on the technical economy characters of conductor selection for transmission line reconstruction projects[J]. Southern Power System Technology,2014(8)：110-113.

[3]丁广鑫.节能导线在输电线路中的应用分析[J].电网技术,2012(8)：36-37.

DING Guang-xin. Analysis on application of energy-saving conductors in transmission lines[J]. Power System Technology,2012(8)：36-37.

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BU Chun-lei. Selection of aluminium cable steel reinforced with large cross-section in UHVDC power transmission lines[J]. Electric Power Construction,2013(9)：103-104.

(本文编辑：严 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，工程师，注册电气工程师，从事输电线路设计工作。

TM75

A

2095-1256(2016)06-0673-05

2016-09-11