低风压导线在输电线路中的应用

廖宝文 张强 陈宇 范冰

（1 中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003 2 中国电建集团国际工程有限公司 北京 100036）

0 引言

国家电网公司推行全寿命周期最优化设计。近年来，国家电网公司加强基建设计和技术管理，大力提倡科技创新提高电网建设设计水平，积极应用新技术、新材料，减少工程建设对自然环境的影响［1］。

导线是输电线路实现输电功能的载体，在架空输电线路中导线受到的风压大概占输电线路受到风压的50%～70%，这就使得支撑导线的杆塔在本身承受风荷载的基础上，还必须承载导线传递过来的风荷载。导线的风压对铁塔的强度和基础的设计有着很大的影响，因此降低导线的风压对于降低线路工程造价及提供的安全可靠运行具有重要的意义。

本文介绍一种低风压导线在线路工程中的应用，选取低风压中强度全铝合金导线和普通中强度全铝合金导线，在电气特性、机械特性、经济特性、全寿命周期等方面进行比较，提出在沿海等大风地区推荐使用低风压导线的技术观点。

1 导线结构特点

低风压导线应用于电力系统输电领域，是一种架空导线用的新型导线。与传统导线等外径的前提下，低风压导线最外层采用型线结构及V 形沟槽形式，使导线表面形成一定的粗糙度，降低导线的阻力系数，从而降低了导线的风压，其结构如图1 所示。

图1 低风压导线结构图

根据流体力学理论，对于层流风中的导线类圆柱状物体来说，其受到风速方向的导线单位长度的作用力如式（1）［2］。

式中：F 为导线单位长度上受到的风压作用力，ρ 为空气密度（常数），D 为导线的直径（与导线的截面和线型有关），V 为风速（常数），Cd为阻力系数（也即导线表面粗糙度）。

根据公式（1），在自然环境确定的条件下，即空气密度（ρ）和风速（V）已知的前提下，导线单位长度的作用（F）与导线的直径（D）和阻力系数（Cd）成正比。低风压导线通过将导线最外层采用型线结构和V 形沟槽的方法降低导线的阻力系数来降低导线所受的风压。

2 导线参数

以与普通中强度全铝合金导线的输电能力基本相当为原则，按等截面的要求，选取相应的低风压导线。本文以某一典型的沿海110 kV 线路工程为例进行分析，因此所选择参与比选的两种导线分别为JLHA3X（DFY）-340（30°）低风压中强度全铝合金导线和JLHA3-335 中强度全铝合金导线。比选参数见表1。

表1 导线型号及特性

3 导线电气性能比较

比较所采用的条件为：输送容量120 MVA。

通过对导线的电磁场、无线电干扰、可听噪声的计算分析［3-6］，可知导线对地距离越大，导线电场强度、磁场强度、无线电干扰、可听噪声越小，导线的外径越大，表面场强越小。本文选取对比的2 种导线外径相当，因此它们的电场强度、磁场强度、无线电干扰、可听噪声相似。

3.1 载流量比较

计算载流量公式［7-8］如式（2）。

式中：I 为允许载流量，A；WR为单位长度导线的辐射散热功率，W/m；WF为单位长度导线的对流散热功率，W/m；WS为单位长度导线的日照吸热功率，W/m；R′为允许温度是单位长度导线的电阻，Ω/km。

式（2）中WR、WF、WS按照标准中的公式计算；计算电阻损耗时，导线允许温度采用80 ℃，风速V 取值0.5 m/s，日照强度JS 取值为1 000 W/m2，导线表面辐射散热系数E 取0.9，导线表面吸热系数αs 取0.9，波尔茨曼常数S 取值5.67×10-8W/m2；环境温度为40 ℃；电阻温度系数α 取0.003 86。交直流电阻比按照标准《裸线载流量计算方法》（JCS0374—2003）［10］进行计算。2 种导线载流量如表2 所示。

表2 允许电流值（单根，环温40 ℃，线温80 ℃）单位∶A

由表2 可知，在环温40 ℃、线温80 ℃时，上述2 种导线载流量相当。

3.2 电能损耗

单回交流输电线路的电能损耗计算如式（3）。

式中：WQ为功率热损耗，MW/km；N 为分裂根数；I 为单回路每根导线的额定工作电流，A；re为导线的交流电阻，Ω/km。

各种导线结构的电能损耗见表3。

表3 各种导线结构的电能损耗（输送容量120 MVA，环温40 ℃）

从表3 可看出，2 种导线能耗相当。

4 导线机械性能比较

4.1 导线弧垂特性

本文比较所采用的条件为：基本风速37 m/s、覆冰0 mm。

参与比选的各导线机械性能的计算结果［8］见表4。

由表4 可知：2 种导线弧垂特性相当。

表4 导线机械性能一览表

4.2 导线荷载比较

参与比选的各导线荷载的计算结果［8］见表5（计算条件为37 m/s 风速、无覆冰）。

表5 导线荷载一览表

以37 m/s 风速0 mm 覆冰的气象条件为例，从垂直荷重、纵向最大张力来看，2 种导线相当。

从水平荷重来看，低风压中强度全铝合金导线仅为普通中强度全铝合金导线的69.34%，这主要是由于低风压导线的体型系数较小。

无冰风荷载的公式如式（4）。

式中：g4为大风时线条风荷重，v 为最大风速，d 为导线外径，α为电线风压不均匀系数，μsc为电线体型系数。

由公式（4）可知：在风速相同的情况下，导线所受的大风时线条风荷重与导线的外径和体型系数成正比。因此在任何风速下，低风压导线的线条风荷重与普通导线的比值是不变的。

5 不同风速下导线经济性比较

在不同设计风速条件下，由于导线机械特性、材质各异，除导线本身的成本外，单位钢耗量、单位混凝土量等也各不相同，因而2 种导线结构的本体投资是不一样的。

5.1 导线用量计算

根据目前导线的市场报价，各种导线结构的每公里材料量列于表6。

由表6 可知：低风压中强度全铝合金绞线JLHA3X（DFY）-340（30°）费用略高。

表6 导线的材料量及费用

5.2 不同风速下工程材料耗量与工程费用比较

各种导线的工程材料耗量与工程费用比较见表7～表10。

由表7～表10 可以看出，随着风速的增大，工程的耗钢量、混凝土量等指标也随着增长，这是由于所受风荷载增加引起的；相同风速的工况下，低风压中强度全铝合金绞线JLHA3X（DFY）-340（30°）耗钢指标与混凝土指标等较低，这主要由其良好机械性能（水平荷载较低）所决定。

表7 工程材料耗量与工程费用对比表（一）

表8 工程材料耗量与工程费用对比表（二）

表9 工程材料耗量与工程费用对比表（三）

表10 工程材料耗量与工程费用对比表（四）

11 种风速下普通中强度全铝合金绞线和低风压中强度全铝合金绞线的本体投资比较如图2 和图3。

图2 2 种导线本体投资比较

图3 2 种导线本体投资差值及投资差值占本体投资百分比

由图2～图3 可看出，在23 m/s 的工况下，低风压导线本体投资与普通导线相当，但随着风速的增大，低风压导线较普通导线的投资差值越来越大，且其投资差值占本体投资的百分比也随着风速的增大而增大。

6 全寿命周期分析

按电力工业部（82）电计字第44 号文《颁发“电力工程经济分析暂行条例”的通知》第十五条经济计算-年费用最小法，线路工程折算到工程投运年的总投资简化计算公式如式（5）。

式中：NF为年平均费用，平均分布在m+1 到m+n 期间的n 年内；n 为工程的经济使用年限，a；r0为电力工业投资回报率，%；Z 为折算后的工程总投资，万元；μ 为折算年运行费用，万元，计算如式（6）。

式中：t 为从开工年起到计算年的年数，a；m 为工程施工年数，a；Zt为折算至t 年时的工程总投资，万元。

折算年运行费用公式如式（7）。

式中：μ 为折算年运行费用，万元；t0为工程部分投产的年份；μt为t 年运行费用，万元。

根据工程的实际情况，最小年费用计算条件如下：①经济使用年限为40 a，施工期按2 a 计，前一年投资为60%，后一年投资为40%；②年最大负荷损耗小时数分别按2 500 h 计；③设备运行维护费率为1.4%；④电力工业投资回收率按8%计；⑤电价按0.45 元/kWh 计。

采用以上原则及边界条件，计算各导线的年费用见表11。

表11 年费用比较表

由表11 可知：2 种导线中，低风压中强度全铝合金绞线JLHA3X（DFY）-340（30°）年费用较低。

7 结论

（1）与同截面普通中强度全铝合金导线相比，低风压中强度全铝合金导线的外径相近，因此它们的电晕损耗、电磁环境（无线电干扰、可听噪声）等相似；由于导线材料的组成也相同，因此它们的电能损耗也相近。

（2）与同截面普通中强度全铝合金导线相比，低风压中强度全铝合金导线的垂直荷载、纵向张力均与其相当，但是由于低风压中强度全铝合金导线风阻系数较小，其所受的风荷载仅为普通中强度全铝合金导线的69.4%。

（3）虽然低风压中强度全铝合金导线比同截面普通中强度全铝合金导线单价高20%左右，但是由于其较优的机械特性，当使用低风压中强度全铝合金导线时，铁塔耗钢量仅为同截面普通中强度全铝合金导线的93.5%，本体投资也较少。

（4）在风速较低时，低风压导线的投资成本与普通导线相当，但随着风速的增大，低风压导线与普通导线投资差值越来越大，其投资差值占整体投资的百分比也呈上升趋势。

（5）在电价0.45 元/kWh 时，低风压中强度全铝合金导线较同截面普通中强度全铝合金导线年费用减少1.8%，因此在全寿命周期内，低风压中强度全铝合金导线也较为经济。

（6）低风压导线由于其风阻系数较小，对于在沿海等风速较大的地区，其优点更为突出。因此，在沿海等风速较大的地区的输电线路设计中，推荐采用低风压导线。