輸電線路新型節(jié)能導線的推廣應用

張瑞永，趙新宇，李明，許志勇，吳鎖平，賈振宏

(1.江蘇省電力設計院，南京市，211102;2.國家電網(wǎng)公司，北京市，100031; 3.江蘇省電力公司，南京市，210024)

0 引言

導線作為輸送功率的載體一直是輸電線路設計的核心內容。在新建輸電線路中，鋼芯鋁絞線應用較為廣泛，多年的運行實踐證明，鋼芯鋁絞線具有穩(wěn)定的機械、電氣性能，施工運行和維護方便，能夠較好地適應我國大部分地區(qū)的條件和環(huán)境。

近年來，經(jīng)濟和社會的發(fā)展對輸電線路導線提出了更高要求。依據(jù)文獻［1］對節(jié)能產(chǎn)品所作的定義和分類，輸電過程中節(jié)能效果明顯并具有合理投資回收期的導線均可納入節(jié)能導線的范疇［1-2］。符合節(jié)能導線概念的特種導線產(chǎn)品主要有耐熱鋁合金導線和軟鋁導線2大類［3-6］，受特殊工藝和結構材料的限制，這2類導線對施工運行要求高，僅適用于增容線路和局部示范工程。作為主線路使用的新型節(jié)能導線，高導電率鋼芯鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線節(jié)能效果好、全壽命周期費用低，具有取代常規(guī)鋼芯鋁絞線大面積推廣的價值。

1 新型節(jié)能導線

1.1 高導電率鋼芯鋁絞線

鋁的導電率與鋁的狀態(tài)、純度相關，根據(jù)相關研究，純鋁的極限導電率約為64%IACS，但高純鋁錠滿足不了目前架空鋁導線的市場需求，其價格、成本約為普通鋁錠的150%;而軟鋁導線在強度和表面硬度等方面存在缺陷，阻礙了其全面推廣使用。

在常規(guī)鋼芯鋁絞線的基礎上，通過晶粒細化、鋁線冷拉拔過程的低缺陷控制、敏感元素的精確控制，在保證鋁線強度滿足國標規(guī)定的條件下，鋁線導電率可以達到63%IACS。依此開發(fā)的高導電率鋼芯鋁絞線，承力構件采用鍍鋅鋼線，導體采用導電率為63% IACS的硬鋁線型，可以降低線路的電阻損耗，節(jié)能效益明顯，而其結構、機械性能及施工條件與普通鋼芯鋁絞線完全一致，根據(jù)目前制造成本及合理利潤測算，其價格高出普通鋼芯鋁絞線5%～10%。

1.2 鋁合金芯鋁絞線

鋁合金芯鋁絞線采用53%IACS的高強度鋁鎂硅鋁合金替代普通鋼芯鋁絞線中的鋼芯和部分鋁線，導線外部鋁線與普通鋼芯鋁絞線的鋁線相同［7］。在相同總截面積的條件下，基本無導電能力的9%IACS鋼芯被鋁合金芯替代，鋁合金芯鋁絞線的直流電阻比鋼芯鋁絞線小3%。鋁合金芯鋁絞線是鋁基體材質，可避免由于磁滯、渦流損耗帶來的電能損失，對于輸電線路的節(jié)能降耗具有積極意義;而且單一的鋁基體材質沒有多金屬的電化學腐蝕，耐腐蝕能力與鋼芯鋁鉸線相比有所提高。由于鋁合金芯鋁絞線單位長度質量輕，在滿足與普通鋼芯鋁鉸線相同載流量和對地高度的前提下，導線張力與垂直荷載可降低7%～10%。雖然鋁合金芯鋁絞線的價格比普通鋼芯鋁絞線高11%～18%，但該導線單位質量輕，其單位長度價格與普通鋼芯鋁絞線基本相同。

1.3 中強度全鋁合金絞線

文獻［8］中的LHA1和LHA2為高強鋁合金，導電率分別為52.5%IACS和53%IACS，與普通鋼芯鋁絞線相比，導線截面相同時直流電阻增大15%左右［9］。中強度全鋁合金絞線由于其在制造、設計、施工、運行等方面的諸多優(yōu)點，已在世界上許多國家的輸電線路上得到應用，通過采用非熱處理工藝生產(chǎn)的鋁合金導電率可達58.5%～59%IACS。在國內中強度全鋁合金絞線全部采用58.5%IACS鋁合金材料，具有交流電阻小、耐腐蝕性好等優(yōu)點。中強度全鋁合金絞線的單位質量價格高出普通鋼芯鋁絞線18%～26%;由于其單位質量輕、張力大，與等直徑的鋼芯鋁絞線相比可減少直線塔的數(shù)量，亦可降低呼高，但耐張塔耗鋼指標略有增加，用于小轉角的線路中經(jīng)濟性比較明顯。

2 技術特性比較

2.1 導線參數(shù)

參照文獻［8］和國家電網(wǎng)公司節(jié)能導線試點的相關資料，本文共選擇了4種630 mm2截面的導線進行比較，分別為:普通鋼芯鋁絞線JL/G1A－630/45、高導電率鋼芯鋁絞線JL(GD)/G1A－630/45、鋁合金芯鋁絞線JL/LHA1－465/210和中強度全鋁合金絞線JLHA3－675，各種導線的主要技術參數(shù)見表1。

表1 導線主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of conductor

2.2 電氣性能比較

2.2.1 電磁環(huán)境影響

線路電磁環(huán)境影響主要取決于電壓等級、導地線布置、導線外徑、分裂數(shù)、分裂半徑和表面粗糙度。對于同截面的普通鋼芯鋁絞線和新型節(jié)能導線，直徑略有差異，當其他參數(shù)相同時，各種導線電磁環(huán)境影響基本相當。

2.2.2 導線電阻

架空導線的交流電阻由導線的直流電阻及其在交流電流下電阻增大的部分組成。鋁合金芯鋁絞線交流電阻增大的原因，包括集膚效應和鄰近效應，而鋼芯鋁絞線交流電阻增大的原因，除了集膚效應和鄰近效應外，還有鋼芯磁滯、渦流損耗的原因。計算導線電阻溫度的換算系數(shù)，鋁線取4.0×10－31/℃、鋁合金線(52.5% IACS)取3.6×10－31/℃、中強度鋁合金線(58.5% IACS)取3.8×10－31/℃。當環(huán)境溫度為20℃、電流密度為0.9 A/mm2時，以摩根算法［10］計算的導線電阻見表2。

表2 導線電阻計算結果Tab.2 Calculation results of conductor resistance

由表2可以看出，節(jié)能導線的直流和交流電阻明顯小于普通鋼芯鋁絞線，其中高導電率鋼芯鋁絞線的直流節(jié)能效果最好;鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線沒有磁滯、渦流損耗，但其集膚效應比鋼芯鋁絞線大;當電流密度較小時，高導電率鋼芯鋁絞線的交流節(jié)能性能仍明顯優(yōu)于其他2種節(jié)能導線。

2.2.3 載流量

驗算導線的允許載流量時，鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線的允許溫度取為+70℃，必要時可取為+80℃，大跨越時取為+90℃。當環(huán)境溫度為35℃時，各導線允許的載流量見表3。

表3 允許載流量計算結果Tab.3 Calculation results of current carrying capacity

由表3可以看出，節(jié)能導線的直流允許載流量比普通鋼芯鋁絞線增加1.6%～1.9%;由于鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線沒有磁滯、渦流損耗，交流允許載流量提高3.5%～4.7%，而高導電率鋼芯鋁絞線在大電流時磁滯、渦流損耗大，因此交流允許載流量僅提高1.4%。

2.3 機械性能比較

各種導線的機械特性見表4。表4中導線風偏搖擺角的基本風速為27 m/s，覆冰過載能力按導線最低點應力達到其試驗張力的60%計算。

表4 機械特性比較Tab.4 Mechanical properties comparison

從表4可看出，高導電率鋼芯鋁絞線和普通鋼芯鋁絞線具有完全相同的機械特性;鋁合金芯鋁絞線的弧垂與普通鋼芯鋁絞線基本相等，但其覆冰過載能力略差;中強度全鋁合金絞線的拉重比較大，弧垂特性和覆冰過載能力較好。

鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線的垂直荷載相對鋼芯鋁絞線較小，導線的風偏搖擺角也相對較大，導線橫擔需加長;由于各導線的外徑基本相等，因此水平荷載相差不大;而中強度全鋁合金絞線的張力較大，當線路轉角數(shù)較多時，使用這種導線的經(jīng)濟性較差。

3 造價因素

3.1 導線價格

根據(jù)鋁錠和近期導線的招標價格，普通鋼芯鋁絞線JL/G1A－630/45可按17 520元/t計算。對于截面為4×630 mm2的典型500 kV雙回線路，測算的導線材料量及費用見表5。

由于導線自身質量及單價的差異，新型節(jié)能導線的費用總體上高于普通鋼芯鋁絞線;就3種新型節(jié)能導線而言，中強度全鋁合金絞線的導線費用相對較高，高導電率鋼芯鋁絞線居中，而鋁包鋼芯鋁絞線的導線費用較低，當該導線取下限價格時，其費用甚至低于普通鋼芯鋁絞線。

3.2 桿塔質量

國網(wǎng)公司發(fā)布的輸電線路通用設計主要針對鋼芯鋁絞線［11］，對于鋁合金芯鋁絞線、中強度全鋁合金絞線的部分桿塔會出現(xiàn)塔頭間隙和桿塔荷載不足的問題。

表5 導線用量及費用Tab.5 Consumptions and costs of conductor

以某500 kV交流雙回路線路工程為例，當基本風速為27 m/s、覆冰厚度為10 mm時，若采用通用設計塔型，鋼芯鋁絞線直線塔采用5E1模塊、耐張塔采用5E3模塊，鋁合金芯鋁絞線、中強度全鋁合金絞線則需要將部分塔頭間隙緊張的直線塔提高1級甚至采用5E3模塊，而中強度全鋁合金絞線的耐張塔則必須全部采用5E7模塊。采用通用設計塔型和按通用設計原則新設計塔型的耗鋼量見表6。

由表6可以看出，高導電率鋼芯鋁絞線與普通鋼芯鋁絞線的機械特性基本一致，可以直接采用通用設計塔型;后2種導線直接采用通用設計塔型的耗鋼指標較高，而新設計塔型的耗鋼指標有較大改善;由于中強度全鋁合金絞線的耐張塔質量較大，耐張塔越多則每km鐵塔耗鋼的指標越高。

表6 鐵塔耗鋼量Tab.6 Steel consumptions of tower

4 經(jīng)濟性比較

對于雙回輸送容量為3 732 MW的典型500 kV交流線路，當耐張塔比例為0.15、經(jīng)濟使用年限為30年、施工期為2年(第1年投資為60%、第2年投資為40%)、年最大損耗小時數(shù)為3 750 h、電力工程回收率為8%，3種絞線分別按上浮價格的8%、15%和22%計算，則新型節(jié)能導線的年費用和投資回收年限見表7。

表7 年費用和投資回收年限Tab.7 Comparisons of annual cost and payback period

從表7可以看出，節(jié)能導線相對普通鋼芯鋁絞線的經(jīng)濟性較好;當采用通用設計塔型時，高導電率鋼芯鋁絞線年費用最低;當采用新設計塔型時，高導電率鋼芯鋁絞線和鋁合金芯鋁絞線年費用相差不大，由于中強度全鋁合金絞線的導線本體投資較高、耐張塔質量較大，其年費用稍高;高導電率鋼芯鋁絞線和鋁合金芯鋁絞線1.5～4.7年即可回收投資，而中強度全鋁合金絞則需4.6～8.6年。

5 結語

高導電率鋼芯鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線具有節(jié)能效果好、全壽命周期費用低、無特殊施工運行要求，具有廣闊的應用前景。隨著技術的進步和產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，價格還有下降的空間，值得在主線路中大面積推廣。

對比3種節(jié)能導線后發(fā)現(xiàn)，高導電率鋼芯鋁絞線具有與普通鋼芯鋁絞線完全相同的機械特性，可以直接取代鋼芯鋁絞線使用;鋁合金芯鋁絞線的導線風偏角稍大，需校驗直線塔電氣間隙或重新設計塔型;中強度全鋁合金絞線的導線張力較大，耐張塔質量較大，更適用于山地大高差、大檔距等特殊地形和耐張塔比例少的線路中。

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