幾種邊界條件對(duì)節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用的影響分析

雷 強(qiáng)，張家倩，王義芳，金 淼，黃 健

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院，合肥市230601)

0 引 言

導(dǎo)線的選擇是解決高壓輸電關(guān)鍵技術(shù)的重要課題，它對(duì)線路的輸送容量、電能損耗、傳輸特性、環(huán)境問(wèn)題、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有很大的影響，導(dǎo)線選擇的目標(biāo)是確保工程的經(jīng)濟(jì)、可靠性和滿足環(huán)保要求。因此，導(dǎo)線合理選擇對(duì)高壓輸電線路降低工程造價(jià)及運(yùn)行損耗具有十分深遠(yuǎn)的意義。

普通的鋼芯鋁絞線JL/G1A 在國(guó)內(nèi)有較豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但其鋁線的導(dǎo)電率僅為61%IACS，使得線路電能損耗較高，機(jī)械特性一致且電能損耗較低的節(jié)能導(dǎo)線便應(yīng)運(yùn)而生。

為將更多的新技術(shù)、新材料、新工藝應(yīng)用到電網(wǎng)建設(shè)中，國(guó)家電網(wǎng)公司先后發(fā)出關(guān)于節(jié)能導(dǎo)線推廣應(yīng)用的通知《關(guān)于開展輸電線路節(jié)能導(dǎo)線試點(diǎn)應(yīng)用工作的通知》(基建設(shè)計(jì)［2012］18 號(hào))、《關(guān)于組織推薦基建推廣應(yīng)用新技術(shù)的通知》(基建設(shè)計(jì)［2012］64 號(hào))、《關(guān)于加強(qiáng)輸電線路節(jié)能導(dǎo)線推廣應(yīng)用工作的通知》(基建設(shè)計(jì)［2013］99 號(hào))，并已在各地開展應(yīng)用節(jié)能導(dǎo)線試點(diǎn)工程的導(dǎo)線選型工作。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2012年全國(guó)范圍內(nèi)參與節(jié)能導(dǎo)線試點(diǎn)工作的工程(110 kV 及以上)的數(shù)量為30個(gè)，2013年達(dá)451個(gè)。

導(dǎo)線的年費(fèi)用與線路輸送容量、電價(jià)、導(dǎo)線市價(jià)等因素有重要關(guān)聯(lián)。本文以某典型2 710 氣象區(qū)的500 kV 交流雙回路線路工程為算例，根據(jù)年費(fèi)用最小法，分別以輸送容量、電價(jià)、導(dǎo)線市價(jià)為邊界條件，分析線路中3 種節(jié)能導(dǎo)線的年費(fèi)用。

1 工程相關(guān)系統(tǒng)條件及參選導(dǎo)線

以下為本文分析的某典型的500 kV 交流雙回路線路工程的參考系統(tǒng)條件及參選導(dǎo)線。

(1)電壓等級(jí):500 kV;

(2)回路數(shù):雙回;

(3)輸送容量:(2×500 MW)～(2×2 000 MW);

(4)最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù):5 000 h;

(5)年損耗小時(shí)數(shù):3 200 h;

(6)計(jì)算電價(jià):0.25 ～0.55元/(kW·h);

(7)參選導(dǎo)線型式:本文選擇了4 種4 × 630 mm2截面規(guī)格的導(dǎo)線方案進(jìn)行比較分析，分別為普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45、鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線4 × JL4/G1A-630/45、鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210、中強(qiáng)度全鋁合金絞線4 ×JLHA3-675。

文獻(xiàn)［1］介紹了節(jié)能導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及節(jié)能原理，導(dǎo)線參數(shù)參考文獻(xiàn)［2 －5］，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 參選導(dǎo)線參數(shù)Tab.1 Parameters of optional wires

2 各導(dǎo)線方案電能損耗計(jì)算

線路全年電阻電能損失計(jì)算如下:

式中:PZ為電阻電能損失，萬(wàn)kW ·h /km;I 為線路額定電流;k 為交直流電阻比(根據(jù)節(jié)徑比法［6］求得);R 為導(dǎo)線直流電阻，Ω/km(20 ℃時(shí));τ 為年損耗小時(shí)數(shù)，取3 200 h;N 為導(dǎo)線分裂根數(shù)，取4 根;CR為直流電阻隨溫度變化的增大系數(shù)，CR=1 +α(θ－20)，α為導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)，θ 為達(dá)到額定電流時(shí)的導(dǎo)線溫度(參考摩根算法［7］)。

各導(dǎo)線全年電能損耗(考慮電暈損耗為電阻損耗的5%)計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2 可知，3 種節(jié)能導(dǎo)線方案均具備一定的節(jié)能效果，在本工程邊界條件下鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 節(jié)能效果最明顯。

3 各導(dǎo)線方案本體投資

3.1 導(dǎo)線市價(jià)差異

參考各導(dǎo)線目前的市場(chǎng)單價(jià)，各參選導(dǎo)線市價(jià)分別為:鋼芯鋁絞線JL/G1A-630/45 為17 520元/t(以該導(dǎo)線為基準(zhǔn)100% /km)，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL4/G1A-630/45 為19 500元/t(111% /km)，鋁合金芯鋁絞線JL1/LHA1-465/210 為19 680元/t(101% /km)，中強(qiáng)度鋁合金JLHA3-675 為21 200元/t(108% /km)。

3.2 桿塔與基礎(chǔ)投資差異

本文分析依據(jù)的500 kV 交流雙回線路工程，直線塔采用國(guó)家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)(2011年版)［8］中5E1 模塊，耐張塔采用5E3 模塊。并以國(guó)家電網(wǎng)公司通用造價(jià)5G 方案(2010年版)［9］為依托，耐張比例為16%。

對(duì)參選導(dǎo)線方案進(jìn)行線路的桿塔優(yōu)化排位可知:

(1)鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線4 × JL4/G1A-630/45由于機(jī)械特性與普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45一致，無(wú)須增加桿塔與基礎(chǔ)投資［10］;

表2 參選導(dǎo)線方案的雙回路全年電能損耗Tab.2 Annual power loss of optional wires in double－loop line

(2)鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 由于荷載、張力略小，風(fēng)偏、弧垂較大，在使用前述國(guó)家電網(wǎng)公司典型設(shè)計(jì)塔型的情況下，采用該導(dǎo)線方案較鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 需增加部分直線塔的呼高或加大直線塔塔型(以滿足桿塔Kv值)，使桿塔和基礎(chǔ)投資均有增加;

(3)中強(qiáng)度鋁合金4×JLHA3-675 在正常放線的情況導(dǎo)線張力較大，需對(duì)耐張塔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或可考慮將其放松架線(安全系數(shù)取2.75)以適用對(duì)應(yīng)國(guó)家電網(wǎng)公司典型設(shè)計(jì)塔型，且采用中強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線風(fēng)偏仍略高，需加大部分直線塔塔型，使桿塔和基礎(chǔ)投資均有增加［11］。

3.3 參選導(dǎo)線方案本體投資

綜合考慮各導(dǎo)線方案的導(dǎo)線、塔材、混凝土、基礎(chǔ)鋼材等指標(biāo)，各導(dǎo)線方案的本體投資(差異部分)對(duì)比見表3。計(jì)算時(shí)，導(dǎo)線單價(jià)為參考市場(chǎng)價(jià)，塔材費(fèi)用按1萬(wàn)元/t 計(jì)，含安裝費(fèi)用;混凝土按0.26萬(wàn)元/m3計(jì)，含安裝費(fèi)用;基礎(chǔ)鋼材按0.5萬(wàn)元/m3計(jì)，含安裝費(fèi)用。

表3 參選導(dǎo)線方案本體投資對(duì)比Tab.3 Ontology investment comparison of optional wires

4 不同輸送容量的節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用分析

根據(jù)不同工程的系統(tǒng)潮流，線路輸送容量往往有所差異。以施工年數(shù)為2 a，工程使用壽命為40 a，工程投資回收率為8%作為工程建設(shè)參數(shù)，分析不同輸送容量時(shí)節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用。同時(shí)參考安徽地區(qū)目前的上網(wǎng)電價(jià)，計(jì)算電價(jià)取0.4元/(kW·h);導(dǎo)線方案本體投資(差異部分)見第3 節(jié)(各導(dǎo)線價(jià)格取目前市場(chǎng)參考價(jià))。不同輸送容量的節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用值對(duì)比(以鋼芯鋁絞線4×JL/G1A-630/45 為基準(zhǔn))如圖1 所示。

圖1 不同輸送容量的節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用對(duì)比(電價(jià)為0.4元/(kW·h)，導(dǎo)線價(jià)格取目前市價(jià))Fig.1 Annual cost of optional wires with different transmissioncapacity (electricity price is ￥0.4/(kW·h)，wire price is current market price)

從圖1 可以看出，隨著線路輸送容量的提高，節(jié)能導(dǎo)線的年費(fèi)用逐漸減少。

對(duì)于鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45，由于該導(dǎo)線生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，目前市場(chǎng)單價(jià)較高，因此線路輸送容量為2 ×500 ～2 ×1 500 MW 時(shí)，其年費(fèi)用較普通鋼芯鋁絞線并無(wú)優(yōu)勢(shì)，而在輸送容量大于2 ×1 500 MW 時(shí)其年費(fèi)用優(yōu)勢(shì)才得以體現(xiàn)。

對(duì)于鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210，由于其導(dǎo)線單價(jià)較低，節(jié)能效果最明顯。在輸送容量大于2 ×650 MW時(shí)，年費(fèi)用在參選導(dǎo)線方案中最低。

對(duì)于中強(qiáng)度鋁合金4 ×JLHA3-675，在輸送容量為2 ×500 MW-2 ×1 200 MW 時(shí)該導(dǎo)線年費(fèi)用并無(wú)優(yōu)勢(shì)，在輸送容量大于2 ×1 200 MW 時(shí)其年費(fèi)用比普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低。

從不同輸送容量的節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用分析可知，各導(dǎo)線方案在一定的輸送容量下均具備一定的優(yōu)勢(shì)?？紤]到500 kV 雙回線路輸送容量通常大于2 ×650 MW，故鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210的年費(fèi)用在參選導(dǎo)線中優(yōu)勢(shì)最明顯。

5 不同電價(jià)的節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用分析

考慮到各地區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)有所差異且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而全壽命周期內(nèi)導(dǎo)線電能損耗的價(jià)值與電價(jià)息息相關(guān)，故不同電價(jià)將影響導(dǎo)線年費(fèi)用的變化?？紤]該線路正常輸送容量為2×1 500 MW(工程建設(shè)參數(shù)、導(dǎo)線市價(jià)同第4 節(jié))，不同電價(jià)的節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用值對(duì)比(以鋼芯鋁絞線4×JL/G1A-630/45 為基準(zhǔn))如圖2 所示。

圖2 不同電價(jià)的節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用(輸送容量為2 ×1 500 MW，導(dǎo)線價(jià)格取目前市價(jià))Fig.2 Annual cost of optional wires with different electricity price (transmission capacity is 2 ×1500 MW，wire price is current market price)

從圖2 可以看出，隨著電價(jià)的增長(zhǎng)，各節(jié)能導(dǎo)線的年費(fèi)用也相對(duì)減少。

由于目前市場(chǎng)單價(jià)較高，電價(jià)低于0.4元/(kW·h)的情況下，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線4 × JL4/G1A-630/45 的年費(fèi)用并無(wú)優(yōu)勢(shì);電價(jià)高于0.4元/(kW·h)的情況下，其年費(fèi)用開始較鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低。

鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 由于導(dǎo)線單價(jià)較低，節(jié)能效果最明顯。在上述電價(jià)范圍內(nèi)，其年費(fèi)用較鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低1.4% ～2.4%，在節(jié)能導(dǎo)線中年費(fèi)用最低。

中強(qiáng)度鋁合金4 ×JLHA3-675 也具備一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，在上述電價(jià)范圍內(nèi)，其年費(fèi)用較鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低0.1% ～1.5%。

各導(dǎo)線方案在正常輸送容量為2 ×1500 MW、導(dǎo)線價(jià)格取目前市價(jià)的情況下，從不同電價(jià)對(duì)應(yīng)的節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用分析可知，鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210年費(fèi)用最優(yōu)。

6 導(dǎo)線市價(jià)浮動(dòng)對(duì)年費(fèi)用的影響分析

由于節(jié)能導(dǎo)線目前正在推廣應(yīng)用期間，有關(guān)生產(chǎn)工藝及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制有待完善。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，將會(huì)有更多的生產(chǎn)廠家投入到節(jié)能導(dǎo)線的市場(chǎng)，節(jié)能導(dǎo)線的市價(jià)將有下降的空間［12］。

以下考慮普通鋼芯鋁絞線JL/G1A-630/45 的價(jià)格維持在目前市價(jià)17 520元/t，無(wú)較大浮動(dòng)，而其余3種節(jié)能導(dǎo)線價(jià)格均在各自目前市價(jià)的+2%至－10%之間浮動(dòng)。工程建設(shè)參數(shù)同第4 節(jié)，輸送容量取2×1 500 MW，電價(jià)取0.4元/(kW·h)。導(dǎo)線市價(jià)浮動(dòng)對(duì)各導(dǎo)線年費(fèi)用的影響分析如圖3 所示。

圖3 導(dǎo)線市價(jià)浮動(dòng)變化對(duì)應(yīng)的節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用(輸送容量為2 ×1 500 MW，電價(jià)為0.4元/(kW·h))Fig.3 Annual cost of optional wires with price fluctuations(transmission capacity is 2 ×1500 MW，electricity price is￥0.4/(kW·h))

由圖3 可知，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45 在導(dǎo)線市價(jià)浮動(dòng)為0%至+2%范圍增長(zhǎng)時(shí)，其年費(fèi)用較普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 高，在0 至10%范圍下降時(shí)其年費(fèi)用較低;鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210 及中強(qiáng)度鋁合金4 ×JLHA3-675 在上述市價(jià)浮動(dòng)范圍時(shí)，年費(fèi)用均較普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低。

如果各節(jié)能導(dǎo)線市價(jià)均為相同的跌幅，則鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 的年費(fèi)用最低。

如果考慮各節(jié)能導(dǎo)線的市價(jià)浮動(dòng)在不一致的情況下，欲達(dá)到同樣的年費(fèi)用水平，則鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45 的市價(jià)需較鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 多下降12個(gè)百分點(diǎn)，中強(qiáng)度鋁合金4 ×JLHA3-675 的市價(jià)需較鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 多下降7個(gè)百分點(diǎn)。

7 結(jié) 論

在典型2 710 氣象區(qū)的500 kV 交流雙回路線路工程中，3 種節(jié)能導(dǎo)線均可使用國(guó)家電網(wǎng)公司典型設(shè)計(jì)塔型，且均具備一定的節(jié)能效果。

以輸送容量為邊界條件分析(以普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 為基準(zhǔn)比較)，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45 導(dǎo)線目前市價(jià)較高，其年費(fèi)用在線路輸送容量大于2 ×1 500 MW 才開始顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì);鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210 節(jié)能效果最明顯，年費(fèi)用在3 種節(jié)能導(dǎo)線中最低;中強(qiáng)度鋁合金4 ×JLHA3-675 的年費(fèi)用在線路輸送容量大于2 ×1250 MW 才開始具備優(yōu)勢(shì)。

以不同電價(jià)為邊界條件分析(以普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 為基準(zhǔn)比較)，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45 導(dǎo)線方案僅在電價(jià)高于0.4元/(kW·h)情況下，其年費(fèi)用較低;鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210 在電價(jià)為0.25元/(kW·h)甚至更低的情況下其年費(fèi)用仍較低;中強(qiáng)度鋁合金4 × JLHA3-675 的年費(fèi)用僅在電價(jià)高于0.25元/(kW·h)的情況下其年費(fèi)用較低。

以導(dǎo)線市價(jià)為邊界條件分析，如果各節(jié)能導(dǎo)線當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格均為相同的跌幅，則鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210年費(fèi)用最低;如果考慮各節(jié)能導(dǎo)線的市價(jià)浮動(dòng)在不一致的情況下欲達(dá)到同樣的年費(fèi)用水平，則鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45的市價(jià)需較鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210多下降12%，中強(qiáng)度鋁合金4 ×JLHA3-675 的市價(jià)需較鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210 多下降7%。

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