輸電線路節(jié)能導(dǎo)線選型研究

張思祥，胡俊鵬

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

1 節(jié)能導(dǎo)線簡(jiǎn)介

隨著高導(dǎo)電率硬鋁和各種鋁合金材料生產(chǎn)技術(shù)和工藝的日臻成熟，目前國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線、鋁合金芯（高導(dǎo)電率）鋁絞線和中強(qiáng)度鋁合金絞線等新型節(jié)能導(dǎo)線。高導(dǎo)硬鋁相對(duì)于電工硬鋁（LY9）導(dǎo)電率由61%IACS提高至61.5%～63%IACS（JL1—61.5% ，JL2—62% ，JL3—62.5% ，JL4—63% ），但機(jī)械性能沒有降低。鋁合金線材除了廣泛應(yīng)用的高強(qiáng)度鋁鎂硅稀土合金LHA1（52.5%IACS）和LHA2（53%IACS）外，還有近年來逐步推廣的中強(qiáng)度鋁合金 LHA3（58.5%IACS）。

1）鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線采用高導(dǎo)硬鋁（JL1—JL4）替代了原來鋼芯鋁絞線中的電工硬鋁（LY9），電阻率降低但導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能沒有變化。

2）鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線采用高強(qiáng)鋁合金芯（LHA1或LHA2）替代鋼芯鋁絞線的鋼芯和部分硬鋁（LY9），同時(shí)采用高導(dǎo)電率硬鋁（JL1—JL4）代替其他電工硬鋁（LY9），電阻降低但機(jī)械強(qiáng)度也略有降低。

3）中強(qiáng)度鋁合金絞線全部采用鋁合金（LHA3）絲絞制，電阻降低但機(jī)械強(qiáng)度略有加強(qiáng)。

三種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三種節(jié)能導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

目前節(jié)能導(dǎo)線在山東省已經(jīng)開始大面積推廣應(yīng)用，截止2013年已有累計(jì)2 400 km的線路已經(jīng)或即將采用節(jié)能導(dǎo)線。因此在工程設(shè)計(jì)時(shí)如何選擇節(jié)能導(dǎo)線已經(jīng)成為非常迫切的問題，結(jié)合不同節(jié)能導(dǎo)線的特點(diǎn)，進(jìn)行初步分析，最后結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)給出了選型建議。

2 110～500 kV線路常用節(jié)能導(dǎo)線選型

2.1 110～500 kV常用節(jié)能導(dǎo)線型式

以 110 kV 線路 1×240 mm2、1×300 mm2、220 kV線路 2×400 mm2、500 kV 線路 4×630 mm2規(guī)格導(dǎo)線為例，按照與鋼芯鋁絞線同規(guī)格外徑的原則，參照導(dǎo)線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［1］和國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［2-4］，選擇了6種導(dǎo)線進(jìn)行比較，見表1～表4。 因參選導(dǎo)線規(guī)格一樣，故不再列出截面和外徑。

表1 240 mm2截面節(jié)能導(dǎo)線主要參數(shù)表

表3 400 mm2截面節(jié)能導(dǎo)線主要參數(shù)表

表2 300 mm2截面節(jié)能導(dǎo)線主要參數(shù)表

表4 630 mm 截面節(jié)能導(dǎo)線主要參數(shù)表

2.2 240～630 mm2節(jié)能導(dǎo)線的電氣特性對(duì)比

導(dǎo)線的電氣特性主要包括載流量、電能損耗、電磁環(huán)境等因素，主要影響線路的運(yùn)行電能損耗和事故情況下的過負(fù)荷能力。電能損耗包括電阻損耗和電暈損耗兩部分，因各導(dǎo)線規(guī)格均相同，故電磁環(huán)境條件和電暈損耗是一致的，不再比較。另外，工程計(jì)算也表明110～500 kV電壓等級(jí)下上述導(dǎo)線組合的電暈損耗是可以忽略不計(jì)的。故以下僅比較電阻損耗和載流量。交流電阻計(jì)算均參考日本電線與電纜制作協(xié)會(huì)頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)JCS0374：2003“裸線載流量計(jì)算方法”進(jìn)行計(jì)算［5］。

1）不同截面規(guī)格導(dǎo)線的節(jié)能對(duì)比。

20℃直流電阻相比鋼芯鋁絞線耗能降低值如表5所示。

表5 不同截面規(guī)格導(dǎo)線的節(jié)能對(duì)比

可以看出中強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線在導(dǎo)線截面較小時(shí)節(jié)能優(yōu)勢(shì)最大，隨著導(dǎo)線截面變大，優(yōu)勢(shì)有所下降；鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線節(jié)能優(yōu)勢(shì)較大，同中強(qiáng)導(dǎo)線一樣，導(dǎo)線截面變大后，優(yōu)勢(shì)也有所下降。鋼芯高導(dǎo)電率節(jié)能優(yōu)勢(shì)相對(duì)較小，但導(dǎo)線截面變大時(shí)，節(jié)能優(yōu)勢(shì)基本不變。各導(dǎo)線都具有一定的節(jié)能效果。

2）不同截面規(guī)格導(dǎo)線的載流量對(duì)比。

按環(huán)境溫度35℃、導(dǎo)線溫度80℃計(jì)算載流量如表6所示。

表6 不同截面規(guī)格導(dǎo)線的載流量對(duì)比

可以看出中強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線在導(dǎo)線截面較小時(shí)允許載流量最大，隨著導(dǎo)線截面變大，優(yōu)勢(shì)略有下降；鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線載流量較大，鋼芯高導(dǎo)電率載流量相對(duì)較小。三種節(jié)能導(dǎo)線的載流量較鋼芯鋁絞線都具有一定的增加［6-7］。

2.3 240～630 mm2節(jié)能導(dǎo)線的機(jī)械特性對(duì)比

導(dǎo)線的機(jī)械特性主要包括機(jī)械強(qiáng)度、荷載、弧垂特性、導(dǎo)線風(fēng)偏、覆冰過載能力等參數(shù)，對(duì)線路的安全運(yùn)行和造價(jià)影響很大。由于JL3/G1A與JL4/G1A在機(jī)械性能上與普通鋼芯鋁絞線沒有差異，因此只選取JL3/G1A參與比較。對(duì)JL1/LHA1與JL3/LHA1機(jī)械性能相同，選取JL1/LHA1參與比較。

2.3.1 正常荷載

節(jié)能導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線規(guī)格相同，水平荷載也相同。 由于節(jié)能導(dǎo)線一般采用高導(dǎo)硬鋁或鋁合金，因此重量一般不超過鋼芯鋁絞線，即垂直荷載均不大于鋼芯鋁絞線的荷載。因此以下只比較節(jié)能導(dǎo)線的張力荷載。

在安全系數(shù)取2.5時(shí)各導(dǎo)線的最大張力對(duì)比如表7所示。

表7 各節(jié)能導(dǎo)線的最大張力對(duì)比

可以看出鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線的機(jī)械特性與鋼芯鋁絞線完全一致，張力也相同；中強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線在截面較小時(shí)，張力比鋼芯鋁絞線小約12%，隨著截面的增大，中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線的張力迅速增加，在400 mm2規(guī)格時(shí)已經(jīng)基本接近鋼芯鋁絞線，在630 mm2截面時(shí)已經(jīng)超過了鋼芯鋁絞線8.6%。

為了滿足通用設(shè)計(jì)模塊鐵塔使用條件，對(duì)630mm2截面中強(qiáng)度全鋁合金絞線放松處理，按最大使用張力不超過鋼芯鋁絞線荷載控制。

2.3.2 安裝荷載

為了抵消導(dǎo)線架設(shè)時(shí)蠕變產(chǎn)生的弧垂下降，一般采用降溫法架線。 根據(jù)有關(guān)廠家試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)中強(qiáng)度全鋁合金絞線推薦降溫值在20～25℃之間。中強(qiáng)度全鋁合金絞線按照鋼芯鋁絞線荷載放松后，在安裝工況（-10℃）下，降溫20～25℃后超限約7%～8%，一定程度上限制了I型耐張塔的安裝。對(duì)400 mm2截面的中強(qiáng)度全鋁合金絞線降溫安裝工況張力仍超限3%～4%，同樣對(duì)I型耐張的安裝可能產(chǎn)生限制。這些因素在一定程度上限制了大截面中強(qiáng)度全鋁合金絞線在工程中的應(yīng)用。

其他節(jié)能導(dǎo)線則安裝荷載均不超過鋼芯鋁絞線。

2.3.3 耐張串強(qiáng)度

根據(jù)初步測(cè)算，相同規(guī)格下，各節(jié)能導(dǎo)線所匹配的耐張串強(qiáng)度相同的，如表8所示。

表8 各節(jié)能導(dǎo)線所匹配的耐張串強(qiáng)度

2.3.4 電線弧垂

630 mm2截面導(dǎo)線中強(qiáng)度全鋁合金絞線（與鋼芯鋁絞線同荷載）最優(yōu)，LHA1合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線與鋼芯（高導(dǎo)電率）鋁絞線基本一致，均居中；LHA2合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線略差。

400 mm2截面導(dǎo)線中強(qiáng)度全鋁合金絞線最優(yōu)，LHA1合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線次優(yōu)，鋼芯（高導(dǎo)電率）鋁絞線居中，LHA2合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線略差。

300 mm2截面和240 mm2截面導(dǎo)線中鋼芯（高導(dǎo)電率）鋁絞線弧垂最優(yōu)，中強(qiáng)度全鋁合金絞線略差，LHA1合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線與中強(qiáng)度全鋁合金絞線基本相同，LHA2合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線最差。

各節(jié)能導(dǎo)線弧垂對(duì)比如表9所示。

表9 各節(jié)能導(dǎo)線弧垂對(duì)比

可以看出在導(dǎo)線截面較小時(shí)，鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線和中強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線弧垂略差，較鋼芯鋁絞線增大0.1 m左右；隨著導(dǎo)線截面增加，中強(qiáng)度鋁合金絞線弧垂顯著減小，而中強(qiáng)度全鋁合金絞線與鋼芯鋁絞線一直相差不大。鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線因機(jī)械特性與鋼芯鋁絞線一致，弧垂也完全一致。

表10 不同截面導(dǎo)線過載冰厚表

2.3.5 過載能力

過載冰厚體現(xiàn)了導(dǎo)線抵御冰災(zāi)的能力。過載冰驗(yàn)算的氣象條件為：氣溫-5℃、風(fēng)速10 m/s，驗(yàn)算覆冰時(shí)弧垂最低點(diǎn)的最大張力不超過額定拉斷力的70%，懸掛點(diǎn)的最大張力不超過額定拉斷力的77%。各導(dǎo)線過載冰厚如表10所示。

從表10可看出，由于中強(qiáng)度全鋁合金絞線在導(dǎo)線截面較小時(shí)過載能力略差，隨著導(dǎo)線截面變大，過載能力迅速提高，在大截面條件下甚至優(yōu)于鋼芯鋁絞線；鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線過載冰厚稍差；高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線過載覆冰能力居中。

2.3.6 風(fēng)偏

對(duì)我國(guó)東部地區(qū)常用的各模塊Ⅱ型塔按節(jié)能導(dǎo)線計(jì)算規(guī)劃搖擺角，并校核實(shí)際鐵塔允許搖擺角，結(jié)論如表11所示。

表11 導(dǎo)線搖擺角校驗(yàn)結(jié)果

500 kV 線路采用 4×630 mm2（27/10）的 5E1 模塊搖擺角超限鐵塔允許搖擺角約3°。需要增加配重解決。2×400 mm2截面單回路2B3模塊雖不超桿塔允許搖擺角，但裕度較緊張，在使用中應(yīng)注意。雙回路模塊如 2E3（2×400mm2，27/10）、2E11（2×400mm2，27/15）、2F3 （2×630 mm2，27/10） 等搖擺角均有較大裕度。110 kV線路的單雙回路及鋼管桿模塊（300 mm2和240 mm2導(dǎo)線）經(jīng)校核均有裕度。

2.4 建設(shè)費(fèi)用對(duì)比

采用節(jié)能導(dǎo)線后對(duì)線路造價(jià)影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是導(dǎo)線費(fèi)用的變化，二是塔材費(fèi)用的變化。

2.4.1 導(dǎo)線單公里價(jià)格

以2012年3月國(guó)網(wǎng)公司基建部下發(fā)文件中的價(jià)格計(jì)算了各種導(dǎo)線單公里價(jià)格，與同規(guī)格鋼芯鋁絞線對(duì)比結(jié)論如表12所示。

表12 各節(jié)能導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線單公里價(jià)格對(duì)比

可以看出，在各種節(jié)能導(dǎo)線單公里價(jià)格對(duì)比中，各種截面下結(jié)論基本一致：JL4/G1A系列的價(jià)格最高，中強(qiáng)度全鋁合金絞線JLHA3與JL3/LHA1及JL3/G1A價(jià)格相差很小，而JL1/LHA1型鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線與普通鋼芯鋁絞線基本一致。

2.4.2 鐵塔費(fèi)用

目前線路設(shè)計(jì)一般均采用通用設(shè)計(jì)模塊，而各節(jié)能導(dǎo)線的荷載均接近或不超鐵塔設(shè)計(jì)條件。為簡(jiǎn)化比較，可僅考慮弧垂對(duì)塔高的影響，并結(jié)合實(shí)際工程各型塔所占比例，進(jìn)行呼高調(diào)整比較，可較準(zhǔn)確的反映出導(dǎo)線弧垂對(duì)鐵塔造價(jià)的影響。對(duì)于搖擺角超限引起的金具配重增加，因在全線所占比例較少，且增加費(fèi)用不多，暫不考慮。 上述比較不涉及鐵塔基數(shù)變化，因此不必考慮基礎(chǔ)造價(jià)的變化［8］。

2.5 年費(fèi)用對(duì)比

考慮到實(shí)際工程的具體特點(diǎn)不同，各節(jié)能導(dǎo)線的年費(fèi)用對(duì)比差別也比較大。 以下以某 500 kV線路工程為算例計(jì)算對(duì)比。

某500 kV線路工程新建雙回線路約56 km，導(dǎo)線截面為4×630 mm2。地形為平地。主要?dú)庀髼l件為基本設(shè)計(jì)風(fēng)速27 m/s，設(shè)計(jì)冰厚10 mm。通用設(shè)計(jì)鐵塔模塊為5E1、5E3。功率因數(shù)0.95；最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)5 000 h；系統(tǒng)單回輸送功率1 800 MW，極限輸送功率3 600 MW。

根據(jù)電力工業(yè)部（82）電計(jì)字第44號(hào)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(jì)算——年費(fèi)用最小法的方法計(jì)算（公式略）。

計(jì)算最小年費(fèi)用邊界條件：經(jīng)濟(jì)使用年限為40年，施工期按2年計(jì)，前一年投資為60%，后一年投資為40%；年最大損耗小時(shí)數(shù)按5 000 h計(jì)，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率為1.4%，電力工程回收率按工程投資的8%計(jì)，電價(jià)按本工程取0.462元/kWh。

不同輸送功率下的年費(fèi)用如表13所示。

表13 不同輸送功率下的各節(jié)能導(dǎo)線的年費(fèi)用（萬元/km）

可見，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL3/G1A-630/45、JL4/G1A-630/45在5種節(jié)能導(dǎo)線中年費(fèi)用略高，中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-675的年費(fèi)用居中，鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線 JL1/LHA1-465/210、JL3/LHA1-465/210 的年費(fèi)用最低［9］。

3 實(shí)際工程選型建議

3.1 500 kV線路

500 kV線路中重點(diǎn)討論了630 mm2截面各節(jié)能導(dǎo)線的特點(diǎn)。由于630 mm2截面各節(jié)能導(dǎo)線節(jié)能效果相差不大，而中強(qiáng)度鋁合金絞線又需要放松處理，且放松后I型耐張塔的安裝荷載仍超限，因此不建議在500 kV線路中采用中強(qiáng)度全鋁合金絞線。另外，鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線機(jī)械特性與鋼芯鋁絞線相比較差，安全儲(chǔ)備低，風(fēng)偏角也較大，不適宜在500 kV線路上使用。而鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線具有同樣的節(jié)能效果和良好的機(jī)械特性，且風(fēng)偏角與原導(dǎo)線完全一致，非常適合替換鋼芯鋁絞線［10］。 建議500 kV線路采用導(dǎo)線及配套金具的生產(chǎn)工藝和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都比較成熟的鋼芯鋁絞線結(jié)構(gòu)，即推薦采用鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線。

3.2 220 kV和110 kV線路

在沿海、重工業(yè)區(qū)等大氣腐蝕嚴(yán)重地區(qū)，優(yōu)先選擇鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線或中強(qiáng)度全鋁合金絞線。

對(duì)山區(qū)等運(yùn)行條件較差、存在大高差和大檔距的地區(qū)宜優(yōu)先采用機(jī)械強(qiáng)度較高的中強(qiáng)度鋁合金絞線。 同時(shí)當(dāng)線路較長(zhǎng)、耐張塔比例較低時(shí)宜采用中強(qiáng)度鋁合金絞線。

線路走廊較為緊張的線路應(yīng)考慮選用風(fēng)偏角較小的導(dǎo)線，以減少拆遷，建議優(yōu)先選擇鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線。

在原有雙回線路上單側(cè)架線時(shí)，宜采用結(jié)構(gòu)型式與原線路相同的導(dǎo)線，并校核導(dǎo)地線距離［11］。

采用老線路桿塔重新架線時(shí)，所選導(dǎo)線荷載應(yīng)盡量小，以提高原有桿塔的安全裕度。

中冰區(qū)建議采用過載能力較強(qiáng)的中強(qiáng)度鋁合金線。

線路為多回路不同截面導(dǎo)線時(shí)，宜采用同一結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線。

4 結(jié)語

將鋼芯和鋁合金芯的高導(dǎo)硬鋁節(jié)能導(dǎo)線與中強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線及常規(guī)鋼芯鋁絞線進(jìn)行了全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)果表明：

在電能損耗方面，新型節(jié)能導(dǎo)線優(yōu)勢(shì)明顯，一般可較常規(guī)鋼芯鋁絞線減少能耗約2%～7%，其中400mm2以下時(shí)中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線優(yōu)勢(shì)最為明顯，而在630 mm2時(shí)以JL3/LHA1型鋁合金芯鋁絞線為最好。

在機(jī)械特性方面，中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線機(jī)械強(qiáng)度最大、弧垂特性最好，對(duì)降低工程鐵塔投資效益明顯。

在工程適用性方面，以鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線最好，各項(xiàng)機(jī)械特性參數(shù)與通用設(shè)計(jì)最為接近，幾乎可以不加改變的直接替代常規(guī)導(dǎo)線。

在建設(shè)投資方面，新型導(dǎo)線基本都有一定的增加，但JL1/LHA1型鋁合金芯鋁絞線增加最少。采用630 mm截面導(dǎo)線時(shí)靜態(tài)投資僅增加0.5%。具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

綜合以上各個(gè)因素，采用全壽命周期成本法計(jì)算新型導(dǎo)線的年費(fèi)用結(jié)果表明，在630 mm2截面導(dǎo)線時(shí)，JL1/LHA1型鋁合金芯鋁絞線年費(fèi)用最低，具有最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)上述節(jié)能導(dǎo)線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，再結(jié)合具體工程條件合理選型，可以同時(shí)提高工程的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

［1］ GB/T 1179—2008 圓線同心絞架空導(dǎo)線［S］.

［2］ Q/GDW 632—2011 鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線［S］.

［3］ Q/GDW 1815—2012 合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線［S］.

［4］ Q/GDW 1816—2012 合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線［S］.

［5］ 葉鴻聲.高壓輸電線路導(dǎo)線載流量計(jì)算的探討［J］.電力建設(shè)，2000，21（12）：23-26.

［6］ 萬建成，李磊，侯向敏，等.ACCC在輸電線路改造中應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］.能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2011，23（8）：33-38.

［7］ 葉鴻聲，龔大衛(wèi)，黃偉中.提高導(dǎo)線允許溫度增加線路輸送容量的研究及在 500 kV 線路上的應(yīng)用［J］.華東電力，2006，34（08）：43-46.

［8］ 黃豪士.建設(shè)資源節(jié)約型輸電線路時(shí)所能用的導(dǎo)線［J］.電線電纜，2008（2）：1-7.

［9］ 尤傳永.架空輸電線路鋼芯軟鋁絞線的應(yīng)用研究［J］.電力建設(shè)，2006，27（5）：1-4.

［10］ 郭峰，李廣福，鄭智光.輸電線路應(yīng)用軟鋁導(dǎo)線的設(shè)計(jì)［J］.電力與電工，2011，31（1）：23-27.

［11］ 陳洋，高翔，蔣華君，等.節(jié)能型架空導(dǎo)線及節(jié)能效果評(píng)估［J］.電線電纜，2011（4）：14-16.