導線選型專題報告

姜云霄

摘 要：近年來，國家電網(wǎng)和西北電力公司出臺了一些關于輸電線路的文件，旨在進一步降低輸電線路電能的損耗，提高電能利用率，積極研發(fā)節(jié)能、降耗、環(huán)保的新型材料和設備，并全面推廣應用。結(jié)合輸電線路的設計、運行、應用和發(fā)展等方面，依托承德紅旗220 kV輸變電工程，將研究試點應用的鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線三種節(jié)能導線，與普通鋼芯鋁絞線進行技術(shù)經(jīng)濟比較，同時從電氣性能、機械性能、施工安裝、節(jié)能效益和工程投資等方面進行分析，推薦導線選型。

關鍵詞：導線選擇；電能損耗；利用效率比；電氣特性

中圖分類號：TM751 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）04-0019-02

1 主要原則

導線是輸電線路最主要的部分之一，其作為電能的主要載體，除了要安全、穩(wěn)定地輸送電能外，還要滿足環(huán)境保護的規(guī)定。架線工程投資一般占本體投資的30%左右，再加上導線方案變化引起的桿塔和基礎工程量的變化，其對整個工程的造價影響是極其巨大的，直接關系到整個線路工程的建設費用以及建成后的技術(shù)特性和運行成本。此外，導線的選擇還受到線路建設環(huán)境的控制，比如設計荷載條件、海拔高度和線路長度等。

以承德紅旗220 kV輸變電工程中的輸電線路為例，從電氣特性、機械特性、施工安裝、節(jié)能效益和工程投資等方面對三種節(jié)能導線進行技術(shù)經(jīng)濟比較，并選擇適合本工程的導線。

2 考慮因素

導線選擇需考慮的因素主要有：①導線的允許溫升和輸送容量；②對環(huán)境的影響，包括無線電干擾和電暈噪聲等；③必要的機械強度；④合理的經(jīng)濟性。

設計是工程建設的關鍵環(huán)節(jié)，與全壽命管理的各個環(huán)節(jié)息息相關，而全壽命周期管理的核心是周期成本管理。價值工程項目的壽命周期成本，既包括制造成本，又包括使用成本，這兩種成本的總和就是所謂的“工程項目的壽命周期成本”。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是以工程項目的生產(chǎn)過程來核算，不包括使用過程；全壽命周期模式是以工程項目的全壽命周期為基礎進行核算，即將生產(chǎn)過程和使用過程合二為一進行核算。設計選型是工程建設和后期運行的基礎，前期規(guī)劃和方案設計直接決定了工程項目的質(zhì)量、工期和成本控制等，因此，在設計階段推行全壽命周期管理是必要的。

按照全壽命周期成本理論，如果導線選用節(jié)能型，其費用要高于普通型導線，但會大大增加輸送容量，同時降低了損耗，增加了售電量收益。在線路使用壽命內(nèi)，投資收益高于采用普通型導線的收益。

導線的選擇是超高壓輸電線路設計的一項重要內(nèi)容，它對線路的輸送容量、傳輸性能、環(huán)境問題（靜電感應、電暈、無線電干擾、噪聲等）和技術(shù)經(jīng)濟指標等都有很大的影響。所以，導線選型對增加線路的技術(shù)水平、降低造價有著重要的意義。

3 基本研究條件

3.1 自然環(huán)境條件

新建承德西500 kV變電站至紅旗220 kV變電站輸電線路為架空同塔雙回線路，全長30 km，海拔高度在400～1 000 m之間，本工程線路處于d級污穢區(qū)。

3.2 沿線地形分布

沿線地形分布為：丘陵5 km，所占比例16.7%；山地25 km，所占比例83.3%.

3.3 氣象條件

線路設計的主要氣象條件：設計覆冰10 mm，最大風速29 m/s，最高溫度40 ℃。

3.4 電力系統(tǒng)條件

電力系統(tǒng)的條件為：系統(tǒng)額定電壓為220 kV，系統(tǒng)最高運行電壓為242 kV，系統(tǒng)輸送功率為410 MW（雙回路），發(fā)生事故時極限輸送功率為772 MW（一回路），功率因數(shù)為0.95，最大負荷利用小時數(shù)是6 500 h。

3.5 計算鐵塔型式

在各種計算中，采用雙回路同塔架設，三相垂直排列，懸垂絕緣子串選擇Ⅰ串形式。

4 節(jié)能導線的基本原理

4.1 鋼芯高導電率鋁絞線

63% IACS高導電率鋁線與普通鋼芯鋁絞線中的61% IACS鋁線相比，內(nèi)部為鋼線，但電阻低、線路損耗小。

4.2 鋁合金芯鋁絞線

53%的IACS高強度鋁合金芯的外部鋁線與普通鋼芯鋁絞線鋁線相同，但采用具有導電能力的鋁合金芯，可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)來降低輸送導線的電力電阻。研究表明，該導線具有電力電阻損耗較低、弧垂性能較好和過載性能好等特點。

4.3 中強度全鋁合金絞線

絞線全部采用58.5%的IACS中強度鋁合金材料，代替普通鋼芯鋁絞線的鋼芯和外部鋁線。中強度鋁合金導線導電率為58.5%，比一般高強度鋁鎂硅合金高出5.5%. 中強度全鋁合金絞線無鋼芯，比鋼芯鋁絞線的交流電阻低、電能損失少，特別是大容量輸電時，特征更為明顯。

5 節(jié)能導線參數(shù)

根據(jù)接入系統(tǒng)報告初步形成評審意見，工程導線截面為2×630 mm2，報告以此為依據(jù)選擇節(jié)能導線型式，并進行論證。初選了以下幾種導線進行比選，如表1所示。

由極限輸送容量計算的結(jié)果可知，三種節(jié)能導線的極限輸送容量均大于發(fā)生事故時的極限輸送功率772 MW，滿足發(fā)熱條件要求。線路功率損耗結(jié)果表明，三種節(jié)能導線都降低了功率損耗，其中2×JL/LHA1-465/210導線降低的功率損耗最多，約4.5%的功率損耗；2×JLHA3-675導線居中，降低約4.1%的功率損耗；2×JL（GD）/G1A-630/45導線最高，僅降低不到3%.

5.1 電氣特性比較

三種節(jié)能新型導線的外部直徑、表明鋁制材形狀、絞制材料的方式和表明光潔度，都與普通鋼芯鋁絞線相同，因此導線所產(chǎn)生的電磁環(huán)境、表面電場強度、可聽噪聲和無線電干擾水平也完全相同。

5.2 機械性能比較

機械性能比較主要是從在導線的弧垂范圍、覆冰過載能力和荷載能力等方面作比較。

5.2.1 導線最大弧垂

通過計算得出2×JL（GD）/G1A-630/45導線、2×JL/LHA1 -465/210導線弧垂與2×JL/G1A-630/45導線弧垂相當，2×JLHA3-675導線弧垂減少明顯。

5.2.2 導線覆冰過載能力

計算導線弧垂最低點的最大張力達到其拉斷力的70%時的過載冰厚，2×JL（GD）/G1A-630/45導線覆冰過載能力和2×JL/G1A-630/45導線相當，2×JL/LHA1-465/210導線覆冰過載能力稍弱，2×JLHA3-675導線覆冰過載能力最強。而本工程覆冰厚度為10mm，節(jié)能導線的覆冰過載能力已滿足要求，并且具有較大裕度。

5.2.3 導線荷載比較

通過對比可以得出：①2×JL（GD）/G1A-630/45導線和2×JL/G1A-630/45導線無冰垂直荷載、覆冰垂直荷載、大風水平荷載、縱向最大張力一致，塔重不變；②2×JL/LHA1-465/210導線和2×JL/G1A-630/45導，除大風水平荷載線相等外，其余荷載均減小，直線塔、耐張塔塔重將有不同程度降低；③2×JLHA3-675導線大風水平荷載、縱向最大張力與2×JL/G1A-630 /45導線相等，無冰垂直荷載、覆冰垂直荷載均減小，直線塔、耐張塔塔重將降低。

5.3 配套金具

三種新型導線的耐張金具和接續(xù)管是不同的，耐張金具價格比普通型要高出300～400 元/套。鋁合金芯鋁絞線壓接形式與鋼芯鋁絞線相似；中強度鋁合金絞線壓接簡單，可采用一次壓接完成，減少工程量。

在年費用方面，鋁合金芯鋁絞線2×JL/LHA1-465/210的費用最少，與中強度全鋁合金絞線2×JLHA3-675相比，可便宜0.26萬～0.52萬元/km；比鋼芯高導電率鋁絞線2×JL（GD）/G1A -630/45少0.52萬～1.29萬元/km；較鋼芯鋁絞線2×JL/G1A -630/45少0.23萬～2萬元/km。

綜合考慮靜態(tài)差額投資回收期和年費用指標，鋁合金芯鋁絞線2×JL/LHA1-465/210導線的經(jīng)濟性能最優(yōu)，具有最短的靜態(tài)差額投資回收期、最小的年費用。

6 結(jié)論

通過研究導線選型的基本原則、影響因素、基本條件、基本原理和參數(shù)，可以得出以下結(jié)論：①三種節(jié)能導線極限輸送容量均大于772 MW，發(fā)熱條件滿足規(guī)定要求。鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線的極限輸送容量分別比普通鋼芯鋁絞線高1.56%，2.86%和2.32%. ②三種節(jié)能導線線路功率損耗都小于普通鋼芯鋁絞線線路，分別小2.87%，4.48%和4.10%. ③高導電率鋁絞線和鋁合金芯鋁絞線的弧垂與普通鋼芯鋁絞線相當，不影響桿塔呼高；中強度全鋁合金絞線弧垂減小，水平檔距為300 m、400 m、500 m時，弧垂分別減小約0.75 m、1.1 m、1.45 m，可適當降低桿塔呼高。④高導電率鋁絞線覆冰過載能力與普通鋼芯鋁絞線相當，鋁合金芯鋁絞線覆冰過載能力稍弱，中強度全鋁合金絞線覆冰過載能力最強。⑤鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線采用鋁合金或鋁，是鋁基體的單一材質(zhì)，不會產(chǎn)生雙金屬電化腐蝕，具有耐腐蝕功能，在交流輸電時無磁滯損耗，而對大氣腐蝕具有天然抵抗能力，所以使導線運行壽命延長。⑥鋁合金芯鋁絞線年費用低于普通鋼芯鋁絞線線路，具有良好的經(jīng)濟性。⑦由于三種節(jié)能導線絞線型式、外徑、主要材質(zhì)、拉斷力等與普通鋼芯鋁絞線相同或相近，只是導電能力有所不同。因此，在施工過程中，普通鋼芯鋁絞線采用的與導線配套的金具（懸垂線夾、耐張線夾、接續(xù)管等），施工機具、施工方法和安裝方式等對節(jié)能導線都能夠使用，并無其他特殊要求。⑧三種節(jié)能導線的外徑、導線表面鋁材形狀、絞制方式和表明光潔度與普通鋼芯鋁絞線相同，因此導線產(chǎn)生的電磁環(huán)境、表面電場強度、可聽噪聲和無線電干擾水平與普通鋼芯鋁絞線也完全相同。⑨鋁合金芯鋁絞線垂直荷載和縱向張力均小于設計條件，可適當放大使用條件，降低工程投資。⑩桿塔和導線二者都變換時，采用鋁合金芯鋁絞線線路，投資低于普通鋼芯鋁絞線線路，經(jīng)濟效益顯著。計算表明，桿塔和導線二者都變換時，本工程若采用鋁合金芯鋁絞線本體投資為普通鋼芯鋁絞線的98.97%.

7 結(jié)束語

綜合各導線技術(shù)經(jīng)濟的比較，推薦本工程采用鋁合金芯鋁絞線2×JL/LHA1-465/210的導線。

本次專題研究了三種新型導線的電氣性能、機械特性、施工安裝、節(jié)能效益和工程投資等方面，并與普通鋼芯鋁絞線進行對比，新型導線大多性能優(yōu)于普通鋼芯鋁絞線。因此，研發(fā)新型節(jié)能導線，推廣節(jié)能導線的應用，是十分必要的。這樣，不僅能降低輸電線路的損耗，提高電能利用率，同時還能增加投資收益。

〔編輯：李玨〕

Abstract： In recent years， state grid corporation and northwest electric power company has offered some files about the transmission line， aims to further reduce the loss of transmission line power， improve energy utilization， development of energy saving， consumption reduction， environmental protection， new materials and equipment， and comprehensive application. Combined with the design and operation of the transmission line， the application and development， etc.， relying on Chengde， red flag 220 kV power transmission and transformation project will research pilot application of steel reinforced high conductivity of aluminium stranded wire and aluminum wire， aluminum alloy core strength aluminium stranded wire three energy-saving conductor， and to compare technical economy of ordinary steel core aluminum stranded wire， at the same time from the electrical properties， mechanical properties， construction installation， energy-saving benefit and engineering investment and so on were analyzed， and the recommended cable type.

Key words： conductor choice； electric power； efficiency ratio； electrical characteristics