基于環(huán)境效益的軟鋁導線選型

秦紀賓，文凱

(福建省電力勘測設計院，福州市 350001)

基于環(huán)境效益的軟鋁導線選型

秦紀賓，文凱

(福建省電力勘測設計院，福州市 350001)

首先根據(jù)工程可行性研究報告，提出了電力系統(tǒng)對導線選型的基本要求，初選出4種參加比較的導線型號；其次比較分析了各導線在載流量、弧垂、覆冰過載、線損等基本性能方面的優(yōu)缺點；然后從施工及運行可靠性、電磁環(huán)境等方面進行了詳細的分析；最后比較了全壽命周期成本及環(huán)境效益，全面展示了節(jié)能型軟鋁導線在可靠性、環(huán)境效益、社會效益等方面的優(yōu)缺點。

軟鋁導線；綠色GDP；社會效益；環(huán)境效益；全壽命周期

0 引 言

由于長期受計劃經(jīng)濟的影響，我國電力建設主要把目標放在主體功能實現(xiàn)上，而相對較少去計算分析項目的建設和運行對社會、環(huán)境等方面的綜合影響情況。以往的輸電線路導線選型一般僅考慮導線可靠性、一次性投資成本及年最小費用，而缺少從社會、環(huán)境等角度進行綜合分析。目前，我國電網(wǎng)基礎(chǔ)建設漸趨完善，正在向“智能電網(wǎng)”的目標發(fā)展，因此從宏觀大局、可持續(xù)發(fā)展的角度來看，以往的設計模式將不能適應社會發(fā)展形勢的要求。

本文在總結(jié)“500 kV慶雞線”一些設計競賽經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合“綠色GDP”的理念，進行導線選型的綜合計算分析，以全面展示節(jié)能型軟鋁導線在可靠性、環(huán)境效益、社會效益等方面的優(yōu)缺點。

1 導線型號選擇

1.1 導線選型的一般要求

《110 kV～750 kV架空輸電線路》設計規(guī)范[1]總則1.0.3條要求：“架空輸電線路設計，應從實際出發(fā)，結(jié)合地區(qū)特點，積極采用新技術(shù)、新工藝、新設備，推廣采用節(jié)能、降耗、環(huán)保的先進技術(shù)和產(chǎn)品”。輸電線路導線是電網(wǎng)主要部件之一，須滿足如下要求。

(1)電氣性能：線路極限輸送功率滿足系統(tǒng)N-1要求，正常運行和故障情況下電場、磁場均不超過規(guī)范限值，濕導線電暈引起的無線電干擾和可聽噪聲不應超過規(guī)范限值；

(2)機械性能：應具有優(yōu)良的弧垂特性、抗疲勞特性、過載能力，且滿足施工、運行等要求；

(3)經(jīng)濟性能：應選擇全壽命周期成本(life cycle cost, LCC)年費用最小的導線；

(4)資源層面：應具有良好的節(jié)能特性、環(huán)境效益和社會效益。

1.2 線路概況及電力系統(tǒng)要求

500 kV慶雞線工程線路為黑龍江省慶云、雞西兩500 kV變電站之間的聯(lián)絡線，總長114.42 km。全線同塔雙回路架設，線路設計條件如下。

氣象條件：基本風速v=28.5 m/s，覆冰厚度C=10 mm，高溫為+40 ℃、低溫為-40 ℃、年平均氣溫為-10 ℃。污穢等級：Ⅱ級、Ⅲ級。地形比例：山地占50.9%，平丘及泥沼占49.1 %。

根據(jù)可行性研究報告審查意見，線路導線截面為4×400 mm2；正常輸送功率為1 150 MW, 極限輸送功率為2 400 MW(環(huán)境溫度40 ℃)。功率因數(shù)為0.95，最大負荷利用小時為6 500 h,對應最大負荷損耗小時為5 000 h。

1.3 待選導線型號

本工程極限輸送功率僅2 400 MW，導線選型無須考慮比常規(guī)導線(指鋼芯外絞61% IACS電工硬鋁線)線損偏高的“高溫低弧垂導線”(58%～60% IACS)，如鋼(鋁包鋼)芯耐熱鋁合金導線，也不應考慮線損雖小(63% IACS)但價格過高的間隙型導線、碳纖維芯軟鋁導線等。工程送審可行性研究報告推薦采用四分裂LGJ-400/35鋼芯鋁絞線。鑒于國內(nèi)500 kV線路現(xiàn)狀，本文導線型式統(tǒng)一按“每相導線四分裂、正方形布置、分裂間距450 mm”考慮。針對工程氣象、地形條件，從10多類導線中初選了4種可滿足線路基本要求的導線，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 待選導線技術(shù)參數(shù)表

注：括號內(nèi)為根數(shù)。LGJ—400/35為鋼芯鋁絞線，JL/LB20A—400/35為鋁包鋼芯鋁絞線，ACSS-400/45和ACSS-400/50為特強鋼芯軟鋁“型”導線；特強鋼芯軟鋁“型”導線以下簡稱“節(jié)能軟鋁導線”。

2 導線基本性能比較

2.1 極限輸送功率下導線弧垂

按功率因數(shù)0.95計算，四分裂導線中每根導線須載流729 A，計算得到各導線相應溫度、弧垂見表2。ACSS-400/45型導線弧垂較大，其他3種導線弧垂基本相當，均可作為本工程導線。

2.2 覆冰時鋁股分配應力

考慮到檔距較大時，導線應力為覆冰控制。硬鋁線(61 %IACS)允許延伸率為1 %，應力不宜超過160 MPa[2]；軟鋁線抗拉強度為59～110 MPa(全退火63 %IACS軟鋁抗拉強度59～76 MPa[2-3])，但允許延伸率為20%～30%，當導線受到較大外力拉伸時首先破壞芯線[3]，軟鋁線將持續(xù)產(chǎn)生不可恢復的永久變形[2]，大部分張力將轉(zhuǎn)移到鋼芯上去，因此， 63%IACS軟鋁線覆冰應力不可能超過上限值。各種導線覆冰時鋁線分配應力見表3。

表2 極限輸送功率下導線線溫及對應弧垂

注：計算條件為環(huán)境溫度40 ℃,輻射散熱系數(shù)0.9,吸熱系數(shù)0.9，日照1 000 W/m2，風速0.5 m/s；Lp為代表檔距， m。

表3 導線覆冰時鋁線分配應力預估表

注：新線系數(shù)為0.95，安全系數(shù)取2.5，年均應力占拉斷力的25%。

各導線覆冰時鋁股應力皆滿足要求。從理論上分析，軟鋁的延伸率高，荷載增大時軟鋁應力將逐漸轉(zhuǎn)移至鋼芯上，因此軟鋁導線在本工程最大荷載情況下能滿足安全運行要求。

2.3 覆冰過載能力

按文獻[1]要求，在稀有風速或稀有覆冰氣象條件時，導線弧垂最低點、導線懸掛點的最大張力分別不應超過拉斷力的70%、77%。該線路所經(jīng)地帶屬低溫覆冰地區(qū)，稀有氣象應按稀有覆冰考慮。各導線達70%拉斷力時覆冰過載能力見圖1。

圖1 導線覆冰過載能力比較

結(jié)合表1中鋼鋁截面積比值可以看出：導線結(jié)構(gòu)、安全系數(shù)相同時，導線覆冰過載能力與鋼鋁截面積比呈正相關(guān)。軟鋁的抗拉強度較低，欲提高軟鋁導線覆冰過載能力，須適當增大鋼芯的截面和強度。

2.4 耐疲勞性能

本工程設計年均氣溫僅-10 ℃，因此導線年均運行張力較大，而限制導線振動的最有效措施是限制導線的年均運行張力。各導線氣象控制情況如表4所示。

表4 導線的氣象控制區(qū)間

根據(jù)廠家提供的資料，采用設計手冊[4]中的計算方法，估算得“年平均氣溫”下鋁股應力及疲勞極限如表5所示。

表5 鋁股的平均應力水平預估

由于軟鋁的延伸率高，受力時更多應力將轉(zhuǎn)移到鋼芯上，因此實際軟鋁的年均應力要比表5理論估算值低；另一方面，由于順線方向軟鋁的張力小，則沿導線徑向的鋁股層間壓力就小，線股層間易錯動而消耗更多微風振動能量，因此軟鋁型導線的自阻尼性能比常規(guī)絞線導線更好。國外限制導線振動水平，一般采用“Te/m限值法”。Te為電線張力，國外對應工況為“低溫、無冰”，國內(nèi)為“年平均氣溫”；m為電線單位質(zhì)量。同等設計條件下，計算出的各導線Te/m值如表6所示。各導線的自阻尼性能從高到低排序為： ACSS-400/45、ACSS-400/50、LGJ-400/35、JL/LB20A-400/35。

表6 “Te/m限值法”計算成果(檔距500 m)

2.5 對鐵塔、基礎(chǔ)、絕緣子等費用的影響

同一氣象條件下，各導線的荷載不同，對鐵塔、基礎(chǔ)工程量及絕緣子的噸位也產(chǎn)生影響。

更換導線分別對全線斷面進行排位，在使用同一套通用塔型時，各導線全線塔重相對百分比見表7。ACSS-400/45導線的塔重指標最高，這是由于其導線弧垂較差，需提高等效塔高來滿足對地距離要求，其他3種導線塔重相差不大。

表7全線塔重相對百分比

Tab.7Relativepercentageoffullrangeoftowerweight%

由于基礎(chǔ)作用力與鐵塔所受力矩正相關(guān)，且基礎(chǔ)費用相對鐵塔費用要小得多，因此工程上可近似認為導線對鐵塔基礎(chǔ)的影響與對塔質(zhì)量的影響相同。

由于ACSS-400/45導線弧垂較大，在地形平緩區(qū)使用時，平均每km懸垂串數(shù)量將比其他3種導線約多1串；而ACSS-400/45導線張力較小，耐張絕緣子可采用雙聯(lián)240 kN級(2×32片)，其他3種導線需采用雙聯(lián)300 kN級(2×28片)。綜合起來，ACSS-400/45導線絕緣子總費用稍高，而其他3種導線絕緣子費用基本持平。

3 線損及電磁環(huán)境

3.1 線路損耗

黑龍江省全年氣溫偏低，若按環(huán)境溫度+40 ℃計算線損，明顯不合理。而最大負荷一般發(fā)生在夏季，計算線損時環(huán)境溫度宜在夏季平均氣溫附近取值。雞西市夏季(6～8月)平均氣溫為21.3 ℃，參考相關(guān)資料[5]，建議計算線損的環(huán)境溫度取+20 ℃。

根據(jù)系統(tǒng)條件，計算出的各導線電阻發(fā)熱損耗如表8所示。分析可知，鋁截面積和導電率分別增大為1.03倍和1.031倍，所以ACSS-400/50導線比LGJ-400/35導線約節(jié)能6.2 %。線路損耗主要指導線電能損耗。表8所列僅為導線電阻損耗，不包括導線電暈損耗。500 kV線路“年平均電暈損失為電阻損失的百分之幾”[4]。本文估算值為7.3%～9.3 %，LCC計算時已計入。

表8 正常輸送功率時電阻發(fā)熱損耗(τ=5 000 h)

注：表中溫度為潮流線溫；計算考慮了磁滯、渦流因素，在線溫約40 ℃時其引起的電阻增量僅占直流電阻的千分之幾(硬鋁線3層)到萬分之幾(軟鋁線2層)。

3.2 電磁環(huán)境

工程設計推薦塔型為“IVI ”腰形塔(如圖2所示)。

基于導線參數(shù)、塔型尺寸，計算出導線的最大表面場強、無線電干擾場強、可聽噪聲值、電場強度及磁場強度等，計算值見表9～12。

最大表面場強系數(shù)均在0.8附近，較合理；無線電干擾場強、可聽噪聲值皆低于限值55 dB[6-7]；工頻磁場低于規(guī)范參考值0.1 mT[1]；工頻電場在下導線高于地面17 m時未畸變場強均不超過4 kV/m[1]。因此，4種導線均可滿足電磁環(huán)境要求。

圖2 IVI腰形塔頭部尺寸

表9 最大表面場強

注：導線逆相序排列，下導線平均高度20 m；絞線表面系數(shù)取0.82，型線取0.9，型線的電量損失更小。

表10 導線無線電干擾場強

注：離邊相導線投影外20 m，離地2 m高，80 %時間，80%置信度。

表11 導線可聽噪聲值

注：離邊相導線投影外20 m，濕導線條件A計權(quán)聲級(SLA)。

表12 導線工頻電場、磁場數(shù)值

注：電場、磁場強度數(shù)值均為下導線高度14 m，離地1.5 m處的值；下導線臨界高度計算條件：邊導線外5 m，離地1.5 m電場達4 kV/m。

4 全壽命周期成本(LCC)分析

4.1 LCC計算

輸電線路導線LCC 指的是輸電線路經(jīng)濟壽命周期內(nèi)所支付的導線總費用，由一次投資成本、運行成本、故障引起的中斷供電損失成本和設備報廢成本4個部分組成[8-9]。根據(jù)線損等參數(shù)，考慮折現(xiàn)率對資金的時間價值的影響，輸送功率2×1 150 MW 4種導線正常輸送功率下的年度總費用以及差值如表13所示。

4.2 LCC分析

(1)運行費用占導線LCC總費用的絕大部分(約90 %)，而一次投資成本和回收成本所占的比例皆較小，這說明導線選型應以運行成本為主。

(2)從表14看出，ACSS-400/50軟鋁導線的LCC成本最低，在線路30 a經(jīng)濟壽命期內(nèi)，采用該型導線比采用常規(guī)LGJ-400/35導線，折現(xiàn)后每年可減少393.6萬元，全壽命成本可節(jié)省1.181億元。

(3)從LCC角度，推薦采用ACSS-400/50軟鋁導線。

5 環(huán)境效益分析

5.1 環(huán)境成本的概念

(1)煤耗：火電生產(chǎn)評價指標體系[10]中，供電煤耗評價基準值為365～380 g/(kW·h)；國家能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃節(jié)能目標為“到2015年，使火電供電標準煤耗下降到323 g/(kW·h)”?？紤]平均水平，本文煤耗暫按保守值360 g/(kW·h)計算。

表13各導線的LCC年費用比較

Tab.13Comparisonofconductors’LCC萬元/(km·a)

注：(1)建設年限按2 a，經(jīng)濟壽命按30 a，折現(xiàn)率取8%，回收率取10%，由發(fā)計委“計投資[1999]340號”文件，投資價格指數(shù)取0，通貨膨脹率取0；(2)軟鋁導線單價取鋼芯鋁絞線的1.3倍。

(2)水耗：參考根據(jù)相關(guān)文件[10]，考慮到各種機組的比例，本文推薦按平均耗水量1.7 kg/(kW·h)計算。

(3)廢物排放量：根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的數(shù)據(jù)，工業(yè)鍋爐每燃燒1 t標準煤，產(chǎn)生CO22 620 kg、SO2約8.5 kg、NOx約7.4 kg。按360 g/(kW·h)折算成單位電量的排放量分別為：CO20.943 kg/(kW·h)、SO23.06 g/(kW·h)、NOx2.66 g/(kW·h)。

根據(jù)河北省電力行業(yè)協(xié)會有關(guān)資料，煙粉塵的單位電量的排放量估計值約1.8 g/(kW·h)。

由于現(xiàn)代電廠一般廢液和廢渣能綜合利用，其自身利用價值會超過治理成本，因此本文暫不計入。

(4)環(huán)境成本構(gòu)成。環(huán)境治理僅是減緩了對環(huán)境的破壞，其成本并不能完全反映環(huán)境損失。但由于其他損失難以統(tǒng)計(也無資料可參考)，故本文僅按治理成本計算。有資料表明，我國每排放1 t廢氣造成的經(jīng)濟損失：SO2約2萬元、NOx約2萬元、煙塵約2千元，為促進環(huán)保，每噸CO2按罰款10元計。

5.2 環(huán)境成本估算

雙回路每km、每年的功率損耗引起的排放量如表14所示。由表14推算全線情況，ACSS-400/50導線比LGJ-400/35導線每年可節(jié)省電能約1 167萬kW·h，少排放SO2約36 t，煙塵約21 t，NOx約31 t，少排放CO2約11 005 t。假定每年排放量不變，則在30 a經(jīng)濟壽命期內(nèi)，節(jié)能軟鋁導線ACSS-400/50比鋼芯鋁絞線LGJ-400/35節(jié)省環(huán)境成本約1.014億元，環(huán)境效益相當可觀。

表14 線損部分每km產(chǎn)生的環(huán)境影響(雙回)

6 結(jié) 論

本文在電氣、機械、經(jīng)濟及資源等方面對4種導線的特性進行了計算分析比較，結(jié)果表明：

(1) 在輸送功率、弧垂、覆冰過載能力、電磁環(huán)境等方面，4種導線均能滿足要求；與常規(guī)導線相比，軟鋁導線需適當增大鋼芯截面和強度以減小弧垂、提高覆冰過載能力，但由于采用“型線”結(jié)構(gòu)，其風壓和風阻系數(shù)更小，耐疲勞、抗蠕變、耐腐蝕等性能更優(yōu)。

(2) 推薦采用4×ACSS-400/50型節(jié)能軟鋁導線，比采用4×LGJ-400/35導線可節(jié)能6.2%；根據(jù)LCC，每年每km可節(jié)省3.44萬元。

(3) 考慮環(huán)境、社會效益，推薦采用4×ACSS-400/50導線，每年全線可減少排放CO2約1.1萬 t；每年增加潛在GDP約6 226萬元，有利于國家增加就業(yè)機會；30年內(nèi)預期節(jié)省環(huán)境成本約1.014億元。

(4) 目前，節(jié)能軟鋁導線僅少量掛網(wǎng)試運行，工程設計時應特別注意工程氣象、地形條件的適用性，施工時也應采取更為可靠的措施。

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(編輯：劉文瑩)

SoftAluminiumConductorSelectionBasedonEnvironmentalBenefits

QIN Jibin, WEN Kai

(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350001, China)

Firstly, according to the project feasibility study report, the basic requirements of conductor selection were presented for power system and four conductors were initially selected for comparison. Secondly, the basic performance advantages and disadvantages of conductors were compared and analyzed in current-carrying capacity, sag, ice overload, line loss and etc. Then, a detailed analysis was carried out on the reliability of construction and operation, electromagnetic environment and so on. Finally, the life cycle costs and environmental benefits of conductors were compared, and the advantages and disadvantages of energy-saving soft aluminium conductors in reliability, social benefits, environmental benefits and other aspects were fully demonstrated.

soft aluminium conductors; green GDP; social benefits; environmental benefits; total life cycle

TM 751

： A

： 1000-7229(2014)05-0066-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.011

2013- 11- 01

：2013- 12- 03

秦紀賓(1979)，男，學士，工程師，從事高壓輸電線路設計工作,E-mail：kematy@126.com；

文凱(1981)，男，學士，工程師，從事高壓輸電線路概預算工作,E-mail：wenk@fedi.com。