節(jié)能導(dǎo)線在輸電線路中的節(jié)能效果分析

李　釗，李春燕，馮硯廳

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003； 2. 國網(wǎng)河北省電力公司 電力科學(xué)研究院， 河北石家莊050021)

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節(jié)能導(dǎo)線在輸電線路中的節(jié)能效果分析

李釗1，李春燕1，馮硯廳2

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003； 2. 國網(wǎng)河北省電力公司 電力科學(xué)研究院， 河北石家莊050021)

為了降低輸電線路的電阻損耗，提高傳輸效率，達(dá)到節(jié)能的效果。介紹了鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線，鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線，中強(qiáng)度鋁合金絞線3類節(jié)能導(dǎo)線的特點(diǎn)及節(jié)能原理，并通過測量直流電阻，對具體線路分別從電阻損耗，環(huán)境效益，線路投資方面進(jìn)行分析，比較其節(jié)能效果。結(jié)果表明中強(qiáng)度鋁合金絞線節(jié)能效果最好，每千米約節(jié)約電量8.2%，且在3年內(nèi)即可收回設(shè)備投資，具有重要的推廣價(jià)值，可為今后替代普通鋼芯鋁絞線在節(jié)能導(dǎo)線的選型上提供參考。

輸電線路；電阻損耗；節(jié)能效果；推廣應(yīng)用

0　引言

一直以來，我國輸電線路以鋼芯鋁絞線為主，隨著我國各行各業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致對電力的需求量大大增加，而普通鋼芯鋁絞線已不能滿足容量快速擴(kuò)容的需求[1-4]，電量的傳輸效率制約著電力工業(yè)的發(fā)展，因此世界上許多國家都在研制新型節(jié)能導(dǎo)線，來替代普通的架空輸電導(dǎo)線，在截面積相同的情況下提高輸電效率減少線路損耗；另外，導(dǎo)線在輸送電量的同時(shí)產(chǎn)生電能損耗，因此在輸電容量相同的情況下，如何減少線路損耗也成為各國高度關(guān)注的課題。而電能損耗主要包括電暈損耗和電阻損耗[5-7]。且在截面積相同的情況下電暈損耗是一樣的，在電暈損耗基本相同的時(shí)候，線路的損耗主要由電阻損耗和一小部分的集膚效應(yīng)所引起的損耗來決定。

隨著國內(nèi)電力工業(yè)新材料和新工藝的飛速發(fā)展，我國不斷開發(fā)出具有高導(dǎo)電率的新型導(dǎo)線，目前具有代表性的導(dǎo)線主要有鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線、中強(qiáng)度鋁合金絞線等3種導(dǎo)線。本文主要針對電阻損耗對幾種新型節(jié)能輸電導(dǎo)線進(jìn)行分析，在截面積相同的情況下分析不同類導(dǎo)線的電阻損耗，環(huán)境效益，投資效益，比較其節(jié)能效果，為節(jié)能導(dǎo)線選型的推廣和開發(fā)更高導(dǎo)電率的導(dǎo)線提供借鑒。

1　節(jié)能導(dǎo)線型號(hào)及特點(diǎn)

普通鋼芯鋁絞線的鋼芯主要起保證強(qiáng)度的作用，鋁線主要用來輸送電量，鋼芯鋁絞線結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便、易于維護(hù)和線路成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是其傳輸效率已經(jīng)不能滿足傳輸電量快速增容的需求，因此，我國不斷地開發(fā)高導(dǎo)電率的新型導(dǎo)線有以下3類。

(1)鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線

鋁的導(dǎo)電率與鋁的合金元素和制備工藝有關(guān)，理論上鋁的純度越高其導(dǎo)電率越大最大可達(dá)64%，但是隨著鋁純度的增高，鋁錠在強(qiáng)度和硬度等機(jī)械性能上會(huì)受到影響，滿足不了市場需求，而且其價(jià)格成本高，阻礙鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線的全面推廣應(yīng)用[8-9]。然而通過對合金元素和抜拉工藝等一些工藝參數(shù)的控制可使得其導(dǎo)電率達(dá)到63%，同時(shí)能保證鋁線強(qiáng)度滿足國際標(biāo)準(zhǔn)。其傳輸效率提高，從而降低線路的電阻損耗，另外其桿塔結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和施工條件與普通鋼芯鋁絞線幾乎一樣，可見在截面積相同的情況下降低了荷載，從而降低了工程造價(jià)。

(2)鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線

此導(dǎo)線由導(dǎo)電率為53%的鋁合金芯取代傳統(tǒng)輸電線的芯部和局部鋁線，使得幾乎沒有傳輸電力的承力構(gòu)件有了輸電能力，改進(jìn)后的鋁合金芯鋁線比鋼芯鋁絞線的直流電阻更低，從而降低了線損提高了傳輸效率，并且鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線由于其質(zhì)量輕，在相同載流量的前提下，鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線比傳統(tǒng)鋁絞線的張力和垂直載荷降低7%～10%，并且其表面硬度與傳統(tǒng)電線的表面硬度幾乎相同，另外，在工程施工時(shí)不需要采用特別的防護(hù)，常規(guī)的施工方法和設(shè)備可以直接應(yīng)用于施工過程中。

(3)中強(qiáng)度鋁合金絞線

此導(dǎo)線經(jīng)過非熱處理工藝生成的，其導(dǎo)電率約58.5%～59%，它無論在設(shè)計(jì)、制造還是在施工、運(yùn)行方面均有諸多優(yōu)點(diǎn)，并已經(jīng)被應(yīng)用在世界上許多國家。而我國的此類導(dǎo)線是選用58.5%IACS鋁合金全部替換普通鋼芯鋁絞線[10]。從而降低直流電阻，減少電阻損耗，來達(dá)到提高傳輸效率的目的。中強(qiáng)度鋁合金絞線相對于普通鋼芯鋁絞線其硬度大，重量輕，施工過程中能夠減少導(dǎo)線磨損，同時(shí)可以減少運(yùn)行時(shí)電暈損失及無線電干擾水平。除此之外，此導(dǎo)線屈服強(qiáng)度是傳統(tǒng)電線的1.5倍左右，從而減小了導(dǎo)線鼓包現(xiàn)象的產(chǎn)生。中強(qiáng)度鋁合金絞線的機(jī)械特性可以做到和傳統(tǒng)電線幾乎相同，大部分可以應(yīng)用一般的設(shè)計(jì)桿塔。

以上培養(yǎng)高職院校園林技術(shù)專業(yè)教師實(shí)踐能力的途徑都離不開學(xué)院制度上的保駕護(hù)航、政策上的積極支持，解決教師的后顧之憂，促進(jìn)高職院校專業(yè)教師自覺自愿地提高專業(yè)實(shí)踐能力的積極性。很多文章中都提到了譬如高職教師評(píng)定職稱標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別于普通高校系列職稱評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[11-12]，將教師企業(yè)頂崗實(shí)踐、技能大賽獲獎(jiǎng)、行業(yè)職業(yè)資格證書等納入評(píng)定職稱的加分項(xiàng)。

2　節(jié)能原理

當(dāng)電暈損耗相同時(shí)，輸電線路損耗主要有電阻損耗來決定，而電阻損耗由直流電阻決定，除此之外，在交流電輸電線路中還有少量肌膚效應(yīng)損耗和鐵損效應(yīng)損耗，該損耗約占線路損耗的2%～5%，因此，等截面積的情況下，輸電線路的總損耗量主要有直流電阻來決定。

為了測導(dǎo)線的直流電阻，試驗(yàn)采用使用儀器有QJ63型雙臂電橋(20.0級(jí))、低電阻測試架(1 m)、千分尺、試樣導(dǎo)線等。測定不同溫度下直流電阻，在測量單根導(dǎo)線時(shí)候應(yīng)該將其拉直，不要引起導(dǎo)線橫截面面積發(fā)生變化扭曲。通過處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出導(dǎo)線的材質(zhì)信息如表1所示。

表1　導(dǎo)線材質(zhì)信息

電阻損耗計(jì)算如下：

(1)單導(dǎo)線時(shí)對RDC的計(jì)算

(1)

式中：RDC為t時(shí)的每米導(dǎo)線直流電阻值，Ω/m；R20為20 ℃時(shí)的每米導(dǎo)線直流電阻值，Ω/m；t為導(dǎo)線運(yùn)行溫度，℃；α為電阻溫度系數(shù)。

(2)在輸電線路中，鋁線及鋁合金線因在空氣中氧化形成帶有絕緣特性的氧化膜，當(dāng)輸電線通入電流后，會(huì)沿著螺旋導(dǎo)線形成軸向磁場，盡管鋁線相鄰絞線的絞向能使得一部分磁場抵消，但是仍有一部分交變的磁場存在，從而使鋁絞線產(chǎn)生磁滯或者渦流，進(jìn)而導(dǎo)致功率損耗，同時(shí)引起電阻增大，即產(chǎn)出鐵損效應(yīng)損耗。另外趨膚效應(yīng)的影響下，使得在導(dǎo)線中電流的分布發(fā)生變化，從而交流電阻的隨之產(chǎn)生。計(jì)算交直流電阻比如下表達(dá)式。

(2)

K的計(jì)算按《裸線載流量計(jì)算方法》進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下式。

k1=0.996 09+0.018 578X-

0.030 226 3X2+0.020 735X3

其中，對于合成鋁合金絞線如下式(3)；對于單一鋁合金絞線如下式(4)。

(3)

(4)

式中：X為常數(shù)；f頻率50 Hz；D1為導(dǎo)線的外直徑，mm；D2為鋼芯的外直徑，mm。

對于單一鋁合金絞線K2=1，而對于合成鋁合金絞線K2如下式。

k2=0.999 47+0.0288 95Y-

0.005 934 8Y2+0.000 422 59Y3

其中，Y=I1/A，為常數(shù)。式中：I1為線電流，A；A為鋁截面積，mm2；

單根導(dǎo)線電流如下式：

(5)

則交流電阻比為K=k1·k2。

(3)每千米交流電阻值

則每千米總電阻為：

式中：m為常數(shù)，直流線路單極取1，雙極取2；交流線路單回取3，雙回取6；n分裂數(shù)。

(4)每千米電阻損耗

(6)

式中：R為每千米總電阻，Ω；I為載流量，A；τ為最大損耗的時(shí)間取 3 200 h。

3　實(shí)例計(jì)算

3.1電阻損耗節(jié)能計(jì)算分析

河北南網(wǎng)試點(diǎn)線路用導(dǎo)線為2×JL4/GIA-400/35型，其截面積為426.2 mm2，為保證導(dǎo)線總體截面積相同，此次對導(dǎo)線節(jié)能分析的截面積均在426.2 mm2～426.28 mm2之間。為了實(shí)現(xiàn)國網(wǎng)公司節(jié)能導(dǎo)線推廣應(yīng)用的節(jié)能要求，選擇溫塘-平山220 kV站線路工程作為本項(xiàng)目的示范工程之一，應(yīng)用新型節(jié)能導(dǎo)線針對電阻損耗進(jìn)行分析研究，線路全長約12.5 km。其中所選導(dǎo)線型號(hào)分別為普通鋼芯鋁絞線型號(hào)：JL/GIA-400/35，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線：JL4(GD)/GIA-400/35，鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁線：JL1/LHA2-210/220-18/19，中強(qiáng)度鋁合金絞線：JLHA3-425-37，計(jì)算并對比分析導(dǎo)線在60 ℃情況下的損耗電能。線路信息如表2，導(dǎo)線參數(shù)說明如表3，電阻損耗如表4。

表2　線路信息

結(jié)果分析：將數(shù)據(jù)進(jìn)行交直流的轉(zhuǎn)化計(jì)算并將電阻損耗進(jìn)行匯總，即在線路相同的情況下，使用不同類型的節(jié)能導(dǎo)線相對于普通鋼芯鋁絞線而言在電力傳輸和降低電量損耗上都有很大的提高，這體現(xiàn)了導(dǎo)線較好的電氣特性，但是3類節(jié)能導(dǎo)線的節(jié)能效果也有所區(qū)別，從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，普通導(dǎo)線JL/G1A-400/35型每千米電阻損耗為2.033 1×105kW·h/km，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線電阻損耗為1.976 8×105kW·h/km，比普通導(dǎo)線節(jié)省約2.7%，鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線電阻損耗為1.913 4×105kW·h/km，比普通導(dǎo)線節(jié)省約5.9%，中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-425-37型導(dǎo)線每公里電阻損耗可達(dá)1.866 3×105kW·h，其每千米電阻損耗電能比普通鋼芯鋁絞線節(jié)省了約8.2%。每條新型節(jié)能導(dǎo)線都比普通導(dǎo)線的電阻損耗要小，其中效果最好的是中強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA3-425-37，其次為鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁線。

表3　導(dǎo)線參數(shù)列表

表4　導(dǎo)線損耗數(shù)據(jù)及結(jié)果

3.2環(huán)境效益分析

有關(guān)資料顯示，發(fā)1 kW·h電需要300 g標(biāo)準(zhǔn)煤，而每燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤，向大氣環(huán)境排放CO22.6 t，SO220 kg，煙灰15 kg，灰渣260 kg，氮氧化合物9 kg。溫塘-平山220 kV站線路工程應(yīng)用中強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線JLHA3-425-37每年約節(jié)約62.55 t煤，減少CO2的排放量為162.63 t，SO2排放量為1 251 kg，煙灰排放量為938.25 kg，灰渣排放量為16 263 kg，氮氧化合物排放量為562.95 kg，3類節(jié)能導(dǎo)線的環(huán)境效益統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5　環(huán)境效益統(tǒng)計(jì)

3.3線路造價(jià)分析

本工程線路總長為12.5 km，按30年運(yùn)行期計(jì)算，在相同的設(shè)計(jì)條件下應(yīng)用不同類型的導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線成本和鐵塔的耗鋼量也存在差異，現(xiàn)對同截面節(jié)能導(dǎo)線和普通導(dǎo)線的投資成本以及電能損耗進(jìn)行對比分析。根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)0.455元/kW·h，年損耗小時(shí)數(shù)按3 200 h，各種導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性比較如表6所示。

表6　導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性比較

由表6經(jīng)濟(jì)比較可以看出，3類節(jié)能導(dǎo)線初次投資均高于普通鋼芯鋁絞線，其中中強(qiáng)度鋁合金的導(dǎo)線成本最高，但其節(jié)能性最好，在3年左右即可收回增量投資。本工程采用3類節(jié)能電線在30年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限內(nèi)，總的節(jié)電量可達(dá)211～625萬kW·h，所節(jié)約電量折算約96～285萬元，節(jié)能效果十分可觀。

4　結(jié)論

(1)3類新型節(jié)能導(dǎo)線相對于普通鋼芯鋁絞線而言均有較好的電氣特性，能減小電阻損耗，增大電量的傳輸效率，其中中強(qiáng)度鋁合金芯絞線電量損耗最低，節(jié)能性更加突出。

(2)節(jié)約電量的同時(shí)減少了二氧化碳、煙塵等污染物的排放，對營造良好的生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

(3)節(jié)能導(dǎo)線雖然初次投資比傳統(tǒng)輸電線成本高，但是其在很短的年限內(nèi)即可回收初次投資的額外增加成本，所以應(yīng)用新型節(jié)能導(dǎo)線取代普通鋼芯鋁絞線具有廣闊的前景。

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Energy-saving Effect Analysis of Energy-saving Wire in Transmission Line

LI Zhao1，LI Chunyan1，F(xiàn)ENG Yanting2

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang 050021，China)

In order to reduce the resistance loss, improve the efficiency of the transmission line and reach energy-saving effect. This article describes the energy conservation principle and characteristics of energy-saving efforts of the wire and marketed high conductivity steel-cored aluminum strand, aluminum alloy-cored aluminum stranded wire and medium intensity aluminum stranded wire. By measuring the DC resistance analyzing the concrete lines from resistive losses, environmental benefits and investment of line and comparing the energy-saving effect of three energy-saving wires. The results show that the energy-saving effect of medium intensity aluminum stranded wire is the best. Per kilometer saves electricity about 8.2% and it can recover the investment of equipment in three years. It has an important promotion value and may provide the reference for the future instead of common steel core aluminum stranded wire in the choice of the energy-saving wire.

transmission line; resistance loss; energy savings; application and dissemination

2016-07-12。

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5204HB140002)。

李釗(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邔?dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線研制及示范應(yīng)用，E-mail：lizhao_mail1016@163.com。

TM751

ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.10.005