考慮節(jié)能導(dǎo)線的500 k V輸電線路全壽命周期成本評估

張宇嬌 孫曉彤 王 杰 裴凱勝 相 瑤 鄧鈺科

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002；2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 合肥

230009；3.國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司， 武漢 430061；4.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 東莞供電局， 廣東 東莞523000；5.國網(wǎng)滄州供電公司， 河北 滄州 061000)

隨著綠色經(jīng)濟(jì)理念的提出及其發(fā)展，電力行業(yè)成為國家節(jié)能減排的重點(diǎn)對象[1]，如何在保證用戶供電需求的前提下減少輸電線路的電能損耗，降低發(fā)電所造成的溫室氣體排放量，成為電力行業(yè)熱點(diǎn)問題，節(jié)能導(dǎo)線應(yīng)運(yùn)而生.自1980年初期以來，我國開始導(dǎo)線降損研究，近年來，“兩型三新”在電網(wǎng)建設(shè)中的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，對比傳統(tǒng)輸電線路，“兩型三新”線路在保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的同時(shí)，節(jié)省了線路走廊、提高輸電容量，進(jìn)一步降低了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)成本，加強(qiáng)了對環(huán)境的保護(hù)，推廣節(jié)能導(dǎo)線應(yīng)用勢在必行[2].文獻(xiàn)[3]雖然對導(dǎo)線性能進(jìn)行對比，但未在經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中體現(xiàn)，僅考慮了導(dǎo)線單價(jià)的影響；文獻(xiàn)[4-5]在運(yùn)行損耗成本計(jì)算中僅考慮電阻損耗，電暈損耗被忽略；文獻(xiàn)[6]忽略了風(fēng)偏角對桿塔塔頭尺寸的影響.導(dǎo)線性能是全壽命周期成本的直接影響因素，需進(jìn)一步計(jì)算分析.本文引入全壽命周期理論，針對500 k V線路，著重考慮導(dǎo)線性能，即弧垂、風(fēng)偏、電阻損耗、電暈損耗對一次投資成本和運(yùn)行損耗成本的影響，將線路經(jīng)濟(jì)使用年限內(nèi)的全壽命周期成本作為評估標(biāo)準(zhǔn)，選出經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的節(jié)能導(dǎo)線.

1 節(jié)能導(dǎo)線類型

節(jié)能導(dǎo)線是指在等截面的情況下，比常規(guī)鋼芯鋁絞線直流電阻小的導(dǎo)線[7]，主要包括鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線、鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線以及中強(qiáng)度鋁合金絞線，其導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)圖

鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線結(jié)構(gòu)與常規(guī)鋼芯鋁絞線完全相同，僅外層鋁線的材料有所區(qū)別.外層鋁線為高導(dǎo)電率硬鋁，經(jīng)退火工藝加工后，鋁絞線的導(dǎo)電率由61%IACS提高至63%IACS，使得導(dǎo)線整體直流電阻減小，達(dá)到節(jié)能的目的.

鋁合金芯鋁絞線，內(nèi)層為高強(qiáng)度鋁合金芯，其導(dǎo)電率也可達(dá)53%IACS，既承擔(dān)拉力又可傳輸部分電流，增加導(dǎo)電面積，外層鋁線為導(dǎo)電率63%IACS的高導(dǎo)電率硬鋁，導(dǎo)線的導(dǎo)電率和載流面積同時(shí)得到提升.中強(qiáng)度鋁合金絞線為單一材料導(dǎo)線，由多根中強(qiáng)度鋁合金線絞合而成，其導(dǎo)電率均為58.5%IACS，在直流電阻降低的同時(shí)將抗拉強(qiáng)度提升230～295 MPa，弧垂低且具有良好的載流傳輸性能.中強(qiáng)度鋁合金絞線的直流電阻在3種節(jié)能導(dǎo)線中處于最低水平，節(jié)能降耗量尤為明顯.

2 輸電線路全壽命周期成本

輸電線路的全壽命周期成本(LCC)主要由一次投資成本(IC)、運(yùn)行維護(hù)成本(MC)、運(yùn)行損耗成本(OC)、故障引起的中斷供電損失成本(FC)、報(bào)廢成本(DC)構(gòu)成[8-9].

圖2 導(dǎo)線全壽命周期成本結(jié)構(gòu)

一次投資成本(IC)是指線路建設(shè)時(shí)期一次性投入的成本，主要包括導(dǎo)線投資和桿塔及基礎(chǔ)投資，受導(dǎo)線機(jī)械性能影響[6].

式中，IC1、IC2分別為導(dǎo)線投資和桿塔及基礎(chǔ)投資成本.

運(yùn)行維護(hù)成本(MC)指線路運(yùn)行期間的日常維護(hù)和計(jì)劃檢修成本，通常用一次投資成本的百分比形式來表示，與一次投資成本直接相關(guān).

式中，μ為設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率，通常取1.4%.

運(yùn)行損耗成本(OC)即線路運(yùn)行過程中產(chǎn)生的能耗成本，包括電暈損耗成本和電阻損耗成本，主要受導(dǎo)線電氣性能的影響.

式中，ΔLS為電暈損耗(k W·h/km)；ΔLR為電阻損耗(k W·h/km)；P為電價(jià)(元/(k W·h)).

中斷供電損失成本(FC)即線路因發(fā)生故障而造成的自身經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失.

報(bào)廢成本(DC)是指線路到達(dá)其經(jīng)濟(jì)使用年限后，清理、回收、拆除線路中各個(gè)設(shè)備所需要的費(fèi)用之和，其值可為正、負(fù)、零.這一部分的計(jì)算通常以歷史回收數(shù)據(jù)為參考進(jìn)行估算.

對于同一線路，其中斷供電損失成本相同，對全壽命周期成本比較無影響，因此在導(dǎo)線全壽命周期成本評估中忽略中斷供電損失成本的計(jì)算，重點(diǎn)考慮一次投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、運(yùn)行損耗成本和報(bào)廢成本.同時(shí)，全壽命周期成本中的一次投資成本、運(yùn)行損耗成本因?qū)Ь€的機(jī)械性能和電氣性能的不同而不同，因此，對導(dǎo)線性能進(jìn)行分析十分必要.

3 輸電線路全壽命周期成本影響因素

為比較采用不同節(jié)能導(dǎo)線的輸電線路全壽命周期成本，需對差異部分進(jìn)行分析，確定全壽命周期成本影響因素.

3.1 一次投資成本影響因素

一次投資成本包括導(dǎo)線投資、桿塔及基礎(chǔ)投資.其中，導(dǎo)線弧垂大小直接決定桿塔呼稱高度進(jìn)而影響桿塔投資，同時(shí)弧垂與檔內(nèi)線長呈正相關(guān)，從而決定導(dǎo)線投資.導(dǎo)線在風(fēng)荷載的作用下發(fā)生偏擺，使導(dǎo)線對桿塔或線路周圍樹木的電氣距離減小，因此桿塔塔頭間隙主要由風(fēng)偏角影響[5，10].風(fēng)偏過大時(shí)，為保證線路安全運(yùn)行，需適當(dāng)增加塔頭尺寸，進(jìn)而影響線路的桿塔及基礎(chǔ)投資.因此，需對3種節(jié)能導(dǎo)線的弧垂、風(fēng)偏角進(jìn)行分析.3.1.1 導(dǎo)線弧垂

導(dǎo)線弧垂主要受導(dǎo)線的自重、鋁鋼截面比和計(jì)算拉斷力等要素影響.架空線上荷載主要由自重、冰重和風(fēng)荷載組成，且通常為不均勻荷載.為簡化計(jì)算，假設(shè)荷載均勻分布[11].

導(dǎo)線的應(yīng)力隨氣象條件的變化而變化.控制氣象條件是使導(dǎo)線的應(yīng)力最大的氣象條件，且不同檔距下的控制氣象條件不同.通過式(4)計(jì)算臨界檔距判別各檔距范圍內(nèi)的控制氣象條件.

式中，l ij為臨界檔距(m)；[σ0]i、[σ0]j為第Ⅰ、Ⅱ狀態(tài)下架空線的許用應(yīng)力(MPa)；t i、t j分別為第Ⅰ、Ⅱ狀態(tài)下架空線的溫度(℃)；γi、γj分別為第Ⅰ、Ⅱ狀態(tài)下架空線的比載[N/(m·mm2)]；α為架空線的溫度膨脹系數(shù)(1/℃)；E為架空線的彈性系數(shù)(MPa).

以各檔距范圍的控制氣象條件為已知條件，以各氣象條件為待求條件，利用狀態(tài)方程式(5)和弧垂平拋物線公式(6)求得各氣象條件下的應(yīng)力和弧垂，得到導(dǎo)線的弧垂特性曲線.

式中，σ01、σ02分別為兩種狀態(tài)下架空線弧垂最低點(diǎn)應(yīng)力(MPa)；γ1、γ2分別為兩種狀態(tài)下架空線的比載[N/(m·mm2)]；t1、t2分別為兩種狀態(tài)下架空線的溫度(℃)；l為該檔的檔距(m)；α為架空線的溫度膨脹系數(shù)(1/℃)；E為架空線的彈性系數(shù)(MPa).

式中，fm為架空線最大弧垂(m)；f1/2為檔距中點(diǎn)處架空線弧垂(m)；σ0為架空線弧垂最低點(diǎn)應(yīng)力(MPa)；γ為架空線比載[N/(m·mm2)]；l為檔距(m).

3.1.2 導(dǎo)線風(fēng)偏

導(dǎo)線受風(fēng)力作用會(huì)偏離其垂直位置，使導(dǎo)線的線間距離或?qū)Ь€對桿塔及周圍物體的電氣距離減小，易產(chǎn)生放電.因此導(dǎo)線風(fēng)偏直接關(guān)系到線路運(yùn)行安全，決定桿塔塔頭尺寸.

導(dǎo)線風(fēng)偏角按以下公式計(jì)算[12]

式中，g1、g4分別為導(dǎo)線自重比載和無冰風(fēng)壓比載.

3.2 運(yùn)行損耗成本影響因素

運(yùn)行損耗成本即電暈電阻損失成本，與電阻損耗和電暈損耗直接相關(guān)，需對其進(jìn)行分析.3.2.1 電阻損耗

電阻損耗指交流電阻損耗，由趨膚效應(yīng)、鐵損和直流電阻共同產(chǎn)生[13].

根據(jù)《110～750k V架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50545-2010)規(guī)定，電阻損耗的計(jì)算公式為

式中，Q為電阻損耗能量(k W·h)；I為負(fù)荷電流(A)；τ為線路損耗小時(shí)數(shù)(h)；R為線路交流電阻(Ω).

交流電阻值根據(jù)交直流電阻比k確定其中，k1為趨膚效應(yīng)系數(shù)，k2為鐵損效應(yīng)系數(shù)，趨膚效應(yīng)系數(shù)和鐵損效應(yīng)系數(shù)的計(jì)算方法可參照日本頒布的標(biāo)準(zhǔn)“裸線載流量計(jì)算方法”(JCS0374：2003)，具體公式如下：

式中，x，y為常數(shù)，其取值見表1.

表1 趨膚效應(yīng)系數(shù)與鐵損效應(yīng)系數(shù)中常數(shù)取值表

3.2.2 電暈損耗

電暈損耗是指導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度超過一定臨界值時(shí)，導(dǎo)線周圍空氣在電場作用下電離發(fā)生電暈放電所造成的能量損失，其主要與導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度有關(guān).三相線路的年平均電暈功率損耗為三相導(dǎo)線在各種天氣狀況(好天氣、雨天、雪天、霧凇天)下的功率損耗之和[14].

式中，Pt為平均年三相功率損失(W/m)；Em1、Em2、Em3為三相導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度(MV/m)；

對于500 k V輸電線路，臨界電場強(qiáng)度的計(jì)算公式[14]為

式中，Em0為臨界電場強(qiáng)度(MV/m)；m為導(dǎo)線表面系數(shù)，絞線一般取0.82；δ為相對空氣密度，δ=289×

導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度采用有限元仿真進(jìn)行計(jì)算.

4 算 例

為對比3種節(jié)能導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性，選取500 k V線路常用截面積為675 mm2的4種導(dǎo)線，導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)見表2，在湖北地區(qū)典型氣象條件下進(jìn)行計(jì)算，氣象條件見表3.

表2 導(dǎo)線型號(hào)及技術(shù)參數(shù)表

表3 氣象條件表

4.1 導(dǎo)線性能比較

導(dǎo)線性能直接影響線路的一次投資成本和運(yùn)行損耗成本，對導(dǎo)線性能分析，進(jìn)而確定全壽命周期成本計(jì)算中的有關(guān)參數(shù).

4.1.1 導(dǎo)線弧垂

計(jì)算所選鋼芯鋁絞線及與其等截面的3種節(jié)能導(dǎo)線在最高氣溫下的弧垂，計(jì)算結(jié)果如圖3所示.

圖3 導(dǎo)線弧垂比較圖

由此可以看出，與常規(guī)鋼芯鋁絞線相比，鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線的弧垂特性與其相同，鋁合金芯鋁絞線的弧垂較小但相差不大，可直接采用鋼芯鋁絞線所用桿塔.中強(qiáng)度鋁合金絞線的弧垂明顯小于鋼芯鋁絞線，降低相應(yīng)桿塔呼高，進(jìn)而降低桿塔及基礎(chǔ)投資.

4.1.2 風(fēng)偏角

計(jì)算大風(fēng)工況下的導(dǎo)線風(fēng)偏角，見表4.

表4 風(fēng)偏角度表

鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線的風(fēng)偏角與鋼芯鋁絞線相同，塔頭尺寸相同；由于鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度鋁合金絞線的質(zhì)量較輕，其導(dǎo)線風(fēng)偏角大于常規(guī)鋼芯鋁絞線，應(yīng)適當(dāng)增加桿塔塔頭尺寸，保證線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，桿塔投資有所增加.

4.1.3 電阻損耗

計(jì)算電阻損耗時(shí)，應(yīng)考慮導(dǎo)線發(fā)熱升溫后的電阻變化，其中環(huán)境溫度按當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁赜?jì)算，損耗小時(shí)數(shù)取3 200 h，導(dǎo)線運(yùn)行溫度及電阻損耗見表5.

表5 電阻損耗表

3種節(jié)能導(dǎo)線的電阻損耗均小于常規(guī)鋼芯鋁絞線，具有良好的節(jié)能效果，從而節(jié)約線路運(yùn)行成本.

4.1.4 電暈損耗

線路沿線各種氣象條件小時(shí)數(shù)見表6.

表6 氣象條件小時(shí)數(shù)表

采用有限元數(shù)值計(jì)算方法對導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示.

導(dǎo)線為4分裂導(dǎo)線，分裂間距為400 mm，計(jì)算導(dǎo)線的臨界電場強(qiáng)度，得到表面電場強(qiáng)度與臨界電場強(qiáng)度的比值Em/Em0.根據(jù)電場強(qiáng)度比值與氣象條件小時(shí)數(shù)，運(yùn)用式(12)計(jì)算得到線路年均電暈損耗值，計(jì)算結(jié)果見表7.

圖4 導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度

表7 電暈損耗表

4.2 輸電線路全壽命周期成本評估

4.2.1 一次投資成本比較

一次投資成本即線路的本體投資成本，主要由導(dǎo)線和桿塔購買成本及安裝成本組成.根據(jù)目前市場報(bào)價(jià)，計(jì)算所用導(dǎo)線的每千米投資成本[15-16].鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線的機(jī)械性能與常規(guī)鋼芯鋁絞線相同，不影響桿塔及基礎(chǔ)投資；綜合考慮導(dǎo)線弧垂和風(fēng)偏的影響，鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度鋁合金絞線的桿塔和基礎(chǔ)投資需在鋼芯鋁絞線的基礎(chǔ)上有所增加[16]，桿塔投資分別增加3%和2.5%，基礎(chǔ)投資增加0.5%，一次投資成本及差價(jià)見表8.

由于節(jié)能導(dǎo)線的導(dǎo)線單價(jià)較高且風(fēng)偏角較大，3種節(jié)能導(dǎo)線的一次投資成本均高于常規(guī)鋼芯鋁絞線.

表8 一次投資成本比較

4.2.2 年運(yùn)行損耗成本比較

運(yùn)行損耗成本即電暈電阻損耗成本，根據(jù)式(3)，以電價(jià)為0.5元/(k W·h)進(jìn)行計(jì)算，線路的年運(yùn)行成本及價(jià)差見表9.

表9 年運(yùn)行損耗成本比較

由于節(jié)能導(dǎo)線交流電阻較小，線路運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行損耗成本均小于常規(guī)鋼芯鋁絞線，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，3種節(jié)能導(dǎo)線中，中強(qiáng)度鋁合金絞線的節(jié)能效果最為優(yōu)越.

4.2.3 全壽命周期成本比較

全壽命周期評估的計(jì)算條件如下：線路經(jīng)濟(jì)使用年限為30年；年最大損耗小時(shí)數(shù)按3 200 h進(jìn)行計(jì)算；運(yùn)行維護(hù)成本通過一次投資成本乘以設(shè)備維護(hù)費(fèi)率計(jì)算，如式(2)，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率為1.4%；電價(jià)按0.5元/(k W·h)計(jì)算；將報(bào)廢成本按全壽命周期成本的2%計(jì)算；以鋼芯鋁絞線為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行年費(fèi)用比較.計(jì)算結(jié)果見表10.

表10 全壽命周期成本比較 (單位：萬元·km-1)

由此可知，由于導(dǎo)線性能和單價(jià)的影響，節(jié)能導(dǎo)線的本體投資均高于鋼芯鋁絞線，但節(jié)能導(dǎo)線的電能損耗較小，具有良好的節(jié)能效果，隨著時(shí)間的積累，線路的運(yùn)行損耗成本降低，致使整條線路的全壽命周期成本均小于鋼芯鋁絞線，具有良好的經(jīng)濟(jì)性.其中，鋁合金芯鋁絞線的全壽命周期成本最小，同時(shí)最適用于500 k V線路，每千米線路的全壽命周期成本降低43.46萬元.

5 結(jié) 論

通過對等截面的3種節(jié)能導(dǎo)線性能分析及線路全壽命周期成本評估，可以得出以下結(jié)論：

1)通過降低導(dǎo)線電阻率，增加載流截面，3種節(jié)能導(dǎo)線的電能損耗較常規(guī)鋼芯鋁絞線均有所減小，具有良好的節(jié)能效果，其中節(jié)能效果最優(yōu)的是中強(qiáng)度鋁合金絞線，電能損耗減少4.29%.

2)鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線的機(jī)械性能與鋼芯鋁絞線基本相同，不影響線路桿塔、基礎(chǔ)造價(jià)；鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度鋁合金絞線的弧垂較小，風(fēng)偏角較大，應(yīng)適當(dāng)減小桿塔高度，增加塔頭尺寸.

3)節(jié)能導(dǎo)線價(jià)格普遍較高，但由于其良好的節(jié)能效果，其全壽命周期成本均低于常規(guī)鋼芯鋁絞線，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能導(dǎo)線可全面替代常規(guī)鋼芯鋁絞線.

4)考慮導(dǎo)線單價(jià)、節(jié)能效果和線路結(jié)構(gòu)，采用鋁合金芯鋁絞線時(shí)線路的全壽命周期成本最低，鋁合金芯鋁絞線的綜合性能最優(yōu)，且最適合500 k V輸電線路.