110 kV新能源集中送出線路導線選型

石偉釗，劉曉林

（國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，天津 河東300171）

節(jié)能導線是指等外徑條件下，與鋁線導電率為61% IACS 的鋼芯鋁絞線相比，直流電阻（20 ℃）更小的導線[1]。采用節(jié)能導線可降低工程壽命周期總體費用，提高電網(wǎng)運營效益。

2012年，國家電網(wǎng)有限公司啟動輸電線路節(jié)能導線研究和試點應用工作。2017年，為進一步貫徹全壽命周期理念，深入推進節(jié)能減排工作，國家電網(wǎng)有限公司提出要深化實施、推進節(jié)能導線全面應用。

本文首先分析了天津市電力公司節(jié)能導線的應用現(xiàn)狀，之后對節(jié)能導線的電氣性能、機械性能和費用進行了分析，最后以某110 kV風電集中送出線路為例進行了全壽命周期[2-3]對比分析。

1 天津市電力公司應用情況

截至2020年5月，天津市電力公司共計在運節(jié)能導線線路40條，線路總長598608 m。3種推薦的節(jié)能導線中，鋁合金芯鋁絞線應用最多，中強度鋁合金絞線次之，鋼芯高導電率鋁絞線最少，個別線路采用了鋼芯鋁合金絞線，線路長度為1586.56 m，如圖1所示。按照電壓等級劃分，110 kV應用節(jié)能導線最少；220 kV最多，共應用了8種型號的節(jié)能導線，如圖2所示。按投產(chǎn)年份劃分，節(jié)能導線集中在2017年至2019年投產(chǎn)，相對運行經(jīng)驗積累較少，如圖3所示。

2 節(jié)能導線設(shè)計

本節(jié)分析國家電網(wǎng)有限公司推廣應用的鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯高導電率鋁絞線和中強度鋁合金絞線共3種類型的節(jié)能導線[4]。

圖1 不同類型節(jié)能導線在運線路總長

圖2 不同電壓等級各型號節(jié)能導線在運線路總長

圖3 不同年份節(jié)能導線投產(chǎn)線路總長

2.1 節(jié)能導線的電氣特性比較

導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，主要影響線路的運行電能損耗和事故情況下的過負荷能力。電能損耗包括電阻損耗和電暈損耗兩部分，相同截面導線電磁環(huán)境條件和電暈損耗是一致的，不再比較。另外，工程計算也表明110～500 kV 電壓等級下導線的電暈損耗是可以忽略不計的，故僅比較電阻損耗和載流量。交流電阻損耗參考日本電線與電纜制作協(xié)會頒發(fā)的標準JCS 0374：003“裸導線載流量計算方法”進行計算[5]。

2.1.1 不同截面規(guī)格導線的節(jié)能對比

20 ℃直流電阻相比鋼芯鋁絞線耗能降低值如表1所示。

表1 不同截面規(guī)格導線的節(jié)能對比

可以看出中強度鋁合金導線在導線截面較小時節(jié)能優(yōu)勢最大，隨著導線截面變大，優(yōu)勢有所下降；鋁合金芯高導電率鋁絞線節(jié)能優(yōu)勢較大，同中強度鋁合金導線一樣，導線截面變大后，優(yōu)勢有所下降；鋼芯高導電率鋁絞線節(jié)能優(yōu)勢相對較小，但導線截面增大時，節(jié)能優(yōu)勢基本不變，各導線都具有一定的節(jié)能效果。

2.1.2 不同截面規(guī)格導線載流量對比

按照環(huán)境溫度40 ℃，導線溫度70 ℃計算載流量如表2所示。

表2 不同截面規(guī)格導線的載流量對比

可以看出，3 種節(jié)能導線的載流量較鋼芯鋁絞線都有一定的增加，約2%～3%。

2.2 節(jié)能導線的機械特性比較

導線的機械特性主要包括機械強度、荷載、弧垂特性、導線風偏、覆冰過載能力等參數(shù)，對線路的安全運行和造價影響很大。

2.2.1 正常荷載

節(jié)能導線與鋼芯鋁絞線規(guī)格相同，水平荷載也相同。由于節(jié)能導線一般采用高導硬鋁或鋁合金，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)能導線的張力荷載。以普通鋼芯鋁絞線為基準，在安全系數(shù)2.5時各導線的最大張力對比如表3所示。

表3 各節(jié)能導線的最大張力對比

可以看出鋼芯高導電率鋁絞線的機械特性與鋼芯鋁絞線完全一致，張力也相同；中強度鋁合金導線在截面較小時，張力比鋼芯鋁絞線小約12%，隨著導線截面增大，中強度鋁合金絞線的張力迅速增加，在400 mm2規(guī)格時已基本接近鋼芯鋁絞線，在630 mm2截面時已超過了鋼芯鋁絞線8.6%。為了滿足通用設(shè)計模塊桿塔使用條件，對630 mm2截面中強度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。

2.2.2 耐張串強度

根據(jù)初步測算，相同規(guī)格下，各節(jié)能導線所匹配的耐張串強度相同，如表4所示。

表4 各節(jié)能導線所匹配的耐張串強度

2.2.3 導線弧垂

以普通鋼芯鋁絞線為基準，各節(jié)能導線弧垂對比如表5所示，可以看出，630 mm2截面導線中強度鋁合金絞線（與鋼芯鋁絞線同荷載）最優(yōu)，LHA1鋁合金芯高導電率鋁絞線與鋼芯（高導電率）鋁絞線基本一致。400 mm2截面導線中強度鋁合金絞線最優(yōu)，LHA1 鋁合金芯高導電率鋁絞線次優(yōu)，鋼芯（高導電率）鋁絞線居中。

表5 各節(jié)能導線的弧垂對比 m

2.2.4 過載能力

過載冰厚體現(xiàn)了導線抵御冰災的能力，過載冰驗算的氣象條件為：氣溫－5 ℃、風速10 m/s。驗算覆冰時弧垂最低點的最大張力不超過額定拉斷力的70%，懸掛點的最大張力不超過額定拉斷力的77%，各導線過載冰厚如表6所示。

表6 不同截面導線不同檔距下過載冰厚表 mm

從表6 可看出，中強度全鋁合金絞線在導線截面較小時過載能力略差，隨著導線截面變大，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；鋁合金芯鋁絞線過載能力稍差；鋼芯高導電率鋁絞線覆冰過載能力居中。

2.2.5 風偏

對天津地區(qū)常用的各模塊II 型塔按節(jié)能導線計算規(guī)劃搖擺角，并校核實際鐵塔允許搖擺角，結(jié)果如表7所示，均不超限。

表7 導線搖擺角校驗結(jié)果

2.3 經(jīng)濟性比較

2.3.1 導線費用走勢

導線單價走勢：根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布的“電網(wǎng)工程設(shè)備材料價格季度信息價”，選取2017年3 季度至今導線相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，由于各季度信息價中均不包含中強度鋁合金絞線，下文中未進行對比。以鋼芯鋁絞線為基準，400/35截面節(jié)能導線與鋼芯鋁絞線的價格對比如圖4 所示，630/45 截面節(jié)能導線與鋼芯鋁絞線的價格對比如圖5 所示。由圖可以看出，隨著生產(chǎn)工藝的成熟，兩種截面的節(jié)能導線與鋼芯鋁絞線的價格對比趨于穩(wěn)定，JL1/LHA1鋁合金芯鋁絞線與JL/G1A鋼芯鋁絞線的價格比約為1.12，JL3/G1A 鋼芯高導電率鋁絞線與JL/G1A鋼芯鋁絞線的價格比約為1.05。

圖4 400/35截面導線價格比

圖5 630/45截面導線價格比

導線單位單公里費用走勢：計算導線單公里費用時需考慮導線的單價和單位重量兩個因素，鋼芯高導電率鋁絞線JL3/G1A與鋼芯鋁絞線JL/G1A單位重量一致，則導線的單公里費用變化趨勢與導線單價變化趨勢一致；鋁合金芯鋁絞線JL1/LH1 的單位重量與鋼芯鋁絞線JL/G1A單位重量不一致，單公里費用變化趨勢如圖6 所示。由圖6 可以看出，JL1/LHA1-465/210 與JL/G1A-630/45 單公里導線所需費用基本一致，JL1/LHA1-210/220 與JL/G1A-400/35相比，單公里所需費用略低2%～3%。

圖6 JL1/LH1與JL/G1A單公里費用對比

2.3.2 導線單公里費用

文中分析以2020 年第1 季度信息價為參考，各節(jié)能導線與同規(guī)格的鋼芯鋁絞線單公里價格對比如表8、表9 所示，除中強度鋁合金絞線為詢價、結(jié)合不同類型導線相對價格比得出外，其余導線單價均摘自國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布的2020 年第1 季度信息價。

表8 400 mm2截面導線信息價

表9 630 mm2截面導線信息價

經(jīng)查詢近3 年國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布的設(shè)備信息價，均無JLHA3 中強度鋁合金絞線，JL3/LHA1鋁合金芯鋁絞線僅在2020 年1 季度信息價中出現(xiàn)1次，各季度設(shè)備信息價中均給出了JL1/LHA1 鋁合金芯鋁絞線、JL3/G1A 鋼芯高導電率鋁絞線、JL/G1A 鋼芯鋁絞線和JL/LB20A 鋁包鋼芯鋁絞線多種不同截面規(guī)格的信息價。

具體費用方面，JL3/LHA1、JLHA3 價格最高，單公里費用比普通鋼芯鋁絞線高10%以上；JL3/G1A 單公里費用比普通鋼芯鋁絞線高4%～5%，JL1/LHA1單公里費用與普通鋼芯鋁絞線相當，其中JL1/LHA1-210/220 比JL/G1A-400/35 低2%，JL1/LHA1-465/210 比JL/G1A-630/45 高2%；JL/LB20A單公里費用與普通鋼芯鋁絞線基本持平。

2.3.3 鐵塔和基礎(chǔ)費用

目前，輸電線路設(shè)計一般均采用通用設(shè)計模塊，在導線截面相當?shù)那闆r下，對于常用的110 kV和220 kV送出線路，各節(jié)能導線的荷載均接近或不超過鐵塔設(shè)計條件、搖擺角也均不超限。為簡單化比較，可僅考慮弧垂對塔高的影響，同等條件下，鋁合金芯鋁絞線、鋼芯鋁絞線和鋼芯高導電率鋁絞線弧垂基本一致，中強度鋁合金絞線弧垂最小，可減小弧垂約0.5～1 m，在線路較長、轉(zhuǎn)角塔占比較低的情況下，可通過優(yōu)化桿塔排位來減少基數(shù)，考慮到線路路徑受地方規(guī)劃、走廊、交叉跨越等因素影響程度較大，線路直線段長度較短，不再考慮桿塔優(yōu)化排位降低工程投資的情況。上述比較不涉及鐵塔基數(shù)變化，對基礎(chǔ)作用力影響較小，因此不必考慮基礎(chǔ)造價的變化。

對于本文中采用的算例，由于不同類型導線的截面不一致，需考慮導線截面增大導致的鐵塔和基礎(chǔ)費用增加。

2.3.4 年費用對比

按電力工業(yè)部(82)電計字第44 號文《頒發(fā)“電力工程經(jīng)濟分析暫行條例”的通知》第十五條經(jīng)濟計算-年費行最小法。線路工程簡化計算公式為：

折算到工程投運年的總投資：式中：NF為年平均費用（平均分布在m+l 到m+n期間的n年內(nèi)）；N為工程的經(jīng)濟使用年限；Z為折算后的工程總投資。

式中：T為從開工這一年起到計算年的年數(shù)；M為工程施工年數(shù)；Zt為第t年的建設(shè)投資(萬元)；r0為電力工業(yè)投資回收率；μ為折算年運行費用。

式中：t0為工程部分投產(chǎn)的年份；Ut為運行費用。

3 風電集中送出地區(qū)導線選擇

天津某風電集中地區(qū)計劃新建風電場4座，裝機總?cè)萘糠謩e為50 MW、50 MW、47 MW 和76 MW。由于缺乏并網(wǎng)點，考慮新建一個雙回110 kV線路將風電場所發(fā)電能送出，其中兩座50 MW風電場采用一回110 kV線路，另外兩座風電場采用另一回110 kV線路?？紤]功率因數(shù)為0.95，則110 kV 送出線路長期允許載流量應不低于：

3.1 導線初選

根據(jù)《電力工程設(shè)計手冊：架空輸電線路設(shè)計》[6]：各地最熱月平均氣溫，取環(huán)境溫度35 ℃、導線溫度70 ℃計算得出各種型式導線載流量如表10所示。

表10 不同型式導線載流量

3.2 年費用比選

可以看出JLHA3-425、JL/G1A-500/35、JL3/G1A-500/35、JL1/LHA1-210/230 和2×JL/G1A-240/30 均滿足要求。2×JL/G1A-240/30 的導線、鐵塔和基礎(chǔ)費用明顯偏高，不再進行經(jīng)濟型比較，以下對前4種導線進行經(jīng)濟性比選，如表11所示。

表11 年費用比選表

110 kV線路，經(jīng)濟使用年限為40年，施工期按2年計，前一年投資為60%，后一年投資為40%。

本線路為風電場送出線路，輸送容量為223 MW，風電場年最大負荷利用小時數(shù)通常在2000 h 左右，取2500 h，相應最大損耗小時數(shù)按1100 h計。

設(shè)備運行維護費率為1.4%。

電力工程回收率按工程投資的8%計。

電價按當?shù)貙嶋H上網(wǎng)電價計，取0.47元。

從電能損耗看，由于截面較小，中強度鋁合金絞線JLHA3-425 導線損耗最大，鋼芯鋁絞線JL3/G1A-500/35 導線損耗最??；從導線年費用最小看，若按照經(jīng)濟使用年限40 年計算，由于初始投資低，風電場年最大負荷利用小時數(shù)和最大損耗小時數(shù)較小的情況下，中強度鋁合金絞線JLHA3-425導線年費用最小。

因此，綜合考慮費用因素和國家電網(wǎng)有限公司通用設(shè)計桿塔適用情況，本工程最終選擇導線型號為JLHA3-425。

4 結(jié)束語

與常規(guī)鋼芯鋁絞線相比，節(jié)能導線一方面具有良好的節(jié)能效果，另一方面又可為降低“線損”做出貢獻。

從導線的電氣性能和機械性能方面考慮，節(jié)能導線在輕冰區(qū)和中冰區(qū)均能適用。從單公里導線費用考慮，鋼芯高導電率鋁絞線JL3/G1A 與鋼芯鋁絞線JL/G1A 單位重量相同，單公里導線費用偏高約5%；鋁合金芯鋁絞線JL1/LH1的單位重量較輕，單公里導線費用與鋼芯鋁絞線JL/G1A相當。

本文所附實際工程導線選型情況，由于集中送出線路負荷較大，首先從極限條件下導線載流能力的角度進行初選，然后從全壽命周期角度進行年費用比選，最后綜合考慮國家電網(wǎng)有限公司桿塔通用設(shè)計適用情況選定中強度鋁合金絞線JLHA3-425。