几种边界条件对节能导线年费用的影响分析

雷 强，张家倩，王义芳，金 淼，黄 健

(中国能源建设集团安徽省电力设计院，合肥市230601)

0 引 言

导线的选择是解决高压输电关键技术的重要课题，它对线路的输送容量、电能损耗、传输特性、环境问题、技术经济指标都有很大的影响，导线选择的目标是确保工程的经济、可靠性和满足环保要求。因此，导线合理选择对高压输电线路降低工程造价及运行损耗具有十分深远的意义。

普通的钢芯铝绞线JL/G1A 在国内有较丰富的运行经验，但其铝线的导电率仅为61%IACS，使得线路电能损耗较高，机械特性一致且电能损耗较低的节能导线便应运而生。

为将更多的新技术、新材料、新工艺应用到电网建设中，国家电网公司先后发出关于节能导线推广应用的通知《关于开展输电线路节能导线试点应用工作的通知》(基建设计［2012］18 号)、《关于组织推荐基建推广应用新技术的通知》(基建设计［2012］64 号)、《关于加强输电线路节能导线推广应用工作的通知》(基建设计［2013］99 号)，并已在各地开展应用节能导线试点工程的导线选型工作。据初步统计，2012年全国范围内参与节能导线试点工作的工程(110 kV 及以上)的数量为30个，2013年达451个。

导线的年费用与线路输送容量、电价、导线市价等因素有重要关联。本文以某典型2 710 气象区的500 kV 交流双回路线路工程为算例，根据年费用最小法，分别以输送容量、电价、导线市价为边界条件，分析线路中3 种节能导线的年费用。

1 工程相关系统条件及参选导线

以下为本文分析的某典型的500 kV 交流双回路线路工程的参考系统条件及参选导线。

(1)电压等级:500 kV;

(2)回路数:双回;

(3)输送容量:(2×500 MW)～(2×2 000 MW);

(4)最大负荷利用小时数:5 000 h;

(5)年损耗小时数:3 200 h;

(6)计算电价:0.25 ～0.55元/(kW·h);

(7)参选导线型式:本文选择了4 种4 × 630 mm2截面规格的导线方案进行比较分析，分别为普通钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45、钢芯高导电率铝绞线4 × JL4/G1A-630/45、铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210、中强度全铝合金绞线4 ×JLHA3-675。

文献［1］介绍了节能导线结构及节能原理，导线参数参考文献［2 －5］，主要技术参数见表1。

表1 参选导线参数Tab.1 Parameters of optional wires

2 各导线方案电能损耗计算

线路全年电阻电能损失计算如下:

式中:PZ为电阻电能损失，万kW ·h /km;I 为线路额定电流;k 为交直流电阻比(根据节径比法［6］求得);R 为导线直流电阻，Ω/km(20 ℃时);τ 为年损耗小时数，取3 200 h;N 为导线分裂根数，取4 根;CR为直流电阻随温度变化的增大系数，CR=1 +α(θ－20)，α为导线电阻温度系数，θ 为达到额定电流时的导线温度(参考摩根算法［7］)。

各导线全年电能损耗(考虑电晕损耗为电阻损耗的5%)计算结果见表2。

由表2 可知，3 种节能导线方案均具备一定的节能效果，在本工程边界条件下铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210 节能效果最明显。

3 各导线方案本体投资

3.1 导线市价差异

参考各导线目前的市场单价，各参选导线市价分别为:钢芯铝绞线JL/G1A-630/45 为17 520元/t(以该导线为基准100% /km)，钢芯高导电率铝绞线JL4/G1A-630/45 为19 500元/t(111% /km)，铝合金芯铝绞线JL1/LHA1-465/210 为19 680元/t(101% /km)，中强度铝合金JLHA3-675 为21 200元/t(108% /km)。

3.2 杆塔与基础投资差异

本文分析依据的500 kV 交流双回线路工程，直线塔采用国家电网公司通用设计(2011年版)［8］中5E1 模块，耐张塔采用5E3 模块。并以国家电网公司通用造价5G 方案(2010年版)［9］为依托，耐张比例为16%。

对参选导线方案进行线路的杆塔优化排位可知:

(1)钢芯高导电率铝绞线4 × JL4/G1A-630/45由于机械特性与普通钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45一致，无须增加杆塔与基础投资［10］;

表2 参选导线方案的双回路全年电能损耗Tab.2 Annual power loss of optional wires in double－loop line

(2)铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210 由于荷载、张力略小，风偏、弧垂较大，在使用前述国家电网公司典型设计塔型的情况下，采用该导线方案较钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45 需增加部分直线塔的呼高或加大直线塔塔型(以满足杆塔Kv值)，使杆塔和基础投资均有增加;

(3)中强度铝合金4×JLHA3-675 在正常放线的情况导线张力较大，需对耐张塔进行补强或可考虑将其放松架线(安全系数取2.75)以适用对应国家电网公司典型设计塔型，且采用中强度铝合金导线风偏仍略高，需加大部分直线塔塔型，使杆塔和基础投资均有增加［11］。

3.3 参选导线方案本体投资

综合考虑各导线方案的导线、塔材、混凝土、基础钢材等指标，各导线方案的本体投资(差异部分)对比见表3。计算时，导线单价为参考市场价，塔材费用按1万元/t 计，含安装费用;混凝土按0.26万元/m3计，含安装费用;基础钢材按0.5万元/m3计，含安装费用。

表3 参选导线方案本体投资对比Tab.3 Ontology investment comparison of optional wires

4 不同输送容量的节能导线年费用分析

根据不同工程的系统潮流，线路输送容量往往有所差异。以施工年数为2 a，工程使用寿命为40 a，工程投资回收率为8%作为工程建设参数，分析不同输送容量时节能导线年费用。同时参考安徽地区目前的上网电价，计算电价取0.4元/(kW·h);导线方案本体投资(差异部分)见第3 节(各导线价格取目前市场参考价)。不同输送容量的节能导线年费用值对比(以钢芯铝绞线4×JL/G1A-630/45 为基准)如图1 所示。

图1 不同输送容量的节能导线年费用对比(电价为0.4元/(kW·h)，导线价格取目前市价)Fig.1 Annual cost of optional wires with different transmissioncapacity (electricity price is ¥0.4/(kW·h)，wire price is current market price)

从图1 可以看出，随着线路输送容量的提高，节能导线的年费用逐渐减少。

对于钢芯高导电率铝绞线4 ×JL4/G1A-630/45，由于该导线生产工艺较复杂，目前市场单价较高，因此线路输送容量为2 ×500 ～2 ×1 500 MW 时，其年费用较普通钢芯铝绞线并无优势，而在输送容量大于2 ×1 500 MW 时其年费用优势才得以体现。

对于铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210，由于其导线单价较低，节能效果最明显。在输送容量大于2 ×650 MW时，年费用在参选导线方案中最低。

对于中强度铝合金4 ×JLHA3-675，在输送容量为2 ×500 MW-2 ×1 200 MW 时该导线年费用并无优势，在输送容量大于2 ×1 200 MW 时其年费用比普通钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45 低。

从不同输送容量的节能导线年费用分析可知，各导线方案在一定的输送容量下均具备一定的优势。考虑到500 kV 双回线路输送容量通常大于2 ×650 MW，故铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210的年费用在参选导线中优势最明显。

5 不同电价的节能导线年费用分析

考虑到各地区的上网电价有所差异且呈增长趋势，而全寿命周期内导线电能损耗的价值与电价息息相关，故不同电价将影响导线年费用的变化。考虑该线路正常输送容量为2×1 500 MW(工程建设参数、导线市价同第4 节)，不同电价的节能导线年费用值对比(以钢芯铝绞线4×JL/G1A-630/45 为基准)如图2 所示。

图2 不同电价的节能导线年费用(输送容量为2 ×1 500 MW，导线价格取目前市价)Fig.2 Annual cost of optional wires with different electricity price (transmission capacity is 2 ×1500 MW，wire price is current market price)

从图2 可以看出，随着电价的增长，各节能导线的年费用也相对减少。

由于目前市场单价较高，电价低于0.4元/(kW·h)的情况下，钢芯高导电率铝绞线4 × JL4/G1A-630/45 的年费用并无优势;电价高于0.4元/(kW·h)的情况下，其年费用开始较钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45 低。

铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210 由于导线单价较低，节能效果最明显。在上述电价范围内，其年费用较钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45 低1.4% ～2.4%，在节能导线中年费用最低。

中强度铝合金4 ×JLHA3-675 也具备一定的节能优势，在上述电价范围内，其年费用较钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45 低0.1% ～1.5%。

各导线方案在正常输送容量为2 ×1500 MW、导线价格取目前市价的情况下，从不同电价对应的节能导线年费用分析可知，铝合金芯铝绞线4 × JL1/LHA1-465/210年费用最优。

6 导线市价浮动对年费用的影响分析

由于节能导线目前正在推广应用期间，有关生产工艺及市场竞争机制有待完善。随着生产技术的进步和产品的批量化生产，将会有更多的生产厂家投入到节能导线的市场，节能导线的市价将有下降的空间［12］。

以下考虑普通钢芯铝绞线JL/G1A-630/45 的价格维持在目前市价17 520元/t，无较大浮动，而其余3种节能导线价格均在各自目前市价的+2%至－10%之间浮动。工程建设参数同第4 节，输送容量取2×1 500 MW，电价取0.4元/(kW·h)。导线市价浮动对各导线年费用的影响分析如图3 所示。

图3 导线市价浮动变化对应的节能导线年费用(输送容量为2 ×1 500 MW，电价为0.4元/(kW·h))Fig.3 Annual cost of optional wires with price fluctuations(transmission capacity is 2 ×1500 MW，electricity price is¥0.4/(kW·h))

由图3 可知，钢芯高导电率铝绞线4 ×JL4/G1A-630/45 在导线市价浮动为0%至+2%范围增长时，其年费用较普通钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45 高，在0 至10%范围下降时其年费用较低;铝合金芯铝绞线4 × JL1/LHA1-465/210 及中强度铝合金4 ×JLHA3-675 在上述市价浮动范围时，年费用均较普通钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45 低。

如果各节能导线市价均为相同的跌幅，则铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210 的年费用最低。

如果考虑各节能导线的市价浮动在不一致的情况下，欲达到同样的年费用水平，则钢芯高导电率铝绞线4 ×JL4/G1A-630/45 的市价需较铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210 多下降12个百分点，中强度铝合金4 ×JLHA3-675 的市价需较铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210 多下降7个百分点。

7 结 论

在典型2 710 气象区的500 kV 交流双回路线路工程中，3 种节能导线均可使用国家电网公司典型设计塔型，且均具备一定的节能效果。

以输送容量为边界条件分析(以普通钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45 为基准比较)，钢芯高导电率铝绞线4 ×JL4/G1A-630/45 导线目前市价较高，其年费用在线路输送容量大于2 ×1 500 MW 才开始显现优势;铝合金芯铝绞线4 × JL1/LHA1-465/210 节能效果最明显，年费用在3 种节能导线中最低;中强度铝合金4 ×JLHA3-675 的年费用在线路输送容量大于2 ×1250 MW 才开始具备优势。

以不同电价为边界条件分析(以普通钢芯铝绞线4 ×JL/G1A-630/45 为基准比较)，钢芯高导电率铝绞线4 ×JL4/G1A-630/45 导线方案仅在电价高于0.4元/(kW·h)情况下，其年费用较低;铝合金芯铝绞线4 × JL1/LHA1-465/210 在电价为0.25元/(kW·h)甚至更低的情况下其年费用仍较低;中强度铝合金4 × JLHA3-675 的年费用仅在电价高于0.25元/(kW·h)的情况下其年费用较低。

以导线市价为边界条件分析，如果各节能导线当前市场价格均为相同的跌幅，则铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210年费用最低;如果考虑各节能导线的市价浮动在不一致的情况下欲达到同样的年费用水平，则钢芯高导电率铝绞线4 ×JL4/G1A-630/45的市价需较铝合金芯铝绞线4 ×JL1/LHA1-465/210多下降12%，中强度铝合金4 ×JLHA3-675 的市价需较铝合金芯铝绞线4 × JL1/LHA1-465/210 多下降7%。

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