节能导线在工程中的全寿命投资分析

李 钊，李春燕，冯砚厅

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003；2.国网河北省电力公司 电力科学研究院， 河北石家庄050021)

节能导线在工程中的全寿命投资分析

李 钊1，李春燕1，冯砚厅2

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003；2.国网河北省电力公司 电力科学研究院， 河北石家庄050021)

为对节能导线的全寿命进行投资分析，实现导线的推广应用。介绍了节能导线的技术分类原理和不同导线的性能比较，并通过实际工况中的工程应用，对导线在最高允许温度下的载流量、输送功率和不同输送容量下的电阻损失进行比较，以及导线结构的弧垂性、过载冰厚和摇摆角的分析，最后对工程年费用进行计算等方法。结果表明中强度铝合金绞线节能效果最突出，但因其张力大和摆角大无法应用通用设计杆塔，而钢芯高导电率铝绞线与普通导线机械特性相同，故在工程中可将其作为首选。

节能导线；工程应用；性能比较；投资分析

0 引言

目前随着我国国民经济以及各行各业的迅速发展，我国加快了电网建设。然而一直以来我国以普通钢芯铝绞线作为输送电量的载体，随着人们对电力的需求日益增加，这使得普通钢芯铝绞线不能满足输送容量增大的需求，因此需要传输效率更高的导线来代替普通钢芯铝绞线同时能够降低电路损耗[1-5]。除此之外，我国能源分布不均匀，而煤作为发电的主要燃料却主要分布在我国西部和北部，以至于电量供应主要由远距离传输来完成，所以开发研制具有高导电率的新型节能导线为今后的重要发展方向[6-7]。

另一方面，厂网分离以来，发电侧的节能减损由发电企业来完成，而输配电侧的节能主要由电网公司来承担。其中节能导线的研究对输电线路的降损和发展起了举足轻重的作用[8-11]。如今电力工业新材料和新工艺的飞速发展，我国不断开发出低损耗的节能导线，然而新型导线的电气特性和机械特性也不尽相同，这导致在实际的工程应用中需要从各类导线的全寿命投资来进行分析其效果[12-15]。故本文以实际工程应用为例，分析了节能导线在不同工作温度下的载流量和输送功率以及不同输送容量下的电阻损失，并对弧垂性、过载冰厚和摇摆角等机械特性进行比较，通过全寿命投资分析为节能导线的选型提供依据。

1 节能导线的技术分类及参数

节能导线相对于普通钢芯铝绞线而言有较好的电气特性，能减小电阻损耗，增大电量的传输效率，当今技术中节能的研制主要包括以下3种：

(1)采用退火工艺处理的软铝代替电工硬铝，导电率可由61%IACS提高到63%IACS。

(2)通过合金元素和抜拉工艺等一些工艺参数的控制，在保证满足国际标准的同时使铝线导电率达到63%IACS。

(3)使用具有导电率的铝合金芯来取代传统导线的钢芯和部分铝线，使得几乎没有输电能力的钢芯有了输电能力，来提高导电率降低线损达到节能的目的。

目前，我国新研制的主要有以下3种节能导线，其中3种节能导线与钢芯铝绞线的单丝材质和参数对比如表1所示。

表1 3种节能导线与钢芯铝绞线的单丝材质和参数对比

2 节能导线理论分析

2.1 导线的电气特性计算

导线的载流量计算过程中，应使其不超过某一温度，从而使导线的强度不受长时间导体温升的影响来保证导线的使用寿命。钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线连续使用温度为70 ℃～80 ℃，GB50455-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》中介绍，对铝绞线的载流量验算时，规定允许温度选用70 ℃，必要时可选用80 ℃。导线载流量、输送功率和电阻损失计算公式如下：

(1)单根导线电流

(1)

(2)计算T℃时的每千米导线直流电阻

(2)

式中：RDC为T℃时每米导线直流电阻值，Ω/km；R20为20 ℃时每米导线直流电阻值；T为导线运行温度；α为电阻温度系数。

(3)计算交直流电阻比：k=k1·k2

(3)

式中：X为常数；f频率50 Hz；D1为导线的外直径，mm；D2为钢芯的外直径，mm。

k1=0.996 09+0.018 578x- 0.030 263x2+0.020 7

k2=0.999 47+0.028 895y-0.005 934 8y2+0.000 422 59y3

式中：y=I/A，其中I为线电流，A；A为铝截面积，mm2。

(4)计算每千米交流电阻值

(5)载流量计算

(4)

(6)计算长期允许输送功率

(5)

式中：U为线路电压，k/V；n为导线分裂数；I为线电流，A；cosα为功率因数。

(7)单回交流输电线路的电阻热损失

WQ=3n·I2·re

式中：n为分裂根数；I为单回路每根导线的额定工作电流，A；re为导线的交流电阻，Ω/km。

2.2 年费用计算方法

年费用法可以反应工程投资的合理性和经济性，并能考虑项目的未来规划，在传输容量增加时，使得导线的电阻损失增大，为了进一步比较不同的导线结构，采用最小年费用法对普通钢芯铝绞线和3类节能导线在不同输送容量下进行全寿命周期的年费用计算。

(1)折算到工程投运年的总投资

式中：NF为平均费用，万元；n为工程的经济使用年限；Z为折算后的工程总投资，万元。

(2)折算后工程总投资

式中：t为从开工这一年起到计算年的年数；m为工程施工年数；Zt为第t年的建设投资，万元；r0为电力工业投资回收率；μ为折算年运行费用，万元。

(3)折算年运行费用

式中：t0为工程部分投产的年份；ut为运行费用，万元。

3 工程实例计算

3.1 工程概况

为降低电量损耗，提高导线质量，强化节能导线的研究基础，实现国网公司节能导线推广应用的目标要求，选择温塘—平山220 kV线路工程作为示范工程。线路全长约12.5 km，位于石家庄平山县，导线型号为2×JL4/GIA-400/35，全线按e级污秽区配置。工程特点为线路均位于平山县西部丘陵地带，线路主要沿已建或规划的路线走线，海拔高度150 m～300 m，设计基准风速27 m/s，最大覆冰导线5 mm、地线10 mm。

电力系统的条件如表2所示。

表2 电力系统条件

工程正常运行输送功率按300 MW～550 MW考虑，导线选用2分裂400 mm2的规格组合，能够满足系统输送功率的要求，电流密度约0.55～1.0 A/mm2。另外，导线界面为2×400 mm2，选用通用设计塔型时，使用5E1模块的直线塔，5E3模块的耐张塔，此类塔型结构简单、传力清晰，使用的材料经济好，并且具有加工、施工方便等优点。

3.2 各类导线的电气性能比较

(1)载流量和输送功率的比较分析

导线的最高允许温度采用70 ℃和80 ℃ 2种方案进行计算。计算中环境温度为最高气温月的最高平均气温，根据当地气象统计资料，选取20 ℃的环境温度，每平方米的日照强度为1 000 W，输电导线的表面辐射系数取0.9，导线表面的吸热系数也取0.9。

各导线载流量和输送功率如表3所示。

由表3可看出，当导线的温度从70 ℃增加到至80 ℃，使得导线载流量和输送功率均升高约1.12倍，为提高线路的传输容量，降低工程造价，可使此工程导线的允许载流量按80 ℃控制，可以满足系统的要求。钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯铝绞线以及中强度铝合金芯绞线的载流量和输送功率均比传统钢芯铝绞线提高1.5%～3.2%，整体差异不大，其中中强度铝合金芯绞线输送功率最高，节能性更加突出，铝合金芯高导线率绞线次之。

表3 导线载流量和输送功率

(2)交流电阻损失比较分析

在计算电能损耗时，导线的交流电阻是随着系统输送功率不断变化的，应分别进行计算，在此计算电阻损耗的环境温度为15 ℃，不同输送容量下的电阻热损失如表4所示。

表4 不同输送容量下的电阻热损失

由表4可知，在相同的传输容量下，节能导线的电阻损失略低于普通导线，另外随着输电导线传输容量的增大，交流电阻损失也相应的变大，另外在输送容量较大的情况下节能效果更明显，且中强度铝合金绞线节能效果最为突出，在不同容量条件下的节约电量约3.6%～4.3%。

3.3 导线的机械特性分析

输电导线的弧垂性能和其求解的拉断力有关，还和铝线与钢芯的截面面积比例有关，同时和导线其自重也有关系。高温弧垂增大，施放档距将减小，杆塔数量将增加。各导线40 ℃弧垂及杆塔重量百分比计算如表5所示。

架空输电导线在运行中受气温变化、大风和覆冰的影响，导线的受力有时会超过设计的最大允许使用应力，即出现导线过载的情况。GB50455-2010《110～750 kV架空输电线路设计规范》规定，导、地线在稀有风速或稀有覆冰气象条件时，导线弧垂最低点的最大张力不应超过其导、地线拉断力的70%，以此值反算可求的导线的覆冰过载冰厚。导线的过载冰厚如表6所示。

表5 各导线40 ℃弧垂及杆塔重量百分比

表6 导线过载冰厚比较表

由表5和表6可知，中强度全铝合金绞线JLHA3-425/37弧垂特性最好；由表6可以看出当线路设计覆冰厚度为5 mm时，普通钢芯铝绞线和3种节能导线的过载覆冰厚度都超过20 mm，均可以满足工程覆冰过载的要求，并拥有较大的裕度。而中强度铝合金芯绞线因其单位质量轻、线路张力大，所以此类导线弧垂特性和过载冰厚都很好；而铝合金芯铝绞线的过载冰厚稍差；钢芯铝绞线和高导电率钢芯铝绞线过载覆冰能力居中。

在设定风速是27 m/s时，各种导线结构的摇摆角如表7所示。

表7 各导线结构摇摆角

从表7可以看出，普通导线和钢芯高导电率铝绞线的摆角相差不大，几乎相同，铝合金芯高导电率铝线JL/LHA-210/220和中强度全铝合金绞线JLHA3-425/37的摇摆角相对较大，分别比其他两类导线风摆角大4.3°，5.3°；风摆角提高10.4%，12.8%，又因其张力较大，因此导线横担需加长。

3.4 各导线年费用分析

根据示范工程的实际情况，进行最小年费用计算条件为：(1)经济使用年限为30年，施工期按2年计，前一年投资为60%，后一年投资为40%；(2)年最大损失时间为3 750 h；(3)设备运行维护率为1.4%；(4)电力工程回收率按工程投资的8%计；(5)电价按0.455元/kW·h计。

按照通用设计杆塔，必要时验算补强的原则，不同输送容量和经济使用年限下的年费用如表8所示。

表8 不同输送容量的年费用

由表8可知，在输送容量高时，3类节能导线的年费用相对于普通铝绞线拥有明显的优势，其中铝合金芯铝绞线JL/LHA1-210/220的年费用在3类节能导线中最低，在不同输送容量下比普通导线节省费用约0.96%～3.05%，中强度全铝合金绞线JLHA3-425/37的年费用次之，钢芯高导电率铝绞线JL(GD)/G1A-400/35的年费用相对于其他两类节能导线略高。

4 结论

(1)当导线允许温度由70 ℃升至80 ℃时，导线载流量和输送功率均提高约1.12倍，为提高输送能力可使工程中允许载流量按80 ℃控制；另外，随着输送容量的增大，节能导线的节能效果更加明显，其中中强度铝合金绞线节能效果最为突出，最高可达4.3%。

(2)中强度铝合金绞线重量轻，弧垂和过载冰厚较好，但是导线张力大，摇摆角大，因此导线横担需加长，无法直接利用通用设计杆塔。

(3)钢芯高导电率铝绞线拥有良好的节能效果，具有与传统架空导线完全相同的机械特性，其能够直接代替传统架空导线使用，故在工程中优先推荐采用高导电率钢芯铝绞线；铝合金芯铝绞线的投资回收期以及年费用成本指标更佳，但是风摇摆角偏大，需要对通用设计线路杆塔横担加长或折减条件下使用，它作为优良的节能导线，在本工程项目中把铝合金芯铝绞线作为第二选择；而中强度铝合金绞线因其弧垂特性好，耐张力大适用在有高度差的山地等线路中。

[1]陈锡阳,王艳玲,黄河，等.一种新的架空输电线路安全限距计算模型[J].电力科学与工程,2015,31(2):60-65.

[2]万建成,董玉明,刘龙,等.三类节能导线性能对比与适用范围[J].中国电力,2016,49(1):102-108.

[3]吕健双,李健.特高压输电线路覆冰断线张力计算与分析[J].电力科学与工程,2013,29(8):10-15.

[4]王红斌,陈扬,高雅,等.输电线路弧垂对动态增容的影响[J].华北电力大学学报(自然科学版),2014,41(2):41-46.

[5]杨博,李陶波,杨茂亭,等.特高压交流输电线路铁塔质量计算[J].电力建设,2014,35(6):106-111.

[6]温祥华.新型导线在输电线路中工程中的应用研究[D].镇江：江苏大学，2013.

[7]丁广鑫,孙竹森,张强,等.节能导线在输电线路中的应用分析[J].电网技术,2012,36(8):24-30.

[8]李钊，李春燕，冯砚厅. 节能导线在输电线路中的节能效果分析[J].电力科学与工程，2016，32(10)：28-33.

[9]张扬，付英. 节能导线在输电线路中的应用[J].科技展望，2016，26(13)：113.

[10]陈保安，赵永生，等. 高导电率硬铝导体材料概述[J]. 材料导报，2015(S1)：225-228.

[11]张强，祝志祥，韩钰，等. 一种高导电率中强铝合金导线的研制及节能分析[J].热加工工艺，2016(3)：142-148.

[12]胡毅,刘凯,吴田,等.输电线路运行安全影响因素分析及防治措施[J].高电压技术,2014,40(11):34.

[13]张思祥,胡俊鹏.输电线路节能导线选型研究[J].山东电力技术，2014(1):20-25.

[14]余成,尹登峰,吴顺意,等.一种新型加工工艺技术对Al-Mg-Si导线性能的影响[J].热加工工艺,2014，43(3):31-33.

[15]潘春平,廖民传,麻闽政.输电线路增容改造工程导线选型的技术经济性分析[J].南方电网技术,2014,8(3):109-113.

Whole Life Investment Analysis of Energy-saving in Engineering

LI Zhao1，LI Chunyan1，FENG 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 conduct investment analysis for the total life of the energy-saving wire, and promote the application of the wire, the technology classification principles of the wire and comparative performances of different wires are introduced in this paper. And by engineering application under actual working conditions, the maximum allowable temperature of the load flow, transport power, and different transmission capacity of resistance losses of the wire are compared, and the investigations of the wire sag structure, overload ice thickness and the rolling angle are also carried out. Finally, the annual engineering costs are calculated. The results show that the energy-saving effect of the strength aluminum alloy wire is outstanding, but because of its own properties of high tension and big swing angle, it cannot be applied to universal tower design. On the other side, the steel core aluminum stranded wire owns high conductivity with its mechanical characteristics the same with ordinary wires, so in engineering it can be used as the preferred one.

energy-saving conductor; engineering application; performance comparison; investment analysis

2016-06-28。

国家电网公司科技项目(5204HB140002)。

李钊(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为高导电率硬铝导线研制及示范应用，E-mail：lizhao_mail1016@163.com。

TM752

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.011