幾種邊界條件對節能導線年費用的影響分析

雷 強，張家倩，王義芳，金 淼，黃 健

(中國能源建設集團安徽省電力設計院，合肥市230601)

0 引 言

導線的選擇是解決高壓輸電關鍵技術的重要課題，它對線路的輸送容量、電能損耗、傳輸特性、環境問題、技術經濟指標都有很大的影響，導線選擇的目標是確保工程的經濟、可靠性和滿足環保要求。因此，導線合理選擇對高壓輸電線路降低工程造價及運行損耗具有十分深遠的意義。

普通的鋼芯鋁絞線JL/G1A 在國內有較豐富的運行經驗，但其鋁線的導電率僅為61%IACS，使得線路電能損耗較高，機械特性一致且電能損耗較低的節能導線便應運而生。

為將更多的新技術、新材料、新工藝應用到電網建設中，國家電網公司先后發出關于節能導線推廣應用的通知《關于開展輸電線路節能導線試點應用工作的通知》(基建設計［2012］18 號)、《關于組織推薦基建推廣應用新技術的通知》(基建設計［2012］64 號)、《關于加強輸電線路節能導線推廣應用工作的通知》(基建設計［2013］99 號)，并已在各地開展應用節能導線試點工程的導線選型工作。據初步統計，2012年全國范圍內參與節能導線試點工作的工程(110 kV 及以上)的數量為30個，2013年達451個。

導線的年費用與線路輸送容量、電價、導線市價等因素有重要關聯。本文以某典型2 710 氣象區的500 kV 交流雙回路線路工程為算例，根據年費用最小法，分別以輸送容量、電價、導線市價為邊界條件，分析線路中3 種節能導線的年費用。

1 工程相關系統條件及參選導線

以下為本文分析的某典型的500 kV 交流雙回路線路工程的參考系統條件及參選導線。

(1)電壓等級:500 kV;

(2)回路數:雙回;

(3)輸送容量:(2×500 MW)～(2×2 000 MW);

(4)最大負荷利用小時數:5 000 h;

(5)年損耗小時數:3 200 h;

(6)計算電價:0.25 ～0.55元/(kW·h);

(7)參選導線型式:本文選擇了4 種4 × 630 mm2截面規格的導線方案進行比較分析，分別為普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45、鋼芯高導電率鋁絞線4 × JL4/G1A-630/45、鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210、中強度全鋁合金絞線4 ×JLHA3-675。

文獻［1］介紹了節能導線結構及節能原理，導線參數參考文獻［2 －5］，主要技術參數見表1。

表1 參選導線參數Tab.1 Parameters of optional wires

2 各導線方案電能損耗計算

線路全年電阻電能損失計算如下:

式中:PZ為電阻電能損失，萬kW ·h /km;I 為線路額定電流;k 為交直流電阻比(根據節徑比法［6］求得);R 為導線直流電阻，Ω/km(20 ℃時);τ 為年損耗小時數，取3 200 h;N 為導線分裂根數，取4 根;CR為直流電阻隨溫度變化的增大系數，CR=1 +α(θ－20)，α為導線電阻溫度系數，θ 為達到額定電流時的導線溫度(參考摩根算法［7］)。

各導線全年電能損耗(考慮電暈損耗為電阻損耗的5%)計算結果見表2。

由表2 可知，3 種節能導線方案均具備一定的節能效果，在本工程邊界條件下鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 節能效果最明顯。

3 各導線方案本體投資

3.1 導線市價差異

參考各導線目前的市場單價，各參選導線市價分別為:鋼芯鋁絞線JL/G1A-630/45 為17 520元/t(以該導線為基準100% /km)，鋼芯高導電率鋁絞線JL4/G1A-630/45 為19 500元/t(111% /km)，鋁合金芯鋁絞線JL1/LHA1-465/210 為19 680元/t(101% /km)，中強度鋁合金JLHA3-675 為21 200元/t(108% /km)。

3.2 桿塔與基礎投資差異

本文分析依據的500 kV 交流雙回線路工程，直線塔采用國家電網公司通用設計(2011年版)［8］中5E1 模塊，耐張塔采用5E3 模塊。并以國家電網公司通用造價5G 方案(2010年版)［9］為依托，耐張比例為16%。

對參選導線方案進行線路的桿塔優化排位可知:

(1)鋼芯高導電率鋁絞線4 × JL4/G1A-630/45由于機械特性與普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45一致，無須增加桿塔與基礎投資［10］;

表2 參選導線方案的雙回路全年電能損耗Tab.2 Annual power loss of optional wires in double－loop line

(2)鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 由于荷載、張力略小，風偏、弧垂較大，在使用前述國家電網公司典型設計塔型的情況下，采用該導線方案較鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 需增加部分直線塔的呼高或加大直線塔塔型(以滿足桿塔Kv值)，使桿塔和基礎投資均有增加;

(3)中強度鋁合金4×JLHA3-675 在正常放線的情況導線張力較大，需對耐張塔進行補強或可考慮將其放松架線(安全系數取2.75)以適用對應國家電網公司典型設計塔型，且采用中強度鋁合金導線風偏仍略高，需加大部分直線塔塔型，使桿塔和基礎投資均有增加［11］。

3.3 參選導線方案本體投資

綜合考慮各導線方案的導線、塔材、混凝土、基礎鋼材等指標，各導線方案的本體投資(差異部分)對比見表3。計算時，導線單價為參考市場價，塔材費用按1萬元/t 計，含安裝費用;混凝土按0.26萬元/m3計，含安裝費用;基礎鋼材按0.5萬元/m3計，含安裝費用。

表3 參選導線方案本體投資對比Tab.3 Ontology investment comparison of optional wires

4 不同輸送容量的節能導線年費用分析

根據不同工程的系統潮流，線路輸送容量往往有所差異。以施工年數為2 a，工程使用壽命為40 a，工程投資回收率為8%作為工程建設參數，分析不同輸送容量時節能導線年費用。同時參考安徽地區目前的上網電價，計算電價取0.4元/(kW·h);導線方案本體投資(差異部分)見第3 節(各導線價格取目前市場參考價)。不同輸送容量的節能導線年費用值對比(以鋼芯鋁絞線4×JL/G1A-630/45 為基準)如圖1 所示。

圖1 不同輸送容量的節能導線年費用對比(電價為0.4元/(kW·h)，導線價格取目前市價)Fig.1 Annual cost of optional wires with different transmissioncapacity (electricity price is ￥0.4/(kW·h)，wire price is current market price)

從圖1 可以看出，隨著線路輸送容量的提高，節能導線的年費用逐漸減少。

對于鋼芯高導電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45，由于該導線生產工藝較復雜，目前市場單價較高，因此線路輸送容量為2 ×500 ～2 ×1 500 MW 時，其年費用較普通鋼芯鋁絞線并無優勢，而在輸送容量大于2 ×1 500 MW 時其年費用優勢才得以體現。

對于鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210，由于其導線單價較低，節能效果最明顯。在輸送容量大于2 ×650 MW時，年費用在參選導線方案中最低。

對于中強度鋁合金4 ×JLHA3-675，在輸送容量為2 ×500 MW-2 ×1 200 MW 時該導線年費用并無優勢，在輸送容量大于2 ×1 200 MW 時其年費用比普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低。

從不同輸送容量的節能導線年費用分析可知，各導線方案在一定的輸送容量下均具備一定的優勢。考慮到500 kV 雙回線路輸送容量通常大于2 ×650 MW，故鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210的年費用在參選導線中優勢最明顯。

5 不同電價的節能導線年費用分析

考慮到各地區的上網電價有所差異且呈增長趨勢，而全壽命周期內導線電能損耗的價值與電價息息相關，故不同電價將影響導線年費用的變化。考慮該線路正常輸送容量為2×1 500 MW(工程建設參數、導線市價同第4 節)，不同電價的節能導線年費用值對比(以鋼芯鋁絞線4×JL/G1A-630/45 為基準)如圖2 所示。

圖2 不同電價的節能導線年費用(輸送容量為2 ×1 500 MW，導線價格取目前市價)Fig.2 Annual cost of optional wires with different electricity price (transmission capacity is 2 ×1500 MW，wire price is current market price)

從圖2 可以看出，隨著電價的增長，各節能導線的年費用也相對減少。

由于目前市場單價較高，電價低于0.4元/(kW·h)的情況下，鋼芯高導電率鋁絞線4 × JL4/G1A-630/45 的年費用并無優勢;電價高于0.4元/(kW·h)的情況下，其年費用開始較鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低。

鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 由于導線單價較低，節能效果最明顯。在上述電價范圍內，其年費用較鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低1.4% ～2.4%，在節能導線中年費用最低。

中強度鋁合金4 ×JLHA3-675 也具備一定的節能優勢，在上述電價范圍內，其年費用較鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低0.1% ～1.5%。

各導線方案在正常輸送容量為2 ×1500 MW、導線價格取目前市價的情況下，從不同電價對應的節能導線年費用分析可知，鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210年費用最優。

6 導線市價浮動對年費用的影響分析

由于節能導線目前正在推廣應用期間，有關生產工藝及市場競爭機制有待完善。隨著生產技術的進步和產品的批量化生產，將會有更多的生產廠家投入到節能導線的市場，節能導線的市價將有下降的空間［12］。

以下考慮普通鋼芯鋁絞線JL/G1A-630/45 的價格維持在目前市價17 520元/t，無較大浮動，而其余3種節能導線價格均在各自目前市價的+2%至－10%之間浮動。工程建設參數同第4 節，輸送容量取2×1 500 MW，電價取0.4元/(kW·h)。導線市價浮動對各導線年費用的影響分析如圖3 所示。

圖3 導線市價浮動變化對應的節能導線年費用(輸送容量為2 ×1 500 MW，電價為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))

由圖3 可知，鋼芯高導電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45 在導線市價浮動為0%至+2%范圍增長時，其年費用較普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 高，在0 至10%范圍下降時其年費用較低;鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210 及中強度鋁合金4 ×JLHA3-675 在上述市價浮動范圍時，年費用均較普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 低。

如果各節能導線市價均為相同的跌幅，則鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 的年費用最低。

如果考慮各節能導線的市價浮動在不一致的情況下，欲達到同樣的年費用水平，則鋼芯高導電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45 的市價需較鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 多下降12個百分點，中強度鋁合金4 ×JLHA3-675 的市價需較鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210 多下降7個百分點。

7 結 論

在典型2 710 氣象區的500 kV 交流雙回路線路工程中，3 種節能導線均可使用國家電網公司典型設計塔型，且均具備一定的節能效果。

以輸送容量為邊界條件分析(以普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 為基準比較)，鋼芯高導電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45 導線目前市價較高，其年費用在線路輸送容量大于2 ×1 500 MW 才開始顯現優勢;鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210 節能效果最明顯，年費用在3 種節能導線中最低;中強度鋁合金4 ×JLHA3-675 的年費用在線路輸送容量大于2 ×1250 MW 才開始具備優勢。

以不同電價為邊界條件分析(以普通鋼芯鋁絞線4 ×JL/G1A-630/45 為基準比較)，鋼芯高導電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45 導線方案僅在電價高于0.4元/(kW·h)情況下，其年費用較低;鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210 在電價為0.25元/(kW·h)甚至更低的情況下其年費用仍較低;中強度鋁合金4 × JLHA3-675 的年費用僅在電價高于0.25元/(kW·h)的情況下其年費用較低。

以導線市價為邊界條件分析，如果各節能導線當前市場價格均為相同的跌幅，則鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210年費用最低;如果考慮各節能導線的市價浮動在不一致的情況下欲達到同樣的年費用水平，則鋼芯高導電率鋁絞線4 ×JL4/G1A-630/45的市價需較鋁合金芯鋁絞線4 ×JL1/LHA1-465/210多下降12%，中強度鋁合金4 ×JLHA3-675 的市價需較鋁合金芯鋁絞線4 × JL1/LHA1-465/210 多下降7%。

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