輸電線路節能導線選型研究

張思祥，胡俊鵬

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

1 節能導線簡介

隨著高導電率硬鋁和各種鋁合金材料生產技術和工藝的日臻成熟，目前國內出現了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等新型節能導線。高導硬鋁相對于電工硬鋁（LY9）導電率由61%IACS提高至61.5%～63%IACS（JL1—61.5% ，JL2—62% ，JL3—62.5% ，JL4—63% ），但機械性能沒有降低。鋁合金線材除了廣泛應用的高強度鋁鎂硅稀土合金LHA1（52.5%IACS）和LHA2（53%IACS）外，還有近年來逐步推廣的中強度鋁合金 LHA3（58.5%IACS）。

1）鋼芯高導電率鋁絞線采用高導硬鋁（JL1—JL4）替代了原來鋼芯鋁絞線中的電工硬鋁（LY9），電阻率降低但導線結構和機械性能沒有變化。

2）鋁合金芯高導電率鋁絞線采用高強鋁合金芯（LHA1或LHA2）替代鋼芯鋁絞線的鋼芯和部分硬鋁（LY9），同時采用高導電率硬鋁（JL1—JL4）代替其他電工硬鋁（LY9），電阻降低但機械強度也略有降低。

3）中強度鋁合金絞線全部采用鋁合金（LHA3）絲絞制，電阻降低但機械強度略有加強。

三種導線的結構如圖1所示。

圖1 三種節能導線結構

目前節能導線在山東省已經開始大面積推廣應用，截止2013年已有累計2 400 km的線路已經或即將采用節能導線。因此在工程設計時如何選擇節能導線已經成為非常迫切的問題，結合不同節能導線的特點，進行初步分析，最后結合實際工程特點給出了選型建議。

2 110～500 kV線路常用節能導線選型

2.1 110～500 kV常用節能導線型式

以 110 kV 線路 1×240 mm2、1×300 mm2、220 kV線路 2×400 mm2、500 kV 線路 4×630 mm2規格導線為例，按照與鋼芯鋁絞線同規格外徑的原則，參照導線國家標準［1］和國家電網公司相關企業標準［2-4］，選擇了6種導線進行比較，見表1～表4。 因參選導線規格一樣，故不再列出截面和外徑。

表1 240 mm2截面節能導線主要參數表

表3 400 mm2截面節能導線主要參數表

表2 300 mm2截面節能導線主要參數表

表4 630 mm 截面節能導線主要參數表

2.2 240～630 mm2節能導線的電氣特性對比

導線的電氣特性主要包括載流量、電能損耗、電磁環境等因素，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，因各導線規格均相同，故電磁環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電壓等級下上述導線組合的電暈損耗是可以忽略不計的。故以下僅比較電阻損耗和載流量。交流電阻計算均參考日本電線與電纜制作協會頒發的標準JCS0374：2003“裸線載流量計算方法”進行計算［5］。

1）不同截面規格導線的節能對比。

20℃直流電阻相比鋼芯鋁絞線耗能降低值如表5所示。

表5 不同截面規格導線的節能對比

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

2）不同截面規格導線的載流量對比。

按環境溫度35℃、導線溫度80℃計算載流量如表6所示。

表6 不同截面規格導線的載流量對比

可以看出中強度鋁合金導線在導線截面較小時允許載流量最大，隨著導線截面變大，優勢略有下降；鋁合金芯高導電率鋁絞線載流量較大，鋼芯高導電率載流量相對較小。三種節能導線的載流量較鋼芯鋁絞線都具有一定的增加［6-7］。

2.3 240～630 mm2節能導線的機械特性對比

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，對線路的安全運行和造價影響很大。由于JL3/G1A與JL4/G1A在機械性能上與普通鋼芯鋁絞線沒有差異，因此只選取JL3/G1A參與比較。對JL1/LHA1與JL3/LHA1機械性能相同，選取JL1/LHA1參與比較。

2.3.1 正常荷載

節能導線與鋼芯鋁絞線規格相同，水平荷載也相同。 由于節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。因此以下只比較節能導線的張力荷載。

在安全系數取2.5時各導線的最大張力對比如表7所示。

表7 各節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%，隨著截面的增大，中強度全鋁合金導線的張力迅速增加，在400 mm2規格時已經基本接近鋼芯鋁絞線，在630 mm2截面時已經超過了鋼芯鋁絞線8.6%。

為了滿足通用設計模塊鐵塔使用條件，對630mm2截面中強度全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。

2.3.2 安裝荷載

為了抵消導線架設時蠕變產生的弧垂下降，一般采用降溫法架線。 根據有關廠家試驗結果，對中強度全鋁合金絞線推薦降溫值在20～25℃之間。中強度全鋁合金絞線按照鋼芯鋁絞線荷載放松后，在安裝工況（-10℃）下，降溫20～25℃后超限約7%～8%，一定程度上限制了I型耐張塔的安裝。對400 mm2截面的中強度全鋁合金絞線降溫安裝工況張力仍超限3%～4%，同樣對I型耐張的安裝可能產生限制。這些因素在一定程度上限制了大截面中強度全鋁合金絞線在工程中的應用。

其他節能導線則安裝荷載均不超過鋼芯鋁絞線。

2.3.3 耐張串強度

根據初步測算，相同規格下，各節能導線所匹配的耐張串強度相同的，如表8所示。

表8 各節能導線所匹配的耐張串強度

2.3.4 電線弧垂

630 mm2截面導線中強度全鋁合金絞線（與鋼芯鋁絞線同荷載）最優，LHA1合金芯高導電率鋁絞線與鋼芯（高導電率）鋁絞線基本一致，均居中；LHA2合金芯高導電率鋁絞線略差。

400 mm2截面導線中強度全鋁合金絞線最優，LHA1合金芯高導電率鋁絞線次優，鋼芯（高導電率）鋁絞線居中，LHA2合金芯高導電率鋁絞線略差。

300 mm2截面和240 mm2截面導線中鋼芯（高導電率）鋁絞線弧垂最優，中強度全鋁合金絞線略差，LHA1合金芯高導電率鋁絞線與中強度全鋁合金絞線基本相同，LHA2合金芯高導電率鋁絞線最差。

各節能導線弧垂對比如表9所示。

表9 各節能導線弧垂對比

可以看出在導線截面較小時，鋁合金芯高導電率鋁絞線和中強度鋁合金導線弧垂略差，較鋼芯鋁絞線增大0.1 m左右；隨著導線截面增加，中強度鋁合金絞線弧垂顯著減小，而中強度全鋁合金絞線與鋼芯鋁絞線一直相差不大。鋼芯高導電率鋁絞線因機械特性與鋼芯鋁絞線一致，弧垂也完全一致。

表10 不同截面導線過載冰厚表

2.3.5 過載能力

過載冰厚體現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10所示。

從表10可看出，由于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于鋼芯鋁絞線；鋁合金芯高導電率鋁絞線過載冰厚稍差；高導電率鋼芯鋁絞線過載覆冰能力居中。

2.3.6 風偏

對我國東部地區常用的各模塊Ⅱ型塔按節能導線計算規劃搖擺角，并校核實際鐵塔允許搖擺角，結論如表11所示。

表11 導線搖擺角校驗結果

500 kV 線路采用 4×630 mm2（27/10）的 5E1 模塊搖擺角超限鐵塔允許搖擺角約3°。需要增加配重解決。2×400 mm2截面單回路2B3模塊雖不超桿塔允許搖擺角，但裕度較緊張，在使用中應注意。雙回路模塊如 2E3（2×400mm2，27/10）、2E11（2×400mm2，27/15）、2F3 （2×630 mm2，27/10） 等搖擺角均有較大裕度。110 kV線路的單雙回路及鋼管桿模塊（300 mm2和240 mm2導線）經校核均有裕度。

2.4 建設費用對比

采用節能導線后對線路造價影響主要體現在兩個方面，一是導線費用的變化，二是塔材費用的變化。

2.4.1 導線單公里價格

以2012年3月國網公司基建部下發文件中的價格計算了各種導線單公里價格，與同規格鋼芯鋁絞線對比結論如表12所示。

表12 各節能導線與鋼芯鋁絞線單公里價格對比

可以看出，在各種節能導線單公里價格對比中，各種截面下結論基本一致：JL4/G1A系列的價格最高，中強度全鋁合金絞線JLHA3與JL3/LHA1及JL3/G1A價格相差很小，而JL1/LHA1型鋁合金芯高導電率鋁絞線與普通鋼芯鋁絞線基本一致。

2.4.2 鐵塔費用

目前線路設計一般均采用通用設計模塊，而各節能導線的荷載均接近或不超鐵塔設計條件。為簡化比較，可僅考慮弧垂對塔高的影響，并結合實際工程各型塔所占比例，進行呼高調整比較，可較準確的反映出導線弧垂對鐵塔造價的影響。對于搖擺角超限引起的金具配重增加，因在全線所占比例較少，且增加費用不多，暫不考慮。 上述比較不涉及鐵塔基數變化，因此不必考慮基礎造價的變化［8］。

2.5 年費用對比

考慮到實際工程的具體特點不同，各節能導線的年費用對比差別也比較大。 以下以某 500 kV線路工程為算例計算對比。

某500 kV線路工程新建雙回線路約56 km，導線截面為4×630 mm2。地形為平地。主要氣象條件為基本設計風速27 m/s，設計冰厚10 mm。通用設計鐵塔模塊為5E1、5E3。功率因數0.95；最大負荷利用小時數5 000 h；系統單回輸送功率1 800 MW，極限輸送功率3 600 MW。

根據電力工業部（82）電計字第44號文《頒發“電力工程經濟分析暫行條例”的通知》第十五條經濟計算——年費用最小法的方法計算（公式略）。

計算最小年費用邊界條件：經濟使用年限為40年，施工期按2年計，前一年投資為60%，后一年投資為40%；年最大損耗小時數按5 000 h計，設備運行維護費率為1.4%，電力工程回收率按工程投資的8%計，電價按本工程取0.462元/kWh。

不同輸送功率下的年費用如表13所示。

表13 不同輸送功率下的各節能導線的年費用（萬元/km）

可見，鋼芯高導電率鋁絞線JL3/G1A-630/45、JL4/G1A-630/45在5種節能導線中年費用略高，中強度鋁合金絞線JLHA3-675的年費用居中，鋁合金芯高導電率鋁絞線 JL1/LHA1-465/210、JL3/LHA1-465/210 的年費用最低［9］。

3 實際工程選型建議

3.1 500 kV線路

500 kV線路中重點討論了630 mm2截面各節能導線的特點。由于630 mm2截面各節能導線節能效果相差不大，而中強度鋁合金絞線又需要放松處理，且放松后I型耐張塔的安裝荷載仍超限，因此不建議在500 kV線路中采用中強度全鋁合金絞線。另外，鋁合金芯高導電率鋁絞線機械特性與鋼芯鋁絞線相比較差，安全儲備低，風偏角也較大，不適宜在500 kV線路上使用。而鋼芯高導電率鋁絞線具有同樣的節能效果和良好的機械特性，且風偏角與原導線完全一致，非常適合替換鋼芯鋁絞線［10］。 建議500 kV線路采用導線及配套金具的生產工藝和運行經驗都比較成熟的鋼芯鋁絞線結構，即推薦采用鋼芯高導電率鋁絞線。

3.2 220 kV和110 kV線路

在沿海、重工業區等大氣腐蝕嚴重地區，優先選擇鋁合金芯高導電率鋁絞線或中強度全鋁合金絞線。

對山區等運行條件較差、存在大高差和大檔距的地區宜優先采用機械強度較高的中強度鋁合金絞線。 同時當線路較長、耐張塔比例較低時宜采用中強度鋁合金絞線。

線路走廊較為緊張的線路應考慮選用風偏角較小的導線，以減少拆遷，建議優先選擇鋼芯高導電率鋁絞線。

在原有雙回線路上單側架線時，宜采用結構型式與原線路相同的導線，并校核導地線距離［11］。

采用老線路桿塔重新架線時，所選導線荷載應盡量小，以提高原有桿塔的安全裕度。

中冰區建議采用過載能力較強的中強度鋁合金線。

線路為多回路不同截面導線時，宜采用同一結構的導線。

4 結語

將鋼芯和鋁合金芯的高導硬鋁節能導線與中強度鋁合金導線及常規鋼芯鋁絞線進行了全面的技術經濟比較，結果表明：

在電能損耗方面，新型節能導線優勢明顯，一般可較常規鋼芯鋁絞線減少能耗約2%～7%，其中400mm2以下時中強度全鋁合金導線優勢最為明顯，而在630 mm2時以JL3/LHA1型鋁合金芯鋁絞線為最好。

在機械特性方面，中強度全鋁合金導線機械強度最大、弧垂特性最好，對降低工程鐵塔投資效益明顯。

在工程適用性方面，以鋼芯高導電率鋁絞線最好，各項機械特性參數與通用設計最為接近，幾乎可以不加改變的直接替代常規導線。

在建設投資方面，新型導線基本都有一定的增加，但JL1/LHA1型鋁合金芯鋁絞線增加最少。采用630 mm截面導線時靜態投資僅增加0.5%。具有較好的經濟性。

綜合以上各個因素，采用全壽命周期成本法計算新型導線的年費用結果表明，在630 mm2截面導線時，JL1/LHA1型鋁合金芯鋁絞線年費用最低，具有最優的技術經濟性。

根據上述節能導線的技術經濟特點，再結合具體工程條件合理選型，可以同時提高工程的經濟性與可靠性。

［1］ GB/T 1179—2008 圓線同心絞架空導線［S］.

［2］ Q/GDW 632—2011 鋼芯高導電率鋁絞線［S］.

［3］ Q/GDW 1815—2012 合金芯高導電率鋁絞線［S］.

［4］ Q/GDW 1816—2012 合金芯高導電率鋁絞線［S］.

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