110kV輸電線路中節(jié)能導(dǎo)線選型研究

保定吉達(dá)電力設(shè)計(jì)有限公司 張發(fā)蒼 張 召

1 引言

導(dǎo)線是架空輸電線路的最基本組成部分之一，架線工程投資占工程本體投資30%左右，其對(duì)整條架空輸電線路的桿塔、基礎(chǔ)、絕緣子和金具強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等起著決定性影響。

在導(dǎo)線的選型過程中主要從電能損耗和載流量、弧垂、過載能力、桿塔荷載、搖擺角、投資分析等多個(gè)方面對(duì)普通鋼芯鋁絞線和三種節(jié)能導(dǎo)線（即高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度全鋁合金絞線）進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最后結(jié)合通用設(shè)計(jì)桿塔的利用和年費(fèi)用等因素確定節(jié)能導(dǎo)線的選擇。

2 節(jié)能導(dǎo)線材料和特性

2.1 鋼芯高導(dǎo)電鋁型線絞線

鋼芯高導(dǎo)電鋁型線絞線，采用導(dǎo)電率63%IACS的硬鋁型線作導(dǎo)體層，高強(qiáng)度鋼線作為承力構(gòu)件的型線同心絞架空導(dǎo)線。它具有結(jié)構(gòu)相近、電阻損耗小、輸送容量大、機(jī)械負(fù)荷荷載小、年費(fèi)用低，以及施工、運(yùn)行要求相似等優(yōu)點(diǎn)。

目前，在用的架空導(dǎo)線的導(dǎo)體材料都采用電工鋁。在輸電工程中，國(guó)際上普遍采用鋼芯鋁絞線作為架空輸電導(dǎo)線的主要產(chǎn)品，已有百余年歷史。現(xiàn)在架空導(dǎo)線衍生出許多品種：鋼芯鋁合金絞線、鋁包鋼芯鋁絞線、鋁合金絞線、耐熱鋁合金絞線、鋼芯型線絞線等。2000年，日本首先開發(fā)了復(fù)合材料芯軟鋁絞線，2004年開發(fā)出殷鋼鋼芯軟鋁絞線。

由于不同導(dǎo)線品種的鋁導(dǎo)體材料性能不同，其導(dǎo)電率亦有所不同，從56%IACS至63%IACS不等（見表1）。

由于復(fù)合材料導(dǎo)線采用的鋁導(dǎo)體是經(jīng)高溫韌煉加工的軟鋁，其抗拉強(qiáng)度低于95MPa，表面強(qiáng)度下降，其使用性和可靠性方面存在的本質(zhì)缺陷逐步顯現(xiàn)。

目前，導(dǎo)電率達(dá)到63%IACS的高導(dǎo)電硬鋁導(dǎo)線產(chǎn)品已通過相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)鑒定，并已形成專業(yè)化的生產(chǎn)工廠。

表1 各種型號(hào)架空導(dǎo)線導(dǎo)電率對(duì)照

鋼芯高導(dǎo)電鋁型線絞線是采用導(dǎo)電率63%IACS的硬鋁型線作導(dǎo)體層，高強(qiáng)度鋼線作為承力構(gòu)件的型線同心絞架空導(dǎo)線。由于導(dǎo)體單線采用“Z/S”型線結(jié)構(gòu)代替圓線，能獲得較大的導(dǎo)體截面利用率。

由承力構(gòu)件及高導(dǎo)電率Z型鋁單線材料性能和組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了高導(dǎo)電率Z型型絞架空線具有高強(qiáng)度、高載流、低線損、表面光滑、風(fēng)阻系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。在工程中運(yùn)用這種導(dǎo)線可提高線路的輸送功率，降低線路損耗，增加導(dǎo)線輸送電流，減小運(yùn)行噪音，具有更佳的電氣及機(jī)械性能。

2.2 鋁合金芯鋁絞線

鋁合金芯鋁絞線是一種鋁合金和硬鋁組合的導(dǎo)線，內(nèi)層采用高強(qiáng)度鋁合金芯，外層采用常規(guī)的硬鋁單絲絞合，它具有結(jié)構(gòu)相近、電阻（電磁）損耗小、輸送容量大、耐腐蝕性能強(qiáng)、機(jī)械負(fù)荷荷載小、年費(fèi)用低，以及施工、運(yùn)行要求相似等優(yōu)點(diǎn)。

高強(qiáng)度鋁合金主要材料成分由電工硬鋁、鎂、硅等材料合成。它添加的元素主要是鎂（Mg）和硅（Si），使合金單線獲得足夠的強(qiáng)度和塑性。其要點(diǎn)是通過鋁基體的合金化的配方組合，再通過后續(xù)的工藝及熱處理過程，使其在強(qiáng)度、延伸率上得到明顯的提高，導(dǎo)電率也達(dá)52.5～53%IACS。為替代常規(guī)導(dǎo)線的加強(qiáng)鋼芯創(chuàng)造了條件。

2.3 中強(qiáng)度全鋁合金絞線

中強(qiáng)度鋁合金，多半屬鋁-鎂-硅系的半熱處理半加工硬化型的鋁合金。這種合金和同樣是鋁-鎂-硅系的熱處理型高強(qiáng)度鋁合金相比，在熱處理加工條件等方面有不同特點(diǎn)，因此稱之為半熱處理半加工硬化型合金。在制造過程中需固溶處理、淬火和時(shí)效處理。主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，成本低，導(dǎo)電率較好，抗拉強(qiáng)度高。

3 節(jié)能導(dǎo)線選型參數(shù)計(jì)算

以110kV蠡縣-中滑線路工程（8km）為例，對(duì)普通鋼芯鋁絞線和三種節(jié)能導(dǎo)線從以下幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。電力系統(tǒng)條件：系統(tǒng)額定電壓：110千伏；系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓：126千伏；功率因數(shù)：0.95；最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)：3700；系統(tǒng)輸送功率：50MW；設(shè)計(jì)風(fēng)速：25m/s；覆冰厚度：5mm。

本工程選擇了四種300mm2截面的導(dǎo)線進(jìn)行比較，分別為：鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25、鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL(GD)/G1A-300/25、鋁合金芯鋁絞線JL/LHA2-165/170和中強(qiáng)度全鋁合金絞線JLHA3-335。

3.1 導(dǎo)線載流量和交流電阻計(jì)算

提高交流架空輸電線路的輸送容量和降低電阻損耗都與導(dǎo)線的交流電阻有關(guān)，導(dǎo)線選型的重點(diǎn)是計(jì)算四種導(dǎo)線的交流電阻來進(jìn)行比較。本工程交流電阻計(jì)算采用日本電線與電纜協(xié)會(huì)頒布的標(biāo)準(zhǔn)JCS 0374:2003《裸線載流量計(jì)算方法》。

計(jì)算中環(huán)境溫度為最高氣溫月的最高平均氣溫，根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料，計(jì)算導(dǎo)線載流量的環(huán)境溫度取10℃。日照強(qiáng)度1000w/m2，風(fēng)速0.5m/s，導(dǎo)線表面輻射、吸熱系數(shù)均取0.9。

經(jīng)過計(jì)算得出各種導(dǎo)線載流量和輸送功率，從計(jì)算結(jié)果可以看出：三種節(jié)能導(dǎo)線的交流電阻都比鋼芯鋁絞線要小，同時(shí)當(dāng)導(dǎo)線允許溫度從70℃上升至80℃，導(dǎo)線載流量提高約1.1倍。比選的導(dǎo)線的每回線極限輸送功率為均高于150MVA，滿足系統(tǒng)要求。各種導(dǎo)線的載流量和極限輸送功率相差不大，節(jié)能導(dǎo)線要比普通導(dǎo)線高出1.6～4%。

計(jì)算各種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的電能熱損失可以看出，電阻損失相差不大，同時(shí)當(dāng)線路的輸送容量較大時(shí)，其交流電阻損失也就越大；由于JLHA3-335、JL/LHA1-165/170和JL(GD)/G1A-300/25的節(jié)能效果較好，故其電阻損失最少，在輸送容量較大的線路其節(jié)能效益更明顯。

3.2 導(dǎo)線機(jī)械特性計(jì)算

3.2.1 導(dǎo)線弧垂

導(dǎo)線的弧垂特性與導(dǎo)線的計(jì)算拉斷力、鋁鋼截面比、自重等因素有關(guān)。高溫弧垂的增大，施放檔距將減小，桿塔數(shù)量將增加。

各導(dǎo)線40℃弧垂、施放檔距及桿塔數(shù)量的計(jì)算結(jié)果可看出，導(dǎo)線弧垂變化不大。

3.2.2 導(dǎo)線過載能力

各導(dǎo)線過載能力的覆冰驗(yàn)算的氣象條件為：氣溫-5℃、風(fēng)速10m/s。

由于JLHA3-335導(dǎo)線單位重量輕、導(dǎo)線張力大，因此導(dǎo)線弧垂、過載冰厚均較好；而JL/LHA1-165/170的過載冰厚稍差；JL/G1A-300/25、JL(GD)/G1A-300/25過載覆冰能力居中。均能滿足本工程導(dǎo)線覆冰承載能力，且有較大裕度。

3.2.3 導(dǎo)線耐張串強(qiáng)度選擇

隨著導(dǎo)線鋼鋁截面比的減少，自重、張力及絕緣子串的受力隨之增加。在本工程氣象條件下，這幾種種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)采用2×120kN耐張串均可滿足要求。

3.2.4 導(dǎo)線對(duì)桿塔荷載的影響

可以看出，各導(dǎo)線的水平荷載相差不大；鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線JL(GD)/G1A-300/25的荷載基本相當(dāng)；鋁合金芯鋁絞線JL/LHA1-165/170和中強(qiáng)度全鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載相對(duì)較小；對(duì)于桿塔荷載影響：鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線JL(GD)/G1A-300/25使用桿塔更重，鋁合金芯鋁絞線JL/LHA1-165/170和中強(qiáng)度全鋁合金絞線JLHA3-335較輕。

3.2.5 導(dǎo)線搖擺角

當(dāng)基本風(fēng)速為25m/s時(shí)，可看出，鋁合金芯鋁絞線JL/LHA1-165/170和中強(qiáng)度全鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載相對(duì)較小，導(dǎo)線搖擺角相對(duì)較大，使用國(guó)網(wǎng)公司2011版典型設(shè)計(jì)鐵塔，以上各種導(dǎo)線均能在不改變鐵塔使用條件的前提下，滿足本工程需求。

3.3 導(dǎo)線造價(jià)分析計(jì)算

3.3.1 導(dǎo)線用量計(jì)算

由于導(dǎo)線自重及單價(jià)的差異，JL/LHA1-165/170、JLHA3-335（非熱處理）與JL/G1A-300/25的導(dǎo)線費(fèi)用基本相當(dāng)，JL(GD)/G1A-300/25和JLHA3-335（熱處理）的導(dǎo)線費(fèi)用相對(duì)較高。

3.3.2 導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性比較

1)按照當(dāng)?shù)貙?shí)際上網(wǎng)電價(jià)進(jìn)行年損耗費(fèi)用計(jì)算。

2)增量投資回收期限計(jì)算中應(yīng)考慮資金的時(shí)間價(jià)值（即利息），需折算至基準(zhǔn)年。

3)綜合分析，推薦順序如下：a)JL/LHA1-165/170和JLHA3-335導(dǎo)線（非熱處理型）；b)JLHA3-335導(dǎo)線（熱處理型）；c)JL(GD)/G1A-300/25。

4 年費(fèi)用計(jì)算

為了進(jìn)一步比較不同導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，本節(jié)對(duì)4種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)在不同輸送功率下的年費(fèi)用進(jìn)行了計(jì)算。

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，進(jìn)行最小年費(fèi)用計(jì)算條件如下：

①經(jīng)濟(jì)使用年限為30、50年，施工期按2年計(jì)，前一年投資為60%，后一年投資為40%。②年最大損耗小時(shí)數(shù)按3750h計(jì)。（最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)對(duì)應(yīng)的損耗小時(shí)數(shù)）③設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率為1.4%。④電力工程回收率按工程投資的8%計(jì)。⑤電價(jià)按當(dāng)?shù)貙?shí)際上網(wǎng)電價(jià)計(jì)。

5 結(jié)論

1)當(dāng)導(dǎo)線允許溫度從70℃上升至80℃，導(dǎo)線的載流量提高約1.1倍，幾種節(jié)能導(dǎo)線均滿足本工程載流量及輸送功率要求。

2)三種節(jié)能導(dǎo)線的交流電阻計(jì)算值非常接近，JL(GD)/G1A-300/25略高，其年費(fèi)用在各種輸送功率下最高。JL/LHA1-165/170和JLHA3-335的年費(fèi)用最低。

3)JLHA3-335弧垂特性最好；JL/G1A-300/25、JL(GD)/G1A-300/25次之，其次是JL/LHA1-165/170。

4)由于JLHA3-335導(dǎo)線單位重量輕、導(dǎo)線張力大，因此導(dǎo)線弧垂、過載冰厚均較好；而JL/LHA1-165/170的過載冰厚稍差；JL/G1A-300/25、JL(GD)/G1A-300/25過載覆冰能力居中。JL/LHA1-165/170和JLHA3-335的垂直荷載相對(duì)較小，導(dǎo)線搖擺角相對(duì)較大，需排桿定位時(shí)控制其搖擺角系數(shù)。

5)采用JL/G1A-300/25線路本體造價(jià)高，又無明顯的節(jié)能效果；JL(GD)/G1A-300/25具有良好的節(jié)能效果，但初投資略高于JL/G1A-300/25；由于JL/LHA1-165/170和JLHA3-335導(dǎo)線交流電阻低，同時(shí)電阻溫升系數(shù)小，初投資增加很少；同時(shí)節(jié)能效果明顯。三種節(jié)能導(dǎo)線的交流電阻計(jì)算值非常接近，JL(GD)/G1A-300/25略高，其年費(fèi)用在各種輸送功率下最高。JL/LHA1-165/170和JLHA3-335的年費(fèi)用最低。

6)針對(duì)該工程節(jié)能導(dǎo)線推薦排序：a.中強(qiáng)度鋁合金絞線；b.JL/LHA1-165/170；c.JL(GD)/G1A-300/25。

7)建議110kV輸電線路工程導(dǎo)線采用節(jié)能型，都比常規(guī)導(dǎo)線有優(yōu)勢(shì)，在河北南網(wǎng)可大面積推廣使用。

[1]葉鴻聲.中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線在輸電線路中應(yīng)用探討.

[2]國(guó)網(wǎng)公司基建設(shè)計(jì)[2012]18號(hào)《關(guān)于開展輸電線路節(jié)能導(dǎo)線試點(diǎn)應(yīng)用工作的通知》.