節能導線在輸電線路中的節能效果分析

李　釗，李春燕，馮硯廳

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003； 2. 國網河北省電力公司 電力科學研究院， 河北石家莊050021)

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節能導線在輸電線路中的節能效果分析

李釗1，李春燕1，馮硯廳2

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003； 2. 國網河北省電力公司 電力科學研究院， 河北石家莊050021)

為了降低輸電線路的電阻損耗，提高傳輸效率，達到節能的效果。介紹了鋼芯高導電率鋁絞線，鋁合金芯高導電率鋁絞線，中強度鋁合金絞線3類節能導線的特點及節能原理，并通過測量直流電阻，對具體線路分別從電阻損耗，環境效益，線路投資方面進行分析，比較其節能效果。結果表明中強度鋁合金絞線節能效果最好，每千米約節約電量8.2%，且在3年內即可收回設備投資，具有重要的推廣價值，可為今后替代普通鋼芯鋁絞線在節能導線的選型上提供參考。

輸電線路；電阻損耗；節能效果；推廣應用

0　引言

一直以來，我國輸電線路以鋼芯鋁絞線為主，隨著我國各行各業的快速發展導致對電力的需求量大大增加，而普通鋼芯鋁絞線已不能滿足容量快速擴容的需求[1-4]，電量的傳輸效率制約著電力工業的發展，因此世界上許多國家都在研制新型節能導線，來替代普通的架空輸電導線，在截面積相同的情況下提高輸電效率減少線路損耗；另外，導線在輸送電量的同時產生電能損耗，因此在輸電容量相同的情況下，如何減少線路損耗也成為各國高度關注的課題。而電能損耗主要包括電暈損耗和電阻損耗[5-7]。且在截面積相同的情況下電暈損耗是一樣的，在電暈損耗基本相同的時候，線路的損耗主要由電阻損耗和一小部分的集膚效應所引起的損耗來決定。

隨著國內電力工業新材料和新工藝的飛速發展，我國不斷開發出具有高導電率的新型導線，目前具有代表性的導線主要有鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線、中強度鋁合金絞線等3種導線。本文主要針對電阻損耗對幾種新型節能輸電導線進行分析，在截面積相同的情況下分析不同類導線的電阻損耗，環境效益，投資效益，比較其節能效果，為節能導線選型的推廣和開發更高導電率的導線提供借鑒。

1　節能導線型號及特點

普通鋼芯鋁絞線的鋼芯主要起保證強度的作用，鋁線主要用來輸送電量，鋼芯鋁絞線結構簡單、設計方便、易于維護和線路成本低等優點，但是其傳輸效率已經不能滿足傳輸電量快速增容的需求，因此，我國不斷地開發高導電率的新型導線有以下3類。

(1)鋼芯高導電率鋁絞線

鋁的導電率與鋁的合金元素和制備工藝有關，理論上鋁的純度越高其導電率越大最大可達64%，但是隨著鋁純度的增高，鋁錠在強度和硬度等機械性能上會受到影響，滿足不了市場需求，而且其價格成本高，阻礙鋼芯高導電率鋁絞線的全面推廣應用[8-9]。然而通過對合金元素和抜拉工藝等一些工藝參數的控制可使得其導電率達到63%，同時能保證鋁線強度滿足國際標準。其傳輸效率提高，從而降低線路的電阻損耗，另外其桿塔結構、機械性能和施工條件與普通鋼芯鋁絞線幾乎一樣，可見在截面積相同的情況下降低了荷載，從而降低了工程造價。

(2)鋁合金芯高導電率鋁絞線

此導線由導電率為53%的鋁合金芯取代傳統輸電線的芯部和局部鋁線，使得幾乎沒有傳輸電力的承力構件有了輸電能力，改進后的鋁合金芯鋁線比鋼芯鋁絞線的直流電阻更低，從而降低了線損提高了傳輸效率，并且鋁合金芯高導電率鋁絞線由于其質量輕，在相同載流量的前提下，鋁合金芯高導電率鋁絞線比傳統鋁絞線的張力和垂直載荷降低7%～10%，并且其表面硬度與傳統電線的表面硬度幾乎相同，另外，在工程施工時不需要采用特別的防護，常規的施工方法和設備可以直接應用于施工過程中。

(3)中強度鋁合金絞線

此導線經過非熱處理工藝生成的，其導電率約58.5%～59%，它無論在設計、制造還是在施工、運行方面均有諸多優點，并已經被應用在世界上許多國家。而我國的此類導線是選用58.5%IACS鋁合金全部替換普通鋼芯鋁絞線[10]。從而降低直流電阻，減少電阻損耗，來達到提高傳輸效率的目的。中強度鋁合金絞線相對于普通鋼芯鋁絞線其硬度大，重量輕，施工過程中能夠減少導線磨損，同時可以減少運行時電暈損失及無線電干擾水平。除此之外，此導線屈服強度是傳統電線的1.5倍左右，從而減小了導線鼓包現象的產生。中強度鋁合金絞線的機械特性可以做到和傳統電線幾乎相同，大部分可以應用一般的設計桿塔。

以上培養高職院校園林技術專業教師實踐能力的途徑都離不開學院制度上的保駕護航、政策上的積極支持，解決教師的后顧之憂，促進高職院校專業教師自覺自愿地提高專業實踐能力的積極性。很多文章中都提到了譬如高職教師評定職稱標準區別于普通高校系列職稱評定標準[11-12]，將教師企業頂崗實踐、技能大賽獲獎、行業職業資格證書等納入評定職稱的加分項。

2　節能原理

當電暈損耗相同時，輸電線路損耗主要有電阻損耗來決定，而電阻損耗由直流電阻決定，除此之外，在交流電輸電線路中還有少量肌膚效應損耗和鐵損效應損耗，該損耗約占線路損耗的2%～5%，因此，等截面積的情況下，輸電線路的總損耗量主要有直流電阻來決定。

為了測導線的直流電阻，試驗采用使用儀器有QJ63型雙臂電橋(20.0級)、低電阻測試架(1 m)、千分尺、試樣導線等。測定不同溫度下直流電阻，在測量單根導線時候應該將其拉直，不要引起導線橫截面面積發生變化扭曲。通過處理試驗數據得出導線的材質信息如表1所示。

表1　導線材質信息

電阻損耗計算如下：

(1)單導線時對RDC的計算

(1)

式中：RDC為t時的每米導線直流電阻值，Ω/m；R20為20 ℃時的每米導線直流電阻值，Ω/m；t為導線運行溫度，℃；α為電阻溫度系數。

(2)在輸電線路中，鋁線及鋁合金線因在空氣中氧化形成帶有絕緣特性的氧化膜，當輸電線通入電流后，會沿著螺旋導線形成軸向磁場，盡管鋁線相鄰絞線的絞向能使得一部分磁場抵消，但是仍有一部分交變的磁場存在，從而使鋁絞線產生磁滯或者渦流，進而導致功率損耗，同時引起電阻增大，即產出鐵損效應損耗。另外趨膚效應的影響下，使得在導線中電流的分布發生變化，從而交流電阻的隨之產生。計算交直流電阻比如下表達式。

(2)

K的計算按《裸線載流量計算方法》進行計算，具體公式如下式。

k1=0.996 09+0.018 578X-

0.030 226 3X2+0.020 735X3

其中，對于合成鋁合金絞線如下式(3)；對于單一鋁合金絞線如下式(4)。

(3)

(4)

式中：X為常數；f頻率50 Hz；D1為導線的外直徑，mm；D2為鋼芯的外直徑，mm。

對于單一鋁合金絞線K2=1，而對于合成鋁合金絞線K2如下式。

k2=0.999 47+0.0288 95Y-

0.005 934 8Y2+0.000 422 59Y3

其中，Y=I1/A，為常數。式中：I1為線電流，A；A為鋁截面積，mm2；

單根導線電流如下式：

(5)

則交流電阻比為K=k1·k2。

(3)每千米交流電阻值

則每千米總電阻為：

式中：m為常數，直流線路單極取1，雙極取2；交流線路單回取3，雙回取6；n分裂數。

(4)每千米電阻損耗

(6)

式中：R為每千米總電阻，Ω；I為載流量，A；τ為最大損耗的時間取 3 200 h。

3　實例計算

3.1電阻損耗節能計算分析

河北南網試點線路用導線為2×JL4/GIA-400/35型，其截面積為426.2 mm2，為保證導線總體截面積相同，此次對導線節能分析的截面積均在426.2 mm2～426.28 mm2之間。為了實現國網公司節能導線推廣應用的節能要求，選擇溫塘-平山220 kV站線路工程作為本項目的示范工程之一，應用新型節能導線針對電阻損耗進行分析研究，線路全長約12.5 km。其中所選導線型號分別為普通鋼芯鋁絞線型號：JL/GIA-400/35，鋼芯高導電率鋁絞線：JL4(GD)/GIA-400/35，鋁合金芯高導電率鋁線：JL1/LHA2-210/220-18/19，中強度鋁合金絞線：JLHA3-425-37，計算并對比分析導線在60 ℃情況下的損耗電能。線路信息如表2，導線參數說明如表3，電阻損耗如表4。

表2　線路信息

結果分析：將數據進行交直流的轉化計算并將電阻損耗進行匯總，即在線路相同的情況下，使用不同類型的節能導線相對于普通鋼芯鋁絞線而言在電力傳輸和降低電量損耗上都有很大的提高，這體現了導線較好的電氣特性，但是3類節能導線的節能效果也有所區別，從數據結果可以看出，普通導線JL/G1A-400/35型每千米電阻損耗為2.033 1×105kW·h/km，鋼芯高導電率鋁絞線電阻損耗為1.976 8×105kW·h/km，比普通導線節省約2.7%，鋁合金芯高導電率鋁絞線電阻損耗為1.913 4×105kW·h/km，比普通導線節省約5.9%，中強度鋁合金絞線JLHA3-425-37型導線每公里電阻損耗可達1.866 3×105kW·h，其每千米電阻損耗電能比普通鋼芯鋁絞線節省了約8.2%。每條新型節能導線都比普通導線的電阻損耗要小，其中效果最好的是中強度鋁合金絞線JLHA3-425-37，其次為鋁合金芯高導電率鋁線。

表3　導線參數列表

表4　導線損耗數據及結果

3.2環境效益分析

有關資料顯示，發1 kW·h電需要300 g標準煤，而每燃燒1 t標準煤，向大氣環境排放CO22.6 t，SO220 kg，煙灰15 kg，灰渣260 kg，氮氧化合物9 kg。溫塘-平山220 kV站線路工程應用中強度鋁合金導線JLHA3-425-37每年約節約62.55 t煤，減少CO2的排放量為162.63 t，SO2排放量為1 251 kg，煙灰排放量為938.25 kg，灰渣排放量為16 263 kg，氮氧化合物排放量為562.95 kg，3類節能導線的環境效益統計如表5所示。

表5　環境效益統計

3.3線路造價分析

本工程線路總長為12.5 km，按30年運行期計算，在相同的設計條件下應用不同類型的導線時，導線成本和鐵塔的耗鋼量也存在差異，現對同截面節能導線和普通導線的投資成本以及電能損耗進行對比分析。根據上網電價0.455元/kW·h，年損耗小時數按3 200 h，各種導線的經濟性比較如表6所示。

表6　導線經濟性比較

由表6經濟比較可以看出，3類節能導線初次投資均高于普通鋼芯鋁絞線，其中中強度鋁合金的導線成本最高，但其節能性最好，在3年左右即可收回增量投資。本工程采用3類節能電線在30年經濟運行年限內，總的節電量可達211～625萬kW·h，所節約電量折算約96～285萬元，節能效果十分可觀。

4　結論

(1)3類新型節能導線相對于普通鋼芯鋁絞線而言均有較好的電氣特性，能減小電阻損耗，增大電量的傳輸效率，其中中強度鋁合金芯絞線電量損耗最低，節能性更加突出。

(2)節約電量的同時減少了二氧化碳、煙塵等污染物的排放，對營造良好的生態環境具有重要的意義。

(3)節能導線雖然初次投資比傳統輸電線成本高，但是其在很短的年限內即可回收初次投資的額外增加成本，所以應用新型節能導線取代普通鋼芯鋁絞線具有廣闊的前景。

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Energy-saving Effect Analysis of Energy-saving Wire in Transmission Line

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 reduce the resistance loss, improve the efficiency of the transmission line and reach energy-saving effect. This article describes the energy conservation principle and characteristics of energy-saving efforts of the wire and marketed high conductivity steel-cored aluminum strand, aluminum alloy-cored aluminum stranded wire and medium intensity aluminum stranded wire. By measuring the DC resistance analyzing the concrete lines from resistive losses, environmental benefits and investment of line and comparing the energy-saving effect of three energy-saving wires. The results show that the energy-saving effect of medium intensity aluminum stranded wire is the best. Per kilometer saves electricity about 8.2% and it can recover the investment of equipment in three years. It has an important promotion value and may provide the reference for the future instead of common steel core aluminum stranded wire in the choice of the energy-saving wire.

transmission line; resistance loss; energy savings; application and dissemination

2016-07-12。

國家電網公司科技項目(5204HB140002)。

李釗(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為高導電率硬鋁導線研制及示范應用，E-mail：lizhao_mail1016@163.com。

TM751

ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.10.005