節能導線在工程中的全壽命投資分析

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)

節能導線在工程中的全壽命投資分析

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)

為對節能導線的全壽命進行投資分析，實現導線的推廣應用。介紹了節能導線的技術分類原理和不同導線的性能比較，并通過實際工況中的工程應用，對導線在最高允許溫度下的載流量、輸送功率和不同輸送容量下的電阻損失進行比較，以及導線結構的弧垂性、過載冰厚和搖擺角的分析，最后對工程年費用進行計算等方法。結果表明中強度鋁合金絞線節能效果最突出，但因其張力大和擺角大無法應用通用設計桿塔，而鋼芯高導電率鋁絞線與普通導線機械特性相同，故在工程中可將其作為首選。

節能導線；工程應用；性能比較；投資分析

0 引言

目前隨著我國國民經濟以及各行各業的迅速發展，我國加快了電網建設。然而一直以來我國以普通鋼芯鋁絞線作為輸送電量的載體，隨著人們對電力的需求日益增加，這使得普通鋼芯鋁絞線不能滿足輸送容量增大的需求，因此需要傳輸效率更高的導線來代替普通鋼芯鋁絞線同時能夠降低電路損耗[1-5]。除此之外，我國能源分布不均勻，而煤作為發電的主要燃料卻主要分布在我國西部和北部，以至于電量供應主要由遠距離傳輸來完成，所以開發研制具有高導電率的新型節能導線為今后的重要發展方向[6-7]。

另一方面，廠網分離以來，發電側的節能減損由發電企業來完成，而輸配電側的節能主要由電網公司來承擔。其中節能導線的研究對輸電線路的降損和發展起了舉足輕重的作用[8-11]。如今電力工業新材料和新工藝的飛速發展，我國不斷開發出低損耗的節能導線，然而新型導線的電氣特性和機械特性也不盡相同，這導致在實際的工程應用中需要從各類導線的全壽命投資來進行分析其效果[12-15]。故本文以實際工程應用為例，分析了節能導線在不同工作溫度下的載流量和輸送功率以及不同輸送容量下的電阻損失，并對弧垂性、過載冰厚和搖擺角等機械特性進行比較，通過全壽命投資分析為節能導線的選型提供依據。

1 節能導線的技術分類及參數

節能導線相對于普通鋼芯鋁絞線而言有較好的電氣特性，能減小電阻損耗，增大電量的傳輸效率，當今技術中節能的研制主要包括以下3種：

(1)采用退火工藝處理的軟鋁代替電工硬鋁，導電率可由61%IACS提高到63%IACS。

(2)通過合金元素和抜拉工藝等一些工藝參數的控制，在保證滿足國際標準的同時使鋁線導電率達到63%IACS。

(3)使用具有導電率的鋁合金芯來取代傳統導線的鋼芯和部分鋁線，使得幾乎沒有輸電能力的鋼芯有了輸電能力，來提高導電率降低線損達到節能的目的。

目前，我國新研制的主要有以下3種節能導線，其中3種節能導線與鋼芯鋁絞線的單絲材質和參數對比如表1所示。

表1 3種節能導線與鋼芯鋁絞線的單絲材質和參數對比

2 節能導線理論分析

2.1 導線的電氣特性計算

導線的載流量計算過程中，應使其不超過某一溫度，從而使導線的強度不受長時間導體溫升的影響來保證導線的使用壽命。鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線連續使用溫度為70 ℃～80 ℃，GB50455-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》中介紹，對鋁絞線的載流量驗算時，規定允許溫度選用70 ℃，必要時可選用80 ℃。導線載流量、輸送功率和電阻損失計算公式如下：

(1)單根導線電流

(1)

(2)計算T℃時的每千米導線直流電阻

(2)

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

(3)計算交直流電阻比：k=k1·k2

(3)

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。

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為線電流，A；A為鋁截面積，mm2。

(4)計算每千米交流電阻值

(5)載流量計算

(4)

(6)計算長期允許輸送功率

(5)

式中：U為線路電壓，k/V；n為導線分裂數；I為線電流，A；cosα為功率因數。

(7)單回交流輸電線路的電阻熱損失

WQ=3n·I2·re

式中：n為分裂根數；I為單回路每根導線的額定工作電流，A；re為導線的交流電阻，Ω/km。

2.2 年費用計算方法

年費用法可以反應工程投資的合理性和經濟性，并能考慮項目的未來規劃，在傳輸容量增加時，使得導線的電阻損失增大，為了進一步比較不同的導線結構，采用最小年費用法對普通鋼芯鋁絞線和3類節能導線在不同輸送容量下進行全壽命周期的年費用計算。

(1)折算到工程投運年的總投資

式中：NF為平均費用，萬元；n為工程的經濟使用年限；Z為折算后的工程總投資，萬元。

(2)折算后工程總投資

式中：t為從開工這一年起到計算年的年數；m為工程施工年數；Zt為第t年的建設投資，萬元；r0為電力工業投資回收率；μ為折算年運行費用，萬元。

(3)折算年運行費用

式中：t0為工程部分投產的年份；ut為運行費用，萬元。

3 工程實例計算

3.1 工程概況

為降低電量損耗，提高導線質量，強化節能導線的研究基礎，實現國網公司節能導線推廣應用的目標要求，選擇溫塘—平山220 kV線路工程作為示范工程。線路全長約12.5 km，位于石家莊平山縣，導線型號為2×JL4/GIA-400/35，全線按e級污穢區配置。工程特點為線路均位于平山縣西部丘陵地帶，線路主要沿已建或規劃的路線走線，海拔高度150 m～300 m，設計基準風速27 m/s，最大覆冰導線5 mm、地線10 mm。

電力系統的條件如表2所示。

表2 電力系統條件

工程正常運行輸送功率按300 MW～550 MW考慮，導線選用2分裂400 mm2的規格組合，能夠滿足系統輸送功率的要求，電流密度約0.55～1.0 A/mm2。另外，導線界面為2×400 mm2，選用通用設計塔型時，使用5E1模塊的直線塔，5E3模塊的耐張塔，此類塔型結構簡單、傳力清晰，使用的材料經濟好，并且具有加工、施工方便等優點。

3.2 各類導線的電氣性能比較

(1)載流量和輸送功率的比較分析

導線的最高允許溫度采用70 ℃和80 ℃ 2種方案進行計算。計算中環境溫度為最高氣溫月的最高平均氣溫，根據當地氣象統計資料，選取20 ℃的環境溫度，每平方米的日照強度為1 000 W，輸電導線的表面輻射系數取0.9，導線表面的吸熱系數也取0.9。

各導線載流量和輸送功率如表3所示。

由表3可看出，當導線的溫度從70 ℃增加到至80 ℃，使得導線載流量和輸送功率均升高約1.12倍，為提高線路的傳輸容量，降低工程造價，可使此工程導線的允許載流量按80 ℃控制，可以滿足系統的要求。鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線以及中強度鋁合金芯絞線的載流量和輸送功率均比傳統鋼芯鋁絞線提高1.5%～3.2%，整體差異不大，其中中強度鋁合金芯絞線輸送功率最高，節能性更加突出，鋁合金芯高導線率絞線次之。

表3 導線載流量和輸送功率

(2)交流電阻損失比較分析

在計算電能損耗時，導線的交流電阻是隨著系統輸送功率不斷變化的，應分別進行計算，在此計算電阻損耗的環境溫度為15 ℃，不同輸送容量下的電阻熱損失如表4所示。

表4 不同輸送容量下的電阻熱損失

由表4可知，在相同的傳輸容量下，節能導線的電阻損失略低于普通導線，另外隨著輸電導線傳輸容量的增大，交流電阻損失也相應的變大，另外在輸送容量較大的情況下節能效果更明顯，且中強度鋁合金絞線節能效果最為突出，在不同容量條件下的節約電量約3.6%～4.3%。

3.3 導線的機械特性分析

輸電導線的弧垂性能和其求解的拉斷力有關，還和鋁線與鋼芯的截面面積比例有關，同時和導線其自重也有關系。高溫弧垂增大，施放檔距將減小，桿塔數量將增加。各導線40 ℃弧垂及桿塔重量百分比計算如表5所示。

架空輸電導線在運行中受氣溫變化、大風和覆冰的影響，導線的受力有時會超過設計的最大允許使用應力，即出現導線過載的情況。GB50455-2010《110～750 kV架空輸電線路設計規范》規定，導、地線在稀有風速或稀有覆冰氣象條件時，導線弧垂最低點的最大張力不應超過其導、地線拉斷力的70%，以此值反算可求的導線的覆冰過載冰厚。導線的過載冰厚如表6所示。

表5 各導線40 ℃弧垂及桿塔重量百分比

表6 導線過載冰厚比較表

由表5和表6可知，中強度全鋁合金絞線JLHA3-425/37弧垂特性最好；由表6可以看出當線路設計覆冰厚度為5 mm時，普通鋼芯鋁絞線和3種節能導線的過載覆冰厚度都超過20 mm，均可以滿足工程覆冰過載的要求，并擁有較大的裕度。而中強度鋁合金芯絞線因其單位質量輕、線路張力大，所以此類導線弧垂特性和過載冰厚都很好；而鋁合金芯鋁絞線的過載冰厚稍差；鋼芯鋁絞線和高導電率鋼芯鋁絞線過載覆冰能力居中。

在設定風速是27 m/s時，各種導線結構的搖擺角如表7所示。

表7 各導線結構搖擺角

從表7可以看出，普通導線和鋼芯高導電率鋁絞線的擺角相差不大，幾乎相同，鋁合金芯高導電率鋁線JL/LHA-210/220和中強度全鋁合金絞線JLHA3-425/37的搖擺角相對較大，分別比其他兩類導線風擺角大4.3°，5.3°；風擺角提高10.4%，12.8%，又因其張力較大，因此導線橫擔需加長。

3.4 各導線年費用分析

根據示范工程的實際情況，進行最小年費用計算條件為：(1)經濟使用年限為30年，施工期按2年計，前一年投資為60%，后一年投資為40%；(2)年最大損失時間為3 750 h；(3)設備運行維護率為1.4%；(4)電力工程回收率按工程投資的8%計；(5)電價按0.455元/kW·h計。

按照通用設計桿塔，必要時驗算補強的原則，不同輸送容量和經濟使用年限下的年費用如表8所示。

表8 不同輸送容量的年費用

由表8可知，在輸送容量高時，3類節能導線的年費用相對于普通鋁絞線擁有明顯的優勢，其中鋁合金芯鋁絞線JL/LHA1-210/220的年費用在3類節能導線中最低，在不同輸送容量下比普通導線節省費用約0.96%～3.05%，中強度全鋁合金絞線JLHA3-425/37的年費用次之，鋼芯高導電率鋁絞線JL(GD)/G1A-400/35的年費用相對于其他兩類節能導線略高。

4 結論

(1)當導線允許溫度由70 ℃升至80 ℃時，導線載流量和輸送功率均提高約1.12倍，為提高輸送能力可使工程中允許載流量按80 ℃控制；另外，隨著輸送容量的增大，節能導線的節能效果更加明顯，其中中強度鋁合金絞線節能效果最為突出，最高可達4.3%。

(2)中強度鋁合金絞線重量輕，弧垂和過載冰厚較好，但是導線張力大，搖擺角大，因此導線橫擔需加長，無法直接利用通用設計桿塔。

(3)鋼芯高導電率鋁絞線擁有良好的節能效果，具有與傳統架空導線完全相同的機械特性，其能夠直接代替傳統架空導線使用，故在工程中優先推薦采用高導電率鋼芯鋁絞線；鋁合金芯鋁絞線的投資回收期以及年費用成本指標更佳，但是風搖擺角偏大，需要對通用設計線路桿塔橫擔加長或折減條件下使用，它作為優良的節能導線，在本工程項目中把鋁合金芯鋁絞線作為第二選擇；而中強度鋁合金絞線因其弧垂特性好，耐張力大適用在有高度差的山地等線路中。

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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。

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。

TM752

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.011