新型节能导线的应用及研究

新型节能导线的应用及研究

薛良

广东天联电力设计有限公司广东广州510663

摘要：结合南方电网公司新技术、新材料的推广应用，选取了三种新型节能导线作为比选方案，从输送容量、电气特性、机械特性、荷载特性等方面开展了详细的技术比较，并结合一次性投资、全寿命周期分析对导线的经济性进行研究，给出了最优方案和建议。

关键词：输电线路；节能导线；技术经济

为建设安全可靠、先进适用、经济合理、环境友好的绿色线路，将“新技术、新设备、新材料、新工艺”应用到电网建设中，本文分析了钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯高导电率铝绞线和中强度铝合金绞线共3种新型节能导线应用的可行性和必要性，对节能导线进行技术经济比较分析。

随着国内电力工业新材料和制造工艺的飞速发展，电线制造厂家不断开发出具有高导电率的新型导线，具有代表性的为钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯高导电率铝绞线和中强度铝合金绞线3类节能型导线[1]。各种型号导线的技术参数如表1所示：

1导线输送容量

导线的载流能力主要取决于导线的截面、材质以及结构。同时，导线载流量与导线所处气象条件(环境温度、风速、日照强度)有关，在计算导线载流量时，应使导线不超过某一温度，目的在于使导线在长期运行或在事故条件下，由于导线的温升，不致影响导线强度，以保证导线的使用寿命。根据现行国标、厂家提供的参数以及线路载流量计算原理[2]，可以计算出各比选导线的最大输送容量，如图1所示。

注：载流量计算条件：环境温度30℃，风速0.5m/s，日照强度0.1W/cm2，导线吸热系数和辐射散热系数0.9。

在满足输送负荷情况下导线的最低运行温度见表2：

从图1和表2可以看出，各种导线的载流量和极限输送功率有所差异，节能导线要比普通导线高出16.4%~16.7%。综合比较四种导线的载流量，中强度铝合金绞线JLHA3-425相对最优，铝合金芯高导率铝绞线JL3/LHA2-210/220次之，钢芯高导电率铝绞线JL4/G1A-400/35再次之，普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35相对最差。

2导线电气特性

2.1电磁环境

线路电磁环境影响主要取决于电压等级、导地线布置、导线直径、分裂数、分裂半径和表面粗糙度。对于截面基本相等的普通钢芯铝绞线和节能导线，直径略有差异，其他参数相同时，各种导线电磁环境影响基本相当[3]。

2.2电能损耗

输电线路损耗主要由电晕损耗和电阻损耗组成。电晕损耗的大小与导线表面电场强度、导线表面状况、气象条件、海拔高度等因素有关。本工程各种导线的分裂型式和结构类似，电晕损耗基本相等。在电晕损耗基本相同的的情况下，输电损耗主要由导线的直流电阻所决定。

普通导线的采用的铝导体20℃时导电率为61%IACS，对应直流电阻为28.264Ω/m。节能导线在同等截面水平下，单位长度电阻低于常规钢芯铝绞线。节能导线通过提高导体材料的导电率或增大导电截面，从而减少直流电阻，进而减少输电线路的损耗。计算所得的各种导线不同输送功率下的导线电阻损耗见图2。

3导线机械特性

3.1导线弧垂

导线的弧垂特性与线路的气象条件，导线的计算拉断力、铝钢截面比、自重等线材特性密切相关。在地形、跨越物等其他条件相同的前提下，直线杆塔高度与导线弧垂密切相关。计算所得的高温时不同档距下导线的弧垂见图3。

3.2导线过载能力、防振性能

导线的过载能力、防振性能分别见表3和表4。

4导线荷载特性

4.1导线对杆塔荷载的影响

导线的水平荷载相差不大，钢芯铝绞线JL/G1A-400/35和钢芯高导电率铝绞线JL4/G1A-400/35的垂直荷载基本相当；铝合金芯高导电率铝绞线JL/LHA2-210/220、中强度铝合金绞线JLHA3-425由于单位重量较轻，垂直荷载较传统的钢芯铝绞线JL/G1A-400/35减少约7.2%，可使铁塔单基工程量减少1%左右，有利于减少杆塔本体投资。

4.2导线绝缘子串强度选择

各种导线耐张串采用2×120kN均可满足要求。

节能导线具有良好的拉重比特性，弧垂减小从而降低全线的杆塔高度，在杆塔结构设计中较普通导线有明显优势。

5一次性投资分析

输电线路工程的一次性投资包括导线及地线投资、铁塔及基础投资、绝缘子串及金具投资、各种附件投资、施工安装投资等。在同一设计条件下，由于导线机械特性、材质各异，除导线本身的成本外，每公里线路杆塔基数、单位钢耗量、绝缘子和金具的种类也略有差异，因而四种导线的静态投资是不一样的。

从一次性投资的经济比较可看出大致的趋向如下：

1）受导线电阻损耗的影响，钢芯高导电率铝绞线JL4/G1A-400/35的回收年最长，铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220次之，中强度铝合金绞线JLHA3-425的回收年最短。当系统最大负荷年损耗小时数越多、电价越高时，节能导线的经济性越明显；

2）钢芯高导电率铝绞线JL4/G1A-400/35具有节能效果，但初投资高于普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35，在年负荷利用小时数较小时，补偿初投资增量需要年限较长；由于中强度铝合金绞线JLHA3-425导线直流电阻和电阻温升系数小，无磁滞涡流损耗，且初投资费用增加较少，故0.26～1.50年即可回收；铝合金芯铝绞线JL3/LHA2-210/220的导线本体较贵，但同样节能性能较好，补偿初投资所需的年数为1.48～8.62年。

3）与钢芯铝绞线相比，以给定的边界条件计算，本工程采用三种节能导线均能在经济使用期收回增量投资。

6全寿命周期分析

准确合理的评价导线综合经济性还应采用财务上的等年值费用法，即将各比选导线方案在全寿命期内的所有支出费用折算成等额年费用进行比较，年费用最低的方案在经济上最优。

本工程的计算条件如下：

1）经济使用年限为30年，施工期按2年计，第一年投资60%，第二年投资40%。

2）年最大损耗小时数按2200h、3200h计。

3）设备运行维护费率为1.4％。

4）电力工程回收率按工程投资的8％计。电价按0.3、0.4、0.5、0.6元/kWh计。

各比选导线等年值费用计算情况见图4、图5所示。

从年值费用比较可以看出：

3种节能导线的节能效果要明显优于普通钢芯铝绞线，单从节能效果看，中强度铝合金绞线JLHA3-425的节能效果最好，年损耗小时数在2200h和3200h时，经济运行年限内每公里线路节能总量分别达78.61、114.34万度；铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220每公里线路节能总量次之，钢芯高导电率铝绞线JL4/G1A-400/35居第三。

此外铝合金芯铝绞线的年费用最低，节能优势最明显。在电价较低时，钢芯高导电率铝绞线的年费用高于普通钢芯铝绞线，随着电费价格的升高，钢芯高导电率铝绞线的年费用将低于普通钢芯铝绞线。

7结论

1）铝合金芯高导电率铝绞线和中强度铝合金绞线是铝基体的单一材质，没有双金属腐蚀，具备防腐功能。由于没有铁磁材料，没有磁滞损耗，运用于交流线路时对于降低交流电阻从而减小电阻损耗有着较大的优势。

2）对于JL/G1A-400/35的导线比选中，铝合金芯高导电率铝绞线JL/LHA2-210/220由于采用铝合金芯，消除了磁滞损耗的影响，电能损耗也随之降低；导线单重方面较相对应的钢芯铝绞线轻，导线投资相比有所降低。故在年费用的比较中，较为经济。但弧垂相比之下略大，覆冰过载能力也相对略差。

3）中强度铝合金绞线JLHA3-425机械综合性能均好于JL/LHA2-210/220，并在弧垂、覆冰过载能力优于钢芯铝绞线，在经济输送容量下年费用最小。

4）钢芯高导电率铝绞线JL4/G1A-400/35的性能与钢芯铝绞线基本一致，加之受磁滞损耗的影响，电能损耗较大，故在节能导线中经济性最差。

综上，三种节能导线在大多数工程中完全可以相互替代，不过三者由于各自的机电特性的差异，在工程适用性上还是有一些侧重的。

①线路防腐和防振要求高，运行条件较差，大高差大档距较多，耐张塔比例低时，建议优先选用中强度铝合金绞线，充分利用其防腐防振性能和弧垂特性好的优势；

②线路有较高的防腐要求，对导线价格比较敏感，交流输送功率大、利用小时数高时，建议优先选用铝合金芯高导电率铝绞线，充分利用其防腐性能好、电阻低的优势；

③无其它特殊技术要求，希望直接应用通用设计杆塔和金具，提高设计施工效率，避免验算和修改时，建议优先采用钢芯高导电率铝绞线。

参考文献：

[1]黄彭,莫娟,万建成,赵新宇.架空输电线路节能导线应用技术经济分析[J].中国电力,2013,46(7):153-156.

[2]林玉章．高压架空输电线路载流量和温度计算[J],南方电网技术，2012,6(4):23-27.

[3]杨勇，崔鼎新．架空钢芯铝绞线参数对其表面电场的影响规律[J],高电压技术，2010,36(7):1767-1772.

[4]丁广鑫，孙竹森，张强，李明，莫娟，叶鸿声，王钢，万建成．节能导线在输电线路张的应用分析[J],电网技术，2012,36(8):24-30.

[5]GB50545-2010110kV~750kV架空输电线路设计规范[S].2010

[6]GB/T1179-2008．圆线同心绞架空导线[S].2009