張瑞永，趙新宇，李明，許志勇，吳鎖平，賈振宏

(1.江蘇省電力設(shè)計院，南京市，211102;2.國家電網(wǎng)公司，北京市，100031; 3.江蘇省電力公司，南京市，210024)

0 引言

導(dǎo)線作為輸送功率的載體一直是輸電線路設(shè)計的核心內(nèi)容。在新建輸電線路中，鋼芯鋁絞線應(yīng)用較為廣泛，多年的運(yùn)行實踐證明，鋼芯鋁絞線具有穩(wěn)定的機(jī)械、電氣性能，施工運(yùn)行和維護(hù)方便，能夠較好地適應(yīng)我國大部分地區(qū)的條件和環(huán)境。

近年來，經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展對輸電線路導(dǎo)線提出了更高要求。依據(jù)文獻(xiàn)［1］對節(jié)能產(chǎn)品所作的定義和分類，輸電過程中節(jié)能效果明顯并具有合理投資回收期的導(dǎo)線均可納入節(jié)能導(dǎo)線的范疇［1-2］。符合節(jié)能導(dǎo)線概念的特種導(dǎo)線產(chǎn)品主要有耐熱鋁合金導(dǎo)線和軟鋁導(dǎo)線2大類［3-6］，受特殊工藝和結(jié)構(gòu)材料的限制，這2類導(dǎo)線對施工運(yùn)行要求高，僅適用于增容線路和局部示范工程。作為主線路使用的新型節(jié)能導(dǎo)線，高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度全鋁合金絞線節(jié)能效果好、全壽命周期費(fèi)用低，具有取代常規(guī)鋼芯鋁絞線大面積推廣的價值。

1 新型節(jié)能導(dǎo)線

1.1 高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線

鋁的導(dǎo)電率與鋁的狀態(tài)、純度相關(guān)，根據(jù)相關(guān)研究，純鋁的極限導(dǎo)電率約為64%IACS，但高純鋁錠滿足不了目前架空鋁導(dǎo)線的市場需求，其價格、成本約為普通鋁錠的150%;而軟鋁導(dǎo)線在強(qiáng)度和表面硬度等方面存在缺陷，阻礙了其全面推廣使用。

在常規(guī)鋼芯鋁絞線的基礎(chǔ)上，通過晶粒細(xì)化、鋁線冷拉拔過程的低缺陷控制、敏感元素的精確控制，在保證鋁線強(qiáng)度滿足國標(biāo)規(guī)定的條件下，鋁線導(dǎo)電率可以達(dá)到63%IACS。依此開發(fā)的高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線，承力構(gòu)件采用鍍鋅鋼線，導(dǎo)體采用導(dǎo)電率為63% IACS的硬鋁線型，可以降低線路的電阻損耗，節(jié)能效益明顯，而其結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能及施工條件與普通鋼芯鋁絞線完全一致，根據(jù)目前制造成本及合理利潤測算，其價格高出普通鋼芯鋁絞線5%～10%。

1.2 鋁合金芯鋁絞線

鋁合金芯鋁絞線采用53%IACS的高強(qiáng)度鋁鎂硅鋁合金替代普通鋼芯鋁絞線中的鋼芯和部分鋁線，導(dǎo)線外部鋁線與普通鋼芯鋁絞線的鋁線相同［7］。在相同總截面積的條件下，基本無導(dǎo)電能力的9%IACS鋼芯被鋁合金芯替代，鋁合金芯鋁絞線的直流電阻比鋼芯鋁絞線小3%。鋁合金芯鋁絞線是鋁基體材質(zhì)，可避免由于磁滯、渦流損耗帶來的電能損失，對于輸電線路的節(jié)能降耗具有積極意義;而且單一的鋁基體材質(zhì)沒有多金屬的電化學(xué)腐蝕，耐腐蝕能力與鋼芯鋁鉸線相比有所提高。由于鋁合金芯鋁絞線單位長度質(zhì)量輕，在滿足與普通鋼芯鋁鉸線相同載流量和對地高度的前提下，導(dǎo)線張力與垂直荷載可降低7%～10%。雖然鋁合金芯鋁絞線的價格比普通鋼芯鋁絞線高11%～18%，但該導(dǎo)線單位質(zhì)量輕，其單位長度價格與普通鋼芯鋁絞線基本相同。

1.3 中強(qiáng)度全鋁合金絞線

文獻(xiàn)［8］中的LHA1和LHA2為高強(qiáng)鋁合金，導(dǎo)電率分別為52.5%IACS和53%IACS，與普通鋼芯鋁絞線相比，導(dǎo)線截面相同時直流電阻增大15%左右［9］。中強(qiáng)度全鋁合金絞線由于其在制造、設(shè)計、施工、運(yùn)行等方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，已在世界上許多國家的輸電線路上得到應(yīng)用，通過采用非熱處理工藝生產(chǎn)的鋁合金導(dǎo)電率可達(dá)58.5%～59%IACS。在國內(nèi)中強(qiáng)度全鋁合金絞線全部采用58.5%IACS鋁合金材料，具有交流電阻小、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。中強(qiáng)度全鋁合金絞線的單位質(zhì)量價格高出普通鋼芯鋁絞線18%～26%;由于其單位質(zhì)量輕、張力大，與等直徑的鋼芯鋁絞線相比可減少直線塔的數(shù)量，亦可降低呼高，但耐張塔耗鋼指標(biāo)略有增加，用于小轉(zhuǎn)角的線路中經(jīng)濟(jì)性比較明顯。

2 技術(shù)特性比較

2.1 導(dǎo)線參數(shù)

參照文獻(xiàn)［8］和國家電網(wǎng)公司節(jié)能導(dǎo)線試點(diǎn)的相關(guān)資料，本文共選擇了4種630 mm2截面的導(dǎo)線進(jìn)行比較，分別為:普通鋼芯鋁絞線JL/G1A－630/45、高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線JL(GD)/G1A－630/45、鋁合金芯鋁絞線JL/LHA1－465/210和中強(qiáng)度全鋁合金絞線JLHA3－675，各種導(dǎo)線的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)線主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of conductor

2.2 電氣性能比較

2.2.1 電磁環(huán)境影響

線路電磁環(huán)境影響主要取決于電壓等級、導(dǎo)地線布置、導(dǎo)線外徑、分裂數(shù)、分裂半徑和表面粗糙度。對于同截面的普通鋼芯鋁絞線和新型節(jié)能導(dǎo)線，直徑略有差異，當(dāng)其他參數(shù)相同時，各種導(dǎo)線電磁環(huán)境影響基本相當(dāng)。

2.2.2 導(dǎo)線電阻

架空導(dǎo)線的交流電阻由導(dǎo)線的直流電阻及其在交流電流下電阻增大的部分組成。鋁合金芯鋁絞線交流電阻增大的原因，包括集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，而鋼芯鋁絞線交流電阻增大的原因，除了集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)外，還有鋼芯磁滯、渦流損耗的原因。計算導(dǎo)線電阻溫度的換算系數(shù)，鋁線取4.0×10－31/℃、鋁合金線(52.5% IACS)取3.6×10－31/℃、中強(qiáng)度鋁合金線(58.5% IACS)取3.8×10－31/℃。當(dāng)環(huán)境溫度為20℃、電流密度為0.9 A/mm2時，以摩根算法［10］計算的導(dǎo)線電阻見表2。

表2 導(dǎo)線電阻計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of conductor resistance

由表2可以看出，節(jié)能導(dǎo)線的直流和交流電阻明顯小于普通鋼芯鋁絞線，其中高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線的直流節(jié)能效果最好;鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度全鋁合金絞線沒有磁滯、渦流損耗，但其集膚效應(yīng)比鋼芯鋁絞線大;當(dāng)電流密度較小時，高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線的交流節(jié)能性能仍明顯優(yōu)于其他2種節(jié)能導(dǎo)線。

2.2.3 載流量

驗算導(dǎo)線的允許載流量時，鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線的允許溫度取為+70℃，必要時可取為+80℃，大跨越時取為+90℃。當(dāng)環(huán)境溫度為35℃時，各導(dǎo)線允許的載流量見表3。

表3 允許載流量計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of current carrying capacity

由表3可以看出，節(jié)能導(dǎo)線的直流允許載流量比普通鋼芯鋁絞線增加1.6%～1.9%;由于鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度全鋁合金絞線沒有磁滯、渦流損耗，交流允許載流量提高3.5%～4.7%，而高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線在大電流時磁滯、渦流損耗大，因此交流允許載流量僅提高1.4%。

2.3 機(jī)械性能比較

各種導(dǎo)線的機(jī)械特性見表4。表4中導(dǎo)線風(fēng)偏搖擺角的基本風(fēng)速為27 m/s，覆冰過載能力按導(dǎo)線最低點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到其試驗張力的60%計算。

表4 機(jī)械特性比較Tab.4 Mechanical properties comparison

從表4可看出，高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線和普通鋼芯鋁絞線具有完全相同的機(jī)械特性;鋁合金芯鋁絞線的弧垂與普通鋼芯鋁絞線基本相等，但其覆冰過載能力略差;中強(qiáng)度全鋁合金絞線的拉重比較大，弧垂特性和覆冰過載能力較好。

鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度全鋁合金絞線的垂直荷載相對鋼芯鋁絞線較小，導(dǎo)線的風(fēng)偏搖擺角也相對較大，導(dǎo)線橫擔(dān)需加長;由于各導(dǎo)線的外徑基本相等，因此水平荷載相差不大;而中強(qiáng)度全鋁合金絞線的張力較大，當(dāng)線路轉(zhuǎn)角數(shù)較多時，使用這種導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性較差。

3 造價因素

3.1 導(dǎo)線價格

根據(jù)鋁錠和近期導(dǎo)線的招標(biāo)價格，普通鋼芯鋁絞線JL/G1A－630/45可按17 520元/t計算。對于截面為4×630 mm2的典型500 kV雙回線路，測算的導(dǎo)線材料量及費(fèi)用見表5。

由于導(dǎo)線自身質(zhì)量及單價的差異，新型節(jié)能導(dǎo)線的費(fèi)用總體上高于普通鋼芯鋁絞線;就3種新型節(jié)能導(dǎo)線而言，中強(qiáng)度全鋁合金絞線的導(dǎo)線費(fèi)用相對較高，高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線居中，而鋁包鋼芯鋁絞線的導(dǎo)線費(fèi)用較低，當(dāng)該導(dǎo)線取下限價格時，其費(fèi)用甚至低于普通鋼芯鋁絞線。

3.2 桿塔質(zhì)量

國網(wǎng)公司發(fā)布的輸電線路通用設(shè)計主要針對鋼芯鋁絞線［11］，對于鋁合金芯鋁絞線、中強(qiáng)度全鋁合金絞線的部分桿塔會出現(xiàn)塔頭間隙和桿塔荷載不足的問題。

表5 導(dǎo)線用量及費(fèi)用Tab.5 Consumptions and costs of conductor

以某500 kV交流雙回路線路工程為例，當(dāng)基本風(fēng)速為27 m/s、覆冰厚度為10 mm時，若采用通用設(shè)計塔型，鋼芯鋁絞線直線塔采用5E1模塊、耐張塔采用5E3模塊，鋁合金芯鋁絞線、中強(qiáng)度全鋁合金絞線則需要將部分塔頭間隙緊張的直線塔提高1級甚至采用5E3模塊，而中強(qiáng)度全鋁合金絞線的耐張塔則必須全部采用5E7模塊。采用通用設(shè)計塔型和按通用設(shè)計原則新設(shè)計塔型的耗鋼量見表6。

由表6可以看出，高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線與普通鋼芯鋁絞線的機(jī)械特性基本一致，可以直接采用通用設(shè)計塔型;后2種導(dǎo)線直接采用通用設(shè)計塔型的耗鋼指標(biāo)較高，而新設(shè)計塔型的耗鋼指標(biāo)有較大改善;由于中強(qiáng)度全鋁合金絞線的耐張塔質(zhì)量較大，耐張塔越多則每km鐵塔耗鋼的指標(biāo)越高。

表6 鐵塔耗鋼量Tab.6 Steel consumptions of tower

4 經(jīng)濟(jì)性比較

對于雙回輸送容量為3 732 MW的典型500 kV交流線路，當(dāng)耐張塔比例為0.15、經(jīng)濟(jì)使用年限為30年、施工期為2年(第1年投資為60%、第2年投資為40%)、年最大損耗小時數(shù)為3 750 h、電力工程回收率為8%，3種絞線分別按上浮價格的8%、15%和22%計算，則新型節(jié)能導(dǎo)線的年費(fèi)用和投資回收年限見表7。

表7 年費(fèi)用和投資回收年限Tab.7 Comparisons of annual cost and payback period

從表7可以看出，節(jié)能導(dǎo)線相對普通鋼芯鋁絞線的經(jīng)濟(jì)性較好;當(dāng)采用通用設(shè)計塔型時，高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線年費(fèi)用最低;當(dāng)采用新設(shè)計塔型時，高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線和鋁合金芯鋁絞線年費(fèi)用相差不大，由于中強(qiáng)度全鋁合金絞線的導(dǎo)線本體投資較高、耐張塔質(zhì)量較大，其年費(fèi)用稍高;高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線和鋁合金芯鋁絞線1.5～4.7年即可回收投資，而中強(qiáng)度全鋁合金絞則需4.6～8.6年。

5 結(jié)語

高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強(qiáng)度全鋁合金絞線具有節(jié)能效果好、全壽命周期費(fèi)用低、無特殊施工運(yùn)行要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，價格還有下降的空間，值得在主線路中大面積推廣。

對比3種節(jié)能導(dǎo)線后發(fā)現(xiàn)，高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線具有與普通鋼芯鋁絞線完全相同的機(jī)械特性，可以直接取代鋼芯鋁絞線使用;鋁合金芯鋁絞線的導(dǎo)線風(fēng)偏角稍大，需校驗直線塔電氣間隙或重新設(shè)計塔型;中強(qiáng)度全鋁合金絞線的導(dǎo)線張力較大，耐張塔質(zhì)量較大，更適用于山地大高差、大檔距等特殊地形和耐張塔比例少的線路中。

［1］GB/T 15320—2001節(jié)能產(chǎn)品評價導(dǎo)則［S］.

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