張宇嬌 孫曉彤 王 杰 裴凱勝 相 瑤 鄧鈺科

(1.三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443002；2.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院， 合肥

230009；3.國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司， 武漢 430061；4.廣東電網(wǎng)有限責任公司 東莞供電局， 廣東 東莞523000；5.國網(wǎng)滄州供電公司， 河北 滄州 061000)

隨著綠色經(jīng)濟理念的提出及其發(fā)展，電力行業(yè)成為國家節(jié)能減排的重點對象[1]，如何在保證用戶供電需求的前提下減少輸電線路的電能損耗，降低發(fā)電所造成的溫室氣體排放量，成為電力行業(yè)熱點問題，節(jié)能導線應(yīng)運而生.自1980年初期以來，我國開始導線降損研究，近年來，“兩型三新”在電網(wǎng)建設(shè)中的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，對比傳統(tǒng)輸電線路，“兩型三新”線路在保證電網(wǎng)安全可靠運行的同時，節(jié)省了線路走廊、提高輸電容量，進一步降低了電網(wǎng)運行的經(jīng)濟成本，加強了對環(huán)境的保護，推廣節(jié)能導線應(yīng)用勢在必行[2].文獻[3]雖然對導線性能進行對比，但未在經(jīng)濟性計算中體現(xiàn)，僅考慮了導線單價的影響；文獻[4-5]在運行損耗成本計算中僅考慮電阻損耗，電暈損耗被忽略；文獻[6]忽略了風偏角對桿塔塔頭尺寸的影響.導線性能是全壽命周期成本的直接影響因素，需進一步計算分析.本文引入全壽命周期理論，針對500 k V線路，著重考慮導線性能，即弧垂、風偏、電阻損耗、電暈損耗對一次投資成本和運行損耗成本的影響，將線路經(jīng)濟使用年限內(nèi)的全壽命周期成本作為評估標準，選出經(jīng)濟效益最優(yōu)的節(jié)能導線.

1 節(jié)能導線類型

節(jié)能導線是指在等截面的情況下，比常規(guī)鋼芯鋁絞線直流電阻小的導線[7]，主要包括鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯高導電率鋁絞線以及中強度鋁合金絞線，其導線結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 導線結(jié)構(gòu)圖

鋼芯高導電率鋁絞線結(jié)構(gòu)與常規(guī)鋼芯鋁絞線完全相同，僅外層鋁線的材料有所區(qū)別.外層鋁線為高導電率硬鋁，經(jīng)退火工藝加工后，鋁絞線的導電率由61%IACS提高至63%IACS，使得導線整體直流電阻減小，達到節(jié)能的目的.

鋁合金芯鋁絞線，內(nèi)層為高強度鋁合金芯，其導電率也可達53%IACS，既承擔拉力又可傳輸部分電流，增加導電面積，外層鋁線為導電率63%IACS的高導電率硬鋁，導線的導電率和載流面積同時得到提升.中強度鋁合金絞線為單一材料導線，由多根中強度鋁合金線絞合而成，其導電率均為58.5%IACS，在直流電阻降低的同時將抗拉強度提升230～295 MPa，弧垂低且具有良好的載流傳輸性能.中強度鋁合金絞線的直流電阻在3種節(jié)能導線中處于最低水平，節(jié)能降耗量尤為明顯.

2 輸電線路全壽命周期成本

輸電線路的全壽命周期成本(LCC)主要由一次投資成本(IC)、運行維護成本(MC)、運行損耗成本(OC)、故障引起的中斷供電損失成本(FC)、報廢成本(DC)構(gòu)成[8-9].

圖2 導線全壽命周期成本結(jié)構(gòu)

一次投資成本(IC)是指線路建設(shè)時期一次性投入的成本，主要包括導線投資和桿塔及基礎(chǔ)投資，受導線機械性能影響[6].

式中，IC1、IC2分別為導線投資和桿塔及基礎(chǔ)投資成本.

運行維護成本(MC)指線路運行期間的日常維護和計劃檢修成本，通常用一次投資成本的百分比形式來表示，與一次投資成本直接相關(guān).

式中，μ為設(shè)備運行維護費率，通常取1.4%.

運行損耗成本(OC)即線路運行過程中產(chǎn)生的能耗成本，包括電暈損耗成本和電阻損耗成本，主要受導線電氣性能的影響.

式中，ΔLS為電暈損耗(k W·h/km)；ΔLR為電阻損耗(k W·h/km)；P為電價(元/(k W·h)).

中斷供電損失成本(FC)即線路因發(fā)生故障而造成的自身經(jīng)濟損失及社會經(jīng)濟損失.

報廢成本(DC)是指線路到達其經(jīng)濟使用年限后，清理、回收、拆除線路中各個設(shè)備所需要的費用之和，其值可為正、負、零.這一部分的計算通常以歷史回收數(shù)據(jù)為參考進行估算.

對于同一線路，其中斷供電損失成本相同，對全壽命周期成本比較無影響，因此在導線全壽命周期成本評估中忽略中斷供電損失成本的計算，重點考慮一次投資成本、運行維護成本、運行損耗成本和報廢成本.同時，全壽命周期成本中的一次投資成本、運行損耗成本因?qū)Ь€的機械性能和電氣性能的不同而不同，因此，對導線性能進行分析十分必要.

3 輸電線路全壽命周期成本影響因素

為比較采用不同節(jié)能導線的輸電線路全壽命周期成本，需對差異部分進行分析，確定全壽命周期成本影響因素.

3.1 一次投資成本影響因素

一次投資成本包括導線投資、桿塔及基礎(chǔ)投資.其中，導線弧垂大小直接決定桿塔呼稱高度進而影響桿塔投資，同時弧垂與檔內(nèi)線長呈正相關(guān)，從而決定導線投資.導線在風荷載的作用下發(fā)生偏擺，使導線對桿塔或線路周圍樹木的電氣距離減小，因此桿塔塔頭間隙主要由風偏角影響[5，10].風偏過大時，為保證線路安全運行，需適當增加塔頭尺寸，進而影響線路的桿塔及基礎(chǔ)投資.因此，需對3種節(jié)能導線的弧垂、風偏角進行分析.3.1.1 導線弧垂

導線弧垂主要受導線的自重、鋁鋼截面比和計算拉斷力等要素影響.架空線上荷載主要由自重、冰重和風荷載組成，且通常為不均勻荷載.為簡化計算，假設(shè)荷載均勻分布[11].

導線的應(yīng)力隨氣象條件的變化而變化.控制氣象條件是使導線的應(yīng)力最大的氣象條件，且不同檔距下的控制氣象條件不同.通過式(4)計算臨界檔距判別各檔距范圍內(nèi)的控制氣象條件.

式中，l ij為臨界檔距(m)；[σ0]i、[σ0]j為第Ⅰ、Ⅱ狀態(tài)下架空線的許用應(yīng)力(MPa)；t i、t j分別為第Ⅰ、Ⅱ狀態(tài)下架空線的溫度(℃)；γi、γj分別為第Ⅰ、Ⅱ狀態(tài)下架空線的比載[N/(m·mm2)]；α為架空線的溫度膨脹系數(shù)(1/℃)；E為架空線的彈性系數(shù)(MPa).

以各檔距范圍的控制氣象條件為已知條件，以各氣象條件為待求條件，利用狀態(tài)方程式(5)和弧垂平拋物線公式(6)求得各氣象條件下的應(yīng)力和弧垂，得到導線的弧垂特性曲線.

式中，σ01、σ02分別為兩種狀態(tài)下架空線弧垂最低點應(yīng)力(MPa)；γ1、γ2分別為兩種狀態(tài)下架空線的比載[N/(m·mm2)]；t1、t2分別為兩種狀態(tài)下架空線的溫度(℃)；l為該檔的檔距(m)；α為架空線的溫度膨脹系數(shù)(1/℃)；E為架空線的彈性系數(shù)(MPa).

式中，fm為架空線最大弧垂(m)；f1/2為檔距中點處架空線弧垂(m)；σ0為架空線弧垂最低點應(yīng)力(MPa)；γ為架空線比載[N/(m·mm2)]；l為檔距(m).

3.1.2 導線風偏

導線受風力作用會偏離其垂直位置，使導線的線間距離或?qū)Ь€對桿塔及周圍物體的電氣距離減小，易產(chǎn)生放電.因此導線風偏直接關(guān)系到線路運行安全，決定桿塔塔頭尺寸.

導線風偏角按以下公式計算[12]

式中，g1、g4分別為導線自重比載和無冰風壓比載.

3.2 運行損耗成本影響因素

運行損耗成本即電暈電阻損失成本，與電阻損耗和電暈損耗直接相關(guān)，需對其進行分析.3.2.1 電阻損耗

電阻損耗指交流電阻損耗，由趨膚效應(yīng)、鐵損和直流電阻共同產(chǎn)生[13].

根據(jù)《110～750k V架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB50545-2010)規(guī)定，電阻損耗的計算公式為

式中，Q為電阻損耗能量(k W·h)；I為負荷電流(A)；τ為線路損耗小時數(shù)(h)；R為線路交流電阻(Ω).

交流電阻值根據(jù)交直流電阻比k確定其中，k1為趨膚效應(yīng)系數(shù)，k2為鐵損效應(yīng)系數(shù)，趨膚效應(yīng)系數(shù)和鐵損效應(yīng)系數(shù)的計算方法可參照日本頒布的標準“裸線載流量計算方法”(JCS0374：2003)，具體公式如下：

式中，x，y為常數(shù)，其取值見表1.

表1 趨膚效應(yīng)系數(shù)與鐵損效應(yīng)系數(shù)中常數(shù)取值表

3.2.2 電暈損耗

電暈損耗是指導線表面電場強度超過一定臨界值時，導線周圍空氣在電場作用下電離發(fā)生電暈放電所造成的能量損失，其主要與導線表面電場強度有關(guān).三相線路的年平均電暈功率損耗為三相導線在各種天氣狀況(好天氣、雨天、雪天、霧凇天)下的功率損耗之和[14].

式中，Pt為平均年三相功率損失(W/m)；Em1、Em2、Em3為三相導線表面電場強度(MV/m)；

對于500 k V輸電線路，臨界電場強度的計算公式[14]為

式中，Em0為臨界電場強度(MV/m)；m為導線表面系數(shù)，絞線一般取0.82；δ為相對空氣密度，δ=289×

導線表面電場強度采用有限元仿真進行計算.

4 算 例

為對比3種節(jié)能導線經(jīng)濟性，選取500 k V線路常用截面積為675 mm2的4種導線，導線技術(shù)參數(shù)見表2，在湖北地區(qū)典型氣象條件下進行計算，氣象條件見表3.

表2 導線型號及技術(shù)參數(shù)表

表3 氣象條件表

4.1 導線性能比較

導線性能直接影響線路的一次投資成本和運行損耗成本，對導線性能分析，進而確定全壽命周期成本計算中的有關(guān)參數(shù).

4.1.1 導線弧垂

計算所選鋼芯鋁絞線及與其等截面的3種節(jié)能導線在最高氣溫下的弧垂，計算結(jié)果如圖3所示.

圖3 導線弧垂比較圖

由此可以看出，與常規(guī)鋼芯鋁絞線相比，鋼芯高導電率鋁絞線的弧垂特性與其相同，鋁合金芯鋁絞線的弧垂較小但相差不大，可直接采用鋼芯鋁絞線所用桿塔.中強度鋁合金絞線的弧垂明顯小于鋼芯鋁絞線，降低相應(yīng)桿塔呼高，進而降低桿塔及基礎(chǔ)投資.

4.1.2 風偏角

計算大風工況下的導線風偏角，見表4.

表4 風偏角度表

鋼芯高導電率鋁絞線的風偏角與鋼芯鋁絞線相同，塔頭尺寸相同；由于鋁合金芯鋁絞線和中強度鋁合金絞線的質(zhì)量較輕，其導線風偏角大于常規(guī)鋼芯鋁絞線，應(yīng)適當增加桿塔塔頭尺寸，保證線路安全穩(wěn)定運行，桿塔投資有所增加.

4.1.3 電阻損耗

計算電阻損耗時，應(yīng)考慮導線發(fā)熱升溫后的電阻變化，其中環(huán)境溫度按當?shù)啬昃鶜鉁赜嬎?，損耗小時數(shù)取3 200 h，導線運行溫度及電阻損耗見表5.

表5 電阻損耗表

3種節(jié)能導線的電阻損耗均小于常規(guī)鋼芯鋁絞線，具有良好的節(jié)能效果，從而節(jié)約線路運行成本.

4.1.4 電暈損耗

線路沿線各種氣象條件小時數(shù)見表6.

表6 氣象條件小時數(shù)表

采用有限元數(shù)值計算方法對導線表面電場強度進行仿真計算，結(jié)果如圖4所示.

導線為4分裂導線，分裂間距為400 mm，計算導線的臨界電場強度，得到表面電場強度與臨界電場強度的比值Em/Em0.根據(jù)電場強度比值與氣象條件小時數(shù)，運用式(12)計算得到線路年均電暈損耗值，計算結(jié)果見表7.

圖4 導線表面電場強度

表7 電暈損耗表

4.2 輸電線路全壽命周期成本評估

4.2.1 一次投資成本比較

一次投資成本即線路的本體投資成本，主要由導線和桿塔購買成本及安裝成本組成.根據(jù)目前市場報價，計算所用導線的每千米投資成本[15-16].鋼芯高導電率鋁絞線的機械性能與常規(guī)鋼芯鋁絞線相同，不影響桿塔及基礎(chǔ)投資；綜合考慮導線弧垂和風偏的影響，鋁合金芯鋁絞線和中強度鋁合金絞線的桿塔和基礎(chǔ)投資需在鋼芯鋁絞線的基礎(chǔ)上有所增加[16]，桿塔投資分別增加3%和2.5%，基礎(chǔ)投資增加0.5%，一次投資成本及差價見表8.

由于節(jié)能導線的導線單價較高且風偏角較大，3種節(jié)能導線的一次投資成本均高于常規(guī)鋼芯鋁絞線.

表8 一次投資成本比較

4.2.2 年運行損耗成本比較

運行損耗成本即電暈電阻損耗成本，根據(jù)式(3)，以電價為0.5元/(k W·h)進行計算，線路的年運行成本及價差見表9.

表9 年運行損耗成本比較

由于節(jié)能導線交流電阻較小，線路運行時的運行損耗成本均小于常規(guī)鋼芯鋁絞線，具有良好的經(jīng)濟性，3種節(jié)能導線中，中強度鋁合金絞線的節(jié)能效果最為優(yōu)越.

4.2.3 全壽命周期成本比較

全壽命周期評估的計算條件如下：線路經(jīng)濟使用年限為30年；年最大損耗小時數(shù)按3 200 h進行計算；運行維護成本通過一次投資成本乘以設(shè)備維護費率計算，如式(2)，設(shè)備運行維護費率為1.4%；電價按0.5元/(k W·h)計算；將報廢成本按全壽命周期成本的2%計算；以鋼芯鋁絞線為標準進行年費用比較.計算結(jié)果見表10.

表10 全壽命周期成本比較 (單位：萬元·km-1)

由此可知，由于導線性能和單價的影響，節(jié)能導線的本體投資均高于鋼芯鋁絞線，但節(jié)能導線的電能損耗較小，具有良好的節(jié)能效果，隨著時間的積累，線路的運行損耗成本降低，致使整條線路的全壽命周期成本均小于鋼芯鋁絞線，具有良好的經(jīng)濟性.其中，鋁合金芯鋁絞線的全壽命周期成本最小，同時最適用于500 k V線路，每千米線路的全壽命周期成本降低43.46萬元.

5 結(jié) 論

通過對等截面的3種節(jié)能導線性能分析及線路全壽命周期成本評估，可以得出以下結(jié)論：

1)通過降低導線電阻率，增加載流截面，3種節(jié)能導線的電能損耗較常規(guī)鋼芯鋁絞線均有所減小，具有良好的節(jié)能效果，其中節(jié)能效果最優(yōu)的是中強度鋁合金絞線，電能損耗減少4.29%.

2)鋼芯高導電率鋁絞線的機械性能與鋼芯鋁絞線基本相同，不影響線路桿塔、基礎(chǔ)造價；鋁合金芯鋁絞線和中強度鋁合金絞線的弧垂較小，風偏角較大，應(yīng)適當減小桿塔高度，增加塔頭尺寸.

3)節(jié)能導線價格普遍較高，但由于其良好的節(jié)能效果，其全壽命周期成本均低于常規(guī)鋼芯鋁絞線，具有更好的經(jīng)濟效益，節(jié)能導線可全面替代常規(guī)鋼芯鋁絞線.

4)考慮導線單價、節(jié)能效果和線路結(jié)構(gòu)，采用鋁合金芯鋁絞線時線路的全壽命周期成本最低，鋁合金芯鋁絞線的綜合性能最優(yōu)，且最適合500 k V輸電線路.