110kV輸電線路中節能導線選型研究

保定吉達電力設計有限公司 張發蒼 張 召

1 引言

導線是架空輸電線路的最基本組成部分之一，架線工程投資占工程本體投資30%左右，其對整條架空輸電線路的桿塔、基礎、絕緣子和金具強度、經濟技術指標等起著決定性影響。

在導線的選型過程中主要從電能損耗和載流量、弧垂、過載能力、桿塔荷載、搖擺角、投資分析等多個方面對普通鋼芯鋁絞線和三種節能導線（即高導電率鋼芯鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線和中強度全鋁合金絞線）進行了技術經濟比較，最后結合通用設計桿塔的利用和年費用等因素確定節能導線的選擇。

2 節能導線材料和特性

2.1 鋼芯高導電鋁型線絞線

鋼芯高導電鋁型線絞線，采用導電率63%IACS的硬鋁型線作導體層，高強度鋼線作為承力構件的型線同心絞架空導線。它具有結構相近、電阻損耗小、輸送容量大、機械負荷荷載小、年費用低，以及施工、運行要求相似等優點。

目前，在用的架空導線的導體材料都采用電工鋁。在輸電工程中，國際上普遍采用鋼芯鋁絞線作為架空輸電導線的主要產品，已有百余年歷史?，F在架空導線衍生出許多品種：鋼芯鋁合金絞線、鋁包鋼芯鋁絞線、鋁合金絞線、耐熱鋁合金絞線、鋼芯型線絞線等。2000年，日本首先開發了復合材料芯軟鋁絞線，2004年開發出殷鋼鋼芯軟鋁絞線。

由于不同導線品種的鋁導體材料性能不同，其導電率亦有所不同，從56%IACS至63%IACS不等（見表1）。

由于復合材料導線采用的鋁導體是經高溫韌煉加工的軟鋁，其抗拉強度低于95MPa，表面強度下降，其使用性和可靠性方面存在的本質缺陷逐步顯現。

目前，導電率達到63%IACS的高導電硬鋁導線產品已通過相關產品技術鑒定，并已形成專業化的生產工廠。

表1 各種型號架空導線導電率對照

鋼芯高導電鋁型線絞線是采用導電率63%IACS的硬鋁型線作導體層，高強度鋼線作為承力構件的型線同心絞架空導線。由于導體單線采用“Z/S”型線結構代替圓線，能獲得較大的導體截面利用率。

由承力構件及高導電率Z型鋁單線材料性能和組合結構的特點決定了高導電率Z型型絞架空線具有高強度、高載流、低線損、表面光滑、風阻系數小等優點。在工程中運用這種導線可提高線路的輸送功率，降低線路損耗，增加導線輸送電流，減小運行噪音，具有更佳的電氣及機械性能。

2.2 鋁合金芯鋁絞線

鋁合金芯鋁絞線是一種鋁合金和硬鋁組合的導線，內層采用高強度鋁合金芯，外層采用常規的硬鋁單絲絞合，它具有結構相近、電阻（電磁）損耗小、輸送容量大、耐腐蝕性能強、機械負荷荷載小、年費用低，以及施工、運行要求相似等優點。

高強度鋁合金主要材料成分由電工硬鋁、鎂、硅等材料合成。它添加的元素主要是鎂（Mg）和硅（Si），使合金單線獲得足夠的強度和塑性。其要點是通過鋁基體的合金化的配方組合，再通過后續的工藝及熱處理過程，使其在強度、延伸率上得到明顯的提高，導電率也達52.5～53%IACS。為替代常規導線的加強鋼芯創造了條件。

2.3 中強度全鋁合金絞線

中強度鋁合金，多半屬鋁-鎂-硅系的半熱處理半加工硬化型的鋁合金。這種合金和同樣是鋁-鎂-硅系的熱處理型高強度鋁合金相比，在熱處理加工條件等方面有不同特點，因此稱之為半熱處理半加工硬化型合金。在制造過程中需固溶處理、淬火和時效處理。主要優點是生產工藝簡便，成本低，導電率較好，抗拉強度高。

3 節能導線選型參數計算

以110kV蠡縣-中滑線路工程（8km）為例，對普通鋼芯鋁絞線和三種節能導線從以下幾個方面進行詳細的技術經濟比較。電力系統條件：系統額定電壓：110千伏；系統最高運行電壓：126千伏；功率因數：0.95；最大負荷利用小時數：3700；系統輸送功率：50MW；設計風速：25m/s；覆冰厚度：5mm。

本工程選擇了四種300mm2截面的導線進行比較，分別為：鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25、鋼芯高導電率鋁絞線JL(GD)/G1A-300/25、鋁合金芯鋁絞線JL/LHA2-165/170和中強度全鋁合金絞線JLHA3-335。

3.1 導線載流量和交流電阻計算

提高交流架空輸電線路的輸送容量和降低電阻損耗都與導線的交流電阻有關，導線選型的重點是計算四種導線的交流電阻來進行比較。本工程交流電阻計算采用日本電線與電纜協會頒布的標準JCS 0374:2003《裸線載流量計算方法》。

計算中環境溫度為最高氣溫月的最高平均氣溫，根據氣象統計資料，計算導線載流量的環境溫度取10℃。日照強度1000w/m2，風速0.5m/s，導線表面輻射、吸熱系數均取0.9。

經過計算得出各種導線載流量和輸送功率，從計算結果可以看出：三種節能導線的交流電阻都比鋼芯鋁絞線要小，同時當導線允許溫度從70℃上升至80℃，導線載流量提高約1.1倍。比選的導線的每回線極限輸送功率為均高于150MVA，滿足系統要求。各種導線的載流量和極限輸送功率相差不大，節能導線要比普通導線高出1.6～4%。

計算各種導線結構的電能熱損失可以看出，電阻損失相差不大，同時當線路的輸送容量較大時，其交流電阻損失也就越大；由于JLHA3-335、JL/LHA1-165/170和JL(GD)/G1A-300/25的節能效果較好，故其電阻損失最少，在輸送容量較大的線路其節能效益更明顯。

3.2 導線機械特性計算

3.2.1 導線弧垂

導線的弧垂特性與導線的計算拉斷力、鋁鋼截面比、自重等因素有關。高溫弧垂的增大，施放檔距將減小，桿塔數量將增加。

各導線40℃弧垂、施放檔距及桿塔數量的計算結果可看出，導線弧垂變化不大。

3.2.2 導線過載能力

各導線過載能力的覆冰驗算的氣象條件為：氣溫-5℃、風速10m/s。

由于JLHA3-335導線單位重量輕、導線張力大，因此導線弧垂、過載冰厚均較好；而JL/LHA1-165/170的過載冰厚稍差；JL/G1A-300/25、JL(GD)/G1A-300/25過載覆冰能力居中。均能滿足本工程導線覆冰承載能力，且有較大裕度。

3.2.3 導線耐張串強度選擇

隨著導線鋼鋁截面比的減少，自重、張力及絕緣子串的受力隨之增加。在本工程氣象條件下，這幾種種導線結構采用2×120kN耐張串均可滿足要求。

3.2.4 導線對桿塔荷載的影響

可以看出，各導線的水平荷載相差不大；鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和高導電率鋼芯鋁絞線JL(GD)/G1A-300/25的荷載基本相當；鋁合金芯鋁絞線JL/LHA1-165/170和中強度全鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載相對較小；對于桿塔荷載影響：鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/25和高導電率鋼芯鋁絞線JL(GD)/G1A-300/25使用桿塔更重，鋁合金芯鋁絞線JL/LHA1-165/170和中強度全鋁合金絞線JLHA3-335較輕。

3.2.5 導線搖擺角

當基本風速為25m/s時，可看出，鋁合金芯鋁絞線JL/LHA1-165/170和中強度全鋁合金絞線JLHA3-335的垂直荷載相對較小，導線搖擺角相對較大，使用國網公司2011版典型設計鐵塔，以上各種導線均能在不改變鐵塔使用條件的前提下，滿足本工程需求。

3.3 導線造價分析計算

3.3.1 導線用量計算

由于導線自重及單價的差異，JL/LHA1-165/170、JLHA3-335（非熱處理）與JL/G1A-300/25的導線費用基本相當，JL(GD)/G1A-300/25和JLHA3-335（熱處理）的導線費用相對較高。

3.3.2 導線的經濟性比較

1)按照當地實際上網電價進行年損耗費用計算。

2)增量投資回收期限計算中應考慮資金的時間價值（即利息），需折算至基準年。

3)綜合分析，推薦順序如下：a)JL/LHA1-165/170和JLHA3-335導線（非熱處理型）；b)JLHA3-335導線（熱處理型）；c)JL(GD)/G1A-300/25。

4 年費用計算

為了進一步比較不同導線結構，本節對4種導線結構在不同輸送功率下的年費用進行了計算。

根據本工程的實際情況，進行最小年費用計算條件如下：

①經濟使用年限為30、50年，施工期按2年計，前一年投資為60%，后一年投資為40%。②年最大損耗小時數按3750h計。（最大負荷利用小時數對應的損耗小時數）③設備運行維護費率為1.4%。④電力工程回收率按工程投資的8%計。⑤電價按當地實際上網電價計。

5 結論

1)當導線允許溫度從70℃上升至80℃，導線的載流量提高約1.1倍，幾種節能導線均滿足本工程載流量及輸送功率要求。

2)三種節能導線的交流電阻計算值非常接近，JL(GD)/G1A-300/25略高，其年費用在各種輸送功率下最高。JL/LHA1-165/170和JLHA3-335的年費用最低。

3)JLHA3-335弧垂特性最好；JL/G1A-300/25、JL(GD)/G1A-300/25次之，其次是JL/LHA1-165/170。

4)由于JLHA3-335導線單位重量輕、導線張力大，因此導線弧垂、過載冰厚均較好；而JL/LHA1-165/170的過載冰厚稍差；JL/G1A-300/25、JL(GD)/G1A-300/25過載覆冰能力居中。JL/LHA1-165/170和JLHA3-335的垂直荷載相對較小，導線搖擺角相對較大，需排桿定位時控制其搖擺角系數。

5)采用JL/G1A-300/25線路本體造價高，又無明顯的節能效果；JL(GD)/G1A-300/25具有良好的節能效果，但初投資略高于JL/G1A-300/25；由于JL/LHA1-165/170和JLHA3-335導線交流電阻低，同時電阻溫升系數小，初投資增加很少；同時節能效果明顯。三種節能導線的交流電阻計算值非常接近，JL(GD)/G1A-300/25略高，其年費用在各種輸送功率下最高。JL/LHA1-165/170和JLHA3-335的年費用最低。

6)針對該工程節能導線推薦排序：a.中強度鋁合金絞線；b.JL/LHA1-165/170；c.JL(GD)/G1A-300/25。

7)建議110kV輸電線路工程導線采用節能型，都比常規導線有優勢，在河北南網可大面積推廣使用。

[1]葉鴻聲.中強度全鋁合金導線在輸電線路中應用探討.

[2]國網公司基建設計[2012]18號《關于開展輸電線路節能導線試點應用工作的通知》.