節(jié)能導(dǎo)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(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司 電力科學(xué)研究院， 河北石家莊050021)

節(jié)能導(dǎo)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(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司 電力科學(xué)研究院， 河北石家莊050021)

為對(duì)節(jié)能導(dǎo)線的全壽命進(jìn)行投資分析，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的推廣應(yīng)用。介紹了節(jié)能導(dǎo)線的技術(shù)分類(lèi)原理和不同導(dǎo)線的性能比較，并通過(guò)實(shí)際工況中的工程應(yīng)用，對(duì)導(dǎo)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(jìn)行比較，以及導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的弧垂性、過(guò)載冰厚和搖擺角的分析，最后對(duì)工程年費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算等方法。結(jié)果表明中強(qiáng)度鋁合金絞線節(jié)能效果最突出，但因其張力大和擺角大無(wú)法應(yīng)用通用設(shè)計(jì)桿塔，而鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線與普通導(dǎo)線機(jī)械特性相同，故在工程中可將其作為首選。

節(jié)能導(dǎo)線；工程應(yīng)用；性能比較；投資分析

0 引言

目前隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及各行各業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)加快了電網(wǎng)建設(shè)。然而一直以來(lái)我國(guó)以普通鋼芯鋁絞線作為輸送電量的載體，隨著人們對(duì)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(dǎo)線來(lái)代替普通鋼芯鋁絞線同時(shí)能夠降低電路損耗[1-5]。除此之外，我國(guó)能源分布不均勻，而煤作為發(fā)電的主要燃料卻主要分布在我國(guó)西部和北部，以至于電量供應(yīng)主要由遠(yuǎn)距離傳輸來(lái)完成，所以開(kāi)發(fā)研制具有高導(dǎo)電率的新型節(jié)能導(dǎo)線為今后的重要發(fā)展方向[6-7]。

另一方面，廠網(wǎng)分離以來(lái)，發(fā)電側(cè)的節(jié)能減損由發(fā)電企業(yè)來(lái)完成，而輸配電側(cè)的節(jié)能主要由電網(wǎng)公司來(lái)承擔(dān)。其中節(jié)能導(dǎo)線的研究對(duì)輸電線路的降損和發(fā)展起了舉足輕重的作用[8-11]。如今電力工業(yè)新材料和新工藝的飛速發(fā)展，我國(guó)不斷開(kāi)發(fā)出低損耗的節(jié)能導(dǎo)線，然而新型導(dǎo)線的電氣特性和機(jī)械特性也不盡相同，這導(dǎo)致在實(shí)際的工程應(yīng)用中需要從各類(lèi)導(dǎo)線的全壽命投資來(lái)進(jìn)行分析其效果[12-15]。故本文以實(shí)際工程應(yīng)用為例，分析了節(jié)能導(dǎo)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(duì)弧垂性、過(guò)載冰厚和搖擺角等機(jī)械特性進(jìn)行比較，通過(guò)全壽命投資分析為節(jié)能導(dǎo)線的選型提供依據(jù)。

1 節(jié)能導(dǎo)線的技術(shù)分類(lèi)及參數(shù)

節(jié)能導(dǎo)線相對(duì)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(dāng)今技術(shù)中節(jié)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(dǎo)電率可由61%IACS提高到63%IACS。

(2)通過(guò)合金元素和抜拉工藝等一些工藝參數(shù)的控制，在保證滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)使鋁線導(dǎo)電率達(dá)到63%IACS。

(3)使用具有導(dǎo)電率的鋁合金芯來(lái)取代傳統(tǒng)導(dǎo)線的鋼芯和部分鋁線，使得幾乎沒(méi)有輸電能力的鋼芯有了輸電能力，來(lái)提高導(dǎo)電率降低線損達(dá)到節(jié)能的目的。

目前，我國(guó)新研制的主要有以下3種節(jié)能導(dǎo)線，其中3種節(jié)能導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線的單絲材質(zhì)和參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 3種節(jié)能導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線的單絲材質(zhì)和參數(shù)對(duì)比

2 節(jié)能導(dǎo)線理論分析

2.1 導(dǎo)線的電氣特性計(jì)算

導(dǎo)線的載流量計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)使其不超過(guò)某一溫度，從而使導(dǎo)線的強(qiáng)度不受長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)體溫升的影響來(lái)保證導(dǎo)線的使用壽命。鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線連續(xù)使用溫度為70 ℃～80 ℃，GB50455-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中介紹，對(duì)鋁絞線的載流量驗(yàn)算時(shí)，規(guī)定允許溫度選用70 ℃，必要時(shí)可選用80 ℃。導(dǎo)線載流量、輸送功率和電阻損失計(jì)算公式如下：

(1)單根導(dǎo)線電流

(1)

(2)計(jì)算T℃時(shí)的每千米導(dǎo)線直流電阻

(2)

式中：RDC為T(mén)℃時(shí)每米導(dǎo)線直流電阻值，Ω/km；R20為20 ℃時(shí)每米導(dǎo)線直流電阻值；T為導(dǎo)線運(yùn)行溫度；α為電阻溫度系數(shù)。

(3)計(jì)算交直流電阻比：k=k1·k2

(3)

式中：X為常數(shù)；f頻率50 Hz；D1為導(dǎo)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(jì)算每千米交流電阻值

(5)載流量計(jì)算

(4)

(6)計(jì)算長(zhǎng)期允許輸送功率

(5)

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

(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(shù)；I為單回路每根導(dǎo)線的額定工作電流，A；re為導(dǎo)線的交流電阻，Ω/km。

2.2 年費(fèi)用計(jì)算方法

年費(fèi)用法可以反應(yīng)工程投資的合理性和經(jīng)濟(jì)性，并能考慮項(xiàng)目的未來(lái)規(guī)劃，在傳輸容量增加時(shí)，使得導(dǎo)線的電阻損失增大，為了進(jìn)一步比較不同的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，采用最小年費(fèi)用法對(duì)普通鋼芯鋁絞線和3類(lèi)節(jié)能導(dǎo)線在不同輸送容量下進(jìn)行全壽命周期的年費(fèi)用計(jì)算。

(1)折算到工程投運(yùn)年的總投資

式中：NF為平均費(fèi)用，萬(wàn)元；n為工程的經(jīng)濟(jì)使用年限；Z為折算后的工程總投資，萬(wàn)元。

(2)折算后工程總投資

式中：t為從開(kāi)工這一年起到計(jì)算年的年數(shù)；m為工程施工年數(shù)；Zt為第t年的建設(shè)投資，萬(wàn)元；r0為電力工業(yè)投資回收率；μ為折算年運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元。

(3)折算年運(yùn)行費(fèi)用

式中：t0為工程部分投產(chǎn)的年份；ut為運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元。

3 工程實(shí)例計(jì)算

3.1 工程概況

為降低電量損耗，提高導(dǎo)線質(zhì)量，強(qiáng)化節(jié)能導(dǎo)線的研究基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)國(guó)網(wǎng)公司節(jié)能導(dǎo)線推廣應(yīng)用的目標(biāo)要求，選擇溫塘—平山220 kV線路工程作為示范工程。線路全長(zhǎng)約12.5 km，位于石家莊平山縣，導(dǎo)線型號(hào)為2×JL4/GIA-400/35，全線按e級(jí)污穢區(qū)配置。工程特點(diǎn)為線路均位于平山縣西部丘陵地帶，線路主要沿已建或規(guī)劃的路線走線，海拔高度150 m～300 m，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速27 m/s，最大覆冰導(dǎo)線5 mm、地線10 mm。

電力系統(tǒng)的條件如表2所示。

表2 電力系統(tǒng)條件

工程正常運(yùn)行輸送功率按300 MW～550 MW考慮，導(dǎo)線選用2分裂400 mm2的規(guī)格組合，能夠滿足系統(tǒng)輸送功率的要求，電流密度約0.55～1.0 A/mm2。另外，導(dǎo)線界面為2×400 mm2，選用通用設(shè)計(jì)塔型時(shí)，使用5E1模塊的直線塔，5E3模塊的耐張塔，此類(lèi)塔型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳力清晰，使用的材料經(jīng)濟(jì)好，并且具有加工、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 各類(lèi)導(dǎo)線的電氣性能比較

(1)載流量和輸送功率的比較分析

導(dǎo)線的最高允許溫度采用70 ℃和80 ℃ 2種方案進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中環(huán)境溫度為最高氣溫月的最高平均氣溫，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計(jì)資料，選取20 ℃的環(huán)境溫度，每平方米的日照強(qiáng)度為1 000 W，輸電導(dǎo)線的表面輻射系數(shù)取0.9，導(dǎo)線表面的吸熱系數(shù)也取0.9。

各導(dǎo)線載流量和輸送功率如表3所示。

由表3可看出，當(dāng)導(dǎo)線的溫度從70 ℃增加到至80 ℃，使得導(dǎo)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(jià)，可使此工程導(dǎo)線的允許載流量按80 ℃控制，可以滿足系統(tǒng)的要求。鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線以及中強(qiáng)度鋁合金芯絞線的載流量和輸送功率均比傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線提高1.5%～3.2%，整體差異不大，其中中強(qiáng)度鋁合金芯絞線輸送功率最高，節(jié)能性更加突出，鋁合金芯高導(dǎo)線率絞線次之。

表3 導(dǎo)線載流量和輸送功率

(2)交流電阻損失比較分析

在計(jì)算電能損耗時(shí)，導(dǎo)線的交流電阻是隨著系統(tǒng)輸送功率不斷變化的，應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算，在此計(jì)算電阻損耗的環(huán)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(jié)能導(dǎo)線的電阻損失略低于普通導(dǎo)線，另外隨著輸電導(dǎo)線傳輸容量的增大，交流電阻損失也相應(yīng)的變大，另外在輸送容量較大的情況下節(jié)能效果更明顯，且中強(qiáng)度鋁合金絞線節(jié)能效果最為突出，在不同容量條件下的節(jié)約電量約3.6%～4.3%。

3.3 導(dǎo)線的機(jī)械特性分析

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

架空輸電導(dǎo)線在運(yùn)行中受氣溫變化、大風(fēng)和覆冰的影響，導(dǎo)線的受力有時(shí)會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)的最大允許使用應(yīng)力，即出現(xiàn)導(dǎo)線過(guò)載的情況。GB50455-2010《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，導(dǎo)、地線在稀有風(fēng)速或稀有覆冰氣象條件時(shí)，導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)的最大張力不應(yīng)超過(guò)其導(dǎo)、地線拉斷力的70%，以此值反算可求的導(dǎo)線的覆冰過(guò)載冰厚。導(dǎo)線的過(guò)載冰厚如表6所示。

表5 各導(dǎo)線40 ℃弧垂及桿塔重量百分比

表6 導(dǎo)線過(guò)載冰厚比較表

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

在設(shè)定風(fēng)速是27 m/s時(shí)，各種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的搖擺角如表7所示。

表7 各導(dǎo)線結(jié)構(gòu)搖擺角

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

3.4 各導(dǎo)線年費(fèi)用分析

根據(jù)示范工程的實(shí)際情況，進(jìn)行最小年費(fèi)用計(jì)算條件為：(1)經(jīng)濟(jì)使用年限為30年，施工期按2年計(jì)，前一年投資為60%，后一年投資為40%；(2)年最大損失時(shí)間為3 750 h；(3)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)率為1.4%；(4)電力工程回收率按工程投資的8%計(jì)；(5)電價(jià)按0.455元/kW·h計(jì)。

按照通用設(shè)計(jì)桿塔，必要時(shí)驗(yàn)算補(bǔ)強(qiáng)的原則，不同輸送容量和經(jīng)濟(jì)使用年限下的年費(fèi)用如表8所示。

表8 不同輸送容量的年費(fèi)用

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

4 結(jié)論

(1)當(dāng)導(dǎo)線允許溫度由70 ℃升至80 ℃時(shí)，導(dǎo)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(jié)能導(dǎo)線的節(jié)能效果更加明顯，其中中強(qiáng)度鋁合金絞線節(jié)能效果最為突出，最高可達(dá)4.3%。

(2)中強(qiáng)度鋁合金絞線重量輕，弧垂和過(guò)載冰厚較好，但是導(dǎo)線張力大，搖擺角大，因此導(dǎo)線橫擔(dān)需加長(zhǎng)，無(wú)法直接利用通用設(shè)計(jì)桿塔。

(3)鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線擁有良好的節(jié)能效果，具有與傳統(tǒng)架空導(dǎo)線完全相同的機(jī)械特性，其能夠直接代替?zhèn)鹘y(tǒng)架空導(dǎo)線使用，故在工程中優(yōu)先推薦采用高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線；鋁合金芯鋁絞線的投資回收期以及年費(fèi)用成本指標(biāo)更佳，但是風(fēng)搖擺角偏大，需要對(duì)通用設(shè)計(jì)線路桿塔橫擔(dān)加長(zhǎng)或折減條件下使用，它作為優(yōu)良的節(jié)能導(dǎo)線，在本工程項(xiàng)目中把鋁合金芯鋁絞線作為第二選擇；而中強(qiáng)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，F(xiàn)ENG 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(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5204HB140002)。

李釗(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邔?dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線研制及示范應(yīng)用，E-mail：lizhao_mail1016@163.com。

TM752

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.011