输电线路新型节能导线的推广应用

2012-03-28张瑞永赵新宇李明许志勇吴锁平贾振宏

电力建设 2012年6期

张瑞永，赵新宇，李明，许志勇，吴锁平，贾振宏

(1.江苏省电力设计院，南京市，211102;2.国家电网公司，北京市，100031; 3.江苏省电力公司，南京市，210024)

0 引言

导线作为输送功率的载体一直是输电线路设计的核心内容。在新建输电线路中，钢芯铝绞线应用较为广泛，多年的运行实践证明，钢芯铝绞线具有稳定的机械、电气性能，施工运行和维护方便，能够较好地适应我国大部分地区的条件和环境。

近年来，经济和社会的发展对输电线路导线提出了更高要求。依据文献［1］对节能产品所作的定义和分类，输电过程中节能效果明显并具有合理投资回收期的导线均可纳入节能导线的范畴［1-2］。符合节能导线概念的特种导线产品主要有耐热铝合金导线和软铝导线2大类［3-6］，受特殊工艺和结构材料的限制，这2类导线对施工运行要求高，仅适用于增容线路和局部示范工程。作为主线路使用的新型节能导线，高导电率钢芯铝绞线、铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线节能效果好、全寿命周期费用低，具有取代常规钢芯铝绞线大面积推广的价值。

1 新型节能导线

1.1 高导电率钢芯铝绞线

铝的导电率与铝的状态、纯度相关，根据相关研究，纯铝的极限导电率约为64%IACS，但高纯铝锭满足不了目前架空铝导线的市场需求，其价格、成本约为普通铝锭的150%;而软铝导线在强度和表面硬度等方面存在缺陷，阻碍了其全面推广使用。

在常规钢芯铝绞线的基础上，通过晶粒细化、铝线冷拉拔过程的低缺陷控制、敏感元素的精确控制，在保证铝线强度满足国标规定的条件下，铝线导电率可以达到63%IACS。依此开发的高导电率钢芯铝绞线，承力构件采用镀锌钢线，导体采用导电率为63% IACS的硬铝线型，可以降低线路的电阻损耗，节能效益明显，而其结构、机械性能及施工条件与普通钢芯铝绞线完全一致，根据目前制造成本及合理利润测算，其价格高出普通钢芯铝绞线5%～10%。

1.2 铝合金芯铝绞线

铝合金芯铝绞线采用53%IACS的高强度铝镁硅铝合金替代普通钢芯铝绞线中的钢芯和部分铝线，导线外部铝线与普通钢芯铝绞线的铝线相同［7］。在相同总截面积的条件下，基本无导电能力的9%IACS钢芯被铝合金芯替代，铝合金芯铝绞线的直流电阻比钢芯铝绞线小3%。铝合金芯铝绞线是铝基体材质，可避免由于磁滞、涡流损耗带来的电能损失，对于输电线路的节能降耗具有积极意义;而且单一的铝基体材质没有多金属的电化学腐蚀，耐腐蚀能力与钢芯铝铰线相比有所提高。由于铝合金芯铝绞线单位长度质量轻，在满足与普通钢芯铝铰线相同载流量和对地高度的前提下，导线张力与垂直荷载可降低7%～10%。虽然铝合金芯铝绞线的价格比普通钢芯铝绞线高11%～18%，但该导线单位质量轻，其单位长度价格与普通钢芯铝绞线基本相同。

1.3 中强度全铝合金绞线

文献［8］中的LHA1和LHA2为高强铝合金，导电率分别为52.5%IACS和53%IACS，与普通钢芯铝绞线相比，导线截面相同时直流电阻增大15%左右［9］。中强度全铝合金绞线由于其在制造、设计、施工、运行等方面的诸多优点，已在世界上许多国家的输电线路上得到应用，通过采用非热处理工艺生产的铝合金导电率可达58.5%～59%IACS。在国内中强度全铝合金绞线全部采用58.5%IACS铝合金材料，具有交流电阻小、耐腐蚀性好等优点。中强度全铝合金绞线的单位质量价格高出普通钢芯铝绞线18%～26%;由于其单位质量轻、张力大，与等直径的钢芯铝绞线相比可减少直线塔的数量，亦可降低呼高，但耐张塔耗钢指标略有增加，用于小转角的线路中经济性比较明显。

2 技术特性比较

2.1 导线参数

参照文献［8］和国家电网公司节能导线试点的相关资料，本文共选择了4种630 mm2截面的导线进行比较，分别为:普通钢芯铝绞线JL/G1A－630/45、高导电率钢芯铝绞线JL(GD)/G1A－630/45、铝合金芯铝绞线JL/LHA1－465/210和中强度全铝合金绞线JLHA3－675，各种导线的主要技术参数见表1。

表1 导线主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of conductor

2.2 电气性能比较

2.2.1 电磁环境影响

线路电磁环境影响主要取决于电压等级、导地线布置、导线外径、分裂数、分裂半径和表面粗糙度。对于同截面的普通钢芯铝绞线和新型节能导线，直径略有差异，当其他参数相同时，各种导线电磁环境影响基本相当。

2.2.2 导线电阻

架空导线的交流电阻由导线的直流电阻及其在交流电流下电阻增大的部分组成。铝合金芯铝绞线交流电阻增大的原因，包括集肤效应和邻近效应，而钢芯铝绞线交流电阻增大的原因，除了集肤效应和邻近效应外，还有钢芯磁滞、涡流损耗的原因。计算导线电阻温度的换算系数，铝线取4.0×10－31/℃、铝合金线(52.5% IACS)取3.6×10－31/℃、中强度铝合金线(58.5% IACS)取3.8×10－31/℃。当环境温度为20℃、电流密度为0.9 A/mm2时，以摩根算法［10］计算的导线电阻见表2。

表2 导线电阻计算结果Tab.2 Calculation results of conductor resistance

由表2可以看出，节能导线的直流和交流电阻明显小于普通钢芯铝绞线，其中高导电率钢芯铝绞线的直流节能效果最好;铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线没有磁滞、涡流损耗，但其集肤效应比钢芯铝绞线大;当电流密度较小时，高导电率钢芯铝绞线的交流节能性能仍明显优于其他2种节能导线。

2.2.3 载流量

验算导线的允许载流量时，钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度取为+70℃，必要时可取为+80℃，大跨越时取为+90℃。当环境温度为35℃时，各导线允许的载流量见表3。

表3 允许载流量计算结果Tab.3 Calculation results of current carrying capacity

由表3可以看出，节能导线的直流允许载流量比普通钢芯铝绞线增加1.6%～1.9%;由于铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线没有磁滞、涡流损耗，交流允许载流量提高3.5%～4.7%，而高导电率钢芯铝绞线在大电流时磁滞、涡流损耗大，因此交流允许载流量仅提高1.4%。

2.3 机械性能比较

各种导线的机械特性见表4。表4中导线风偏摇摆角的基本风速为27 m/s，覆冰过载能力按导线最低点应力达到其试验张力的60%计算。

表4 机械特性比较Tab.4 Mechanical properties comparison

从表4可看出，高导电率钢芯铝绞线和普通钢芯铝绞线具有完全相同的机械特性;铝合金芯铝绞线的弧垂与普通钢芯铝绞线基本相等，但其覆冰过载能力略差;中强度全铝合金绞线的拉重比较大，弧垂特性和覆冰过载能力较好。

铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线的垂直荷载相对钢芯铝绞线较小，导线的风偏摇摆角也相对较大，导线横担需加长;由于各导线的外径基本相等，因此水平荷载相差不大;而中强度全铝合金绞线的张力较大，当线路转角数较多时，使用这种导线的经济性较差。

3 造价因素

3.1 导线价格

根据铝锭和近期导线的招标价格，普通钢芯铝绞线JL/G1A－630/45可按17 520元/t计算。对于截面为4×630 mm2的典型500 kV双回线路，测算的导线材料量及费用见表5。

由于导线自身质量及单价的差异，新型节能导线的费用总体上高于普通钢芯铝绞线;就3种新型节能导线而言，中强度全铝合金绞线的导线费用相对较高，高导电率钢芯铝绞线居中，而铝包钢芯铝绞线的导线费用较低，当该导线取下限价格时，其费用甚至低于普通钢芯铝绞线。

3.2 杆塔质量

国网公司发布的输电线路通用设计主要针对钢芯铝绞线［11］，对于铝合金芯铝绞线、中强度全铝合金绞线的部分杆塔会出现塔头间隙和杆塔荷载不足的问题。

表5 导线用量及费用Tab.5 Consumptions and costs of conductor

以某500 kV交流双回路线路工程为例，当基本风速为27 m/s、覆冰厚度为10 mm时，若采用通用设计塔型，钢芯铝绞线直线塔采用5E1模块、耐张塔采用5E3模块，铝合金芯铝绞线、中强度全铝合金绞线则需要将部分塔头间隙紧张的直线塔提高1级甚至采用5E3模块，而中强度全铝合金绞线的耐张塔则必须全部采用5E7模块。采用通用设计塔型和按通用设计原则新设计塔型的耗钢量见表6。

由表6可以看出，高导电率钢芯铝绞线与普通钢芯铝绞线的机械特性基本一致，可以直接采用通用设计塔型;后2种导线直接采用通用设计塔型的耗钢指标较高，而新设计塔型的耗钢指标有较大改善;由于中强度全铝合金绞线的耐张塔质量较大，耐张塔越多则每km铁塔耗钢的指标越高。

表6 铁塔耗钢量Tab.6 Steel consumptions of tower

4 经济性比较

对于双回输送容量为3 732 MW的典型500 kV交流线路，当耐张塔比例为0.15、经济使用年限为30年、施工期为2年(第1年投资为60%、第2年投资为40%)、年最大损耗小时数为3 750 h、电力工程回收率为8%，3种绞线分别按上浮价格的8%、15%和22%计算，则新型节能导线的年费用和投资回收年限见表7。

表7 年费用和投资回收年限Tab.7 Comparisons of annual cost and payback period

从表7可以看出，节能导线相对普通钢芯铝绞线的经济性较好;当采用通用设计塔型时，高导电率钢芯铝绞线年费用最低;当采用新设计塔型时，高导电率钢芯铝绞线和铝合金芯铝绞线年费用相差不大，由于中强度全铝合金绞线的导线本体投资较高、耐张塔质量较大，其年费用稍高;高导电率钢芯铝绞线和铝合金芯铝绞线1.5～4.7年即可回收投资，而中强度全铝合金绞则需4.6～8.6年。