基于环境效益的软铝导线选型

秦纪宾，文凯

(福建省电力勘测设计院，福州市 350001)

基于环境效益的软铝导线选型

秦纪宾，文凯

(福建省电力勘测设计院，福州市 350001)

首先根据工程可行性研究报告，提出了电力系统对导线选型的基本要求，初选出4种参加比较的导线型号；其次比较分析了各导线在载流量、弧垂、覆冰过载、线损等基本性能方面的优缺点；然后从施工及运行可靠性、电磁环境等方面进行了详细的分析；最后比较了全寿命周期成本及环境效益，全面展示了节能型软铝导线在可靠性、环境效益、社会效益等方面的优缺点。

软铝导线；绿色GDP；社会效益；环境效益；全寿命周期

0 引 言

由于长期受计划经济的影响，我国电力建设主要把目标放在主体功能实现上，而相对较少去计算分析项目的建设和运行对社会、环境等方面的综合影响情况。以往的输电线路导线选型一般仅考虑导线可靠性、一次性投资成本及年最小费用，而缺少从社会、环境等角度进行综合分析。目前，我国电网基础建设渐趋完善，正在向“智能电网”的目标发展，因此从宏观大局、可持续发展的角度来看，以往的设计模式将不能适应社会发展形势的要求。

本文在总结“500 kV庆鸡线”一些设计竞赛经验的基础上，结合“绿色GDP”的理念，进行导线选型的综合计算分析，以全面展示节能型软铝导线在可靠性、环境效益、社会效益等方面的优缺点。

1 导线型号选择

1.1 导线选型的一般要求

《110 kV～750 kV架空输电线路》设计规范[1]总则1.0.3条要求：“架空输电线路设计，应从实际出发，结合地区特点，积极采用新技术、新工艺、新设备，推广采用节能、降耗、环保的先进技术和产品”。输电线路导线是电网主要部件之一，须满足如下要求。

(1)电气性能：线路极限输送功率满足系统N-1要求，正常运行和故障情况下电场、磁场均不超过规范限值，湿导线电晕引起的无线电干扰和可听噪声不应超过规范限值；

(2)机械性能：应具有优良的弧垂特性、抗疲劳特性、过载能力，且满足施工、运行等要求；

(3)经济性能：应选择全寿命周期成本(life cycle cost, LCC)年费用最小的导线；

(4)资源层面：应具有良好的节能特性、环境效益和社会效益。

1.2 线路概况及电力系统要求

500 kV庆鸡线工程线路为黑龙江省庆云、鸡西两500 kV变电站之间的联络线，总长114.42 km。全线同塔双回路架设，线路设计条件如下。

气象条件：基本风速v=28.5 m/s，覆冰厚度C=10 mm，高温为+40 ℃、低温为-40 ℃、年平均气温为-10 ℃。污秽等级：Ⅱ级、Ⅲ级。地形比例：山地占50.9%，平丘及泥沼占49.1 %。

根据可行性研究报告审查意见，线路导线截面为4×400 mm2；正常输送功率为1 150 MW, 极限输送功率为2 400 MW(环境温度40 ℃)。功率因数为0.95，最大负荷利用小时为6 500 h,对应最大负荷损耗小时为5 000 h。

1.3 待选导线型号

本工程极限输送功率仅2 400 MW，导线选型无须考虑比常规导线(指钢芯外绞61% IACS电工硬铝线)线损偏高的“高温低弧垂导线”(58%～60% IACS)，如钢(铝包钢)芯耐热铝合金导线，也不应考虑线损虽小(63% IACS)但价格过高的间隙型导线、碳纤维芯软铝导线等。工程送审可行性研究报告推荐采用四分裂LGJ-400/35钢芯铝绞线。鉴于国内500 kV线路现状，本文导线型式统一按“每相导线四分裂、正方形布置、分裂间距450 mm”考虑。针对工程气象、地形条件，从10多类导线中初选了4种可满足线路基本要求的导线，其基本参数如表1所示。

表1 待选导线技术参数表

注：括号内为根数。LGJ—400/35为钢芯铝绞线，JL/LB20A—400/35为铝包钢芯铝绞线，ACSS-400/45和ACSS-400/50为特强钢芯软铝“型”导线；特强钢芯软铝“型”导线以下简称“节能软铝导线”。

2 导线基本性能比较

2.1 极限输送功率下导线弧垂

按功率因数0.95计算，四分裂导线中每根导线须载流729 A，计算得到各导线相应温度、弧垂见表2。ACSS-400/45型导线弧垂较大，其他3种导线弧垂基本相当，均可作为本工程导线。

2.2 覆冰时铝股分配应力

考虑到档距较大时，导线应力为覆冰控制。硬铝线(61 %IACS)允许延伸率为1 %，应力不宜超过160 MPa[2]；软铝线抗拉强度为59～110 MPa(全退火63 %IACS软铝抗拉强度59～76 MPa[2-3])，但允许延伸率为20%～30%，当导线受到较大外力拉伸时首先破坏芯线[3]，软铝线将持续产生不可恢复的永久变形[2]，大部分张力将转移到钢芯上去，因此， 63%IACS软铝线覆冰应力不可能超过上限值。各种导线覆冰时铝线分配应力见表3。

表2 极限输送功率下导线线温及对应弧垂

注：计算条件为环境温度40 ℃,辐射散热系数0.9,吸热系数0.9，日照1 000 W/m2，风速0.5 m/s；Lp为代表档距， m。

表3 导线覆冰时铝线分配应力预估表

注：新线系数为0.95，安全系数取2.5，年均应力占拉断力的25%。

各导线覆冰时铝股应力皆满足要求。从理论上分析，软铝的延伸率高，荷载增大时软铝应力将逐渐转移至钢芯上，因此软铝导线在本工程最大荷载情况下能满足安全运行要求。

2.3 覆冰过载能力

按文献[1]要求，在稀有风速或稀有覆冰气象条件时，导线弧垂最低点、导线悬挂点的最大张力分别不应超过拉断力的70%、77%。该线路所经地带属低温覆冰地区，稀有气象应按稀有覆冰考虑。各导线达70%拉断力时覆冰过载能力见图1。

图1 导线覆冰过载能力比较

结合表1中钢铝截面积比值可以看出：导线结构、安全系数相同时，导线覆冰过载能力与钢铝截面积比呈正相关。软铝的抗拉强度较低，欲提高软铝导线覆冰过载能力，须适当增大钢芯的截面和强度。

2.4 耐疲劳性能

本工程设计年均气温仅-10 ℃，因此导线年均运行张力较大，而限制导线振动的最有效措施是限制导线的年均运行张力。各导线气象控制情况如表4所示。

表4 导线的气象控制区间

根据厂家提供的资料，采用设计手册[4]中的计算方法，估算得“年平均气温”下铝股应力及疲劳极限如表5所示。

表5 铝股的平均应力水平预估

由于软铝的延伸率高，受力时更多应力将转移到钢芯上，因此实际软铝的年均应力要比表5理论估算值低；另一方面，由于顺线方向软铝的张力小，则沿导线径向的铝股层间压力就小，线股层间易错动而消耗更多微风振动能量，因此软铝型导线的自阻尼性能比常规绞线导线更好。国外限制导线振动水平，一般采用“Te/m限值法”。Te为电线张力，国外对应工况为“低温、无冰”，国内为“年平均气温”；m为电线单位质量。同等设计条件下，计算出的各导线Te/m值如表6所示。各导线的自阻尼性能从高到低排序为： ACSS-400/45、ACSS-400/50、LGJ-400/35、JL/LB20A-400/35。

表6 “Te/m限值法”计算成果(档距500 m)

2.5 对铁塔、基础、绝缘子等费用的影响

同一气象条件下，各导线的荷载不同，对铁塔、基础工程量及绝缘子的吨位也产生影响。

更换导线分别对全线断面进行排位，在使用同一套通用塔型时，各导线全线塔重相对百分比见表7。ACSS-400/45导线的塔重指标最高，这是由于其导线弧垂较差，需提高等效塔高来满足对地距离要求，其他3种导线塔重相差不大。

表7全线塔重相对百分比

Tab.7Relativepercentageoffullrangeoftowerweight%

由于基础作用力与铁塔所受力矩正相关，且基础费用相对铁塔费用要小得多，因此工程上可近似认为导线对铁塔基础的影响与对塔质量的影响相同。

由于ACSS-400/45导线弧垂较大，在地形平缓区使用时，平均每km悬垂串数量将比其他3种导线约多1串；而ACSS-400/45导线张力较小，耐张绝缘子可采用双联240 kN级(2×32片)，其他3种导线需采用双联300 kN级(2×28片)。综合起来，ACSS-400/45导线绝缘子总费用稍高，而其他3种导线绝缘子费用基本持平。

3 线损及电磁环境

3.1 线路损耗

黑龙江省全年气温偏低，若按环境温度+40 ℃计算线损，明显不合理。而最大负荷一般发生在夏季，计算线损时环境温度宜在夏季平均气温附近取值。鸡西市夏季(6～8月)平均气温为21.3 ℃，参考相关资料[5]，建议计算线损的环境温度取+20 ℃。

根据系统条件，计算出的各导线电阻发热损耗如表8所示。分析可知，铝截面积和导电率分别增大为1.03倍和1.031倍，所以ACSS-400/50导线比LGJ-400/35导线约节能6.2 %。线路损耗主要指导线电能损耗。表8所列仅为导线电阻损耗，不包括导线电晕损耗。500 kV线路“年平均电晕损失为电阻损失的百分之几”[4]。本文估算值为7.3%～9.3 %，LCC计算时已计入。

表8 正常输送功率时电阻发热损耗(τ=5 000 h)

注：表中温度为潮流线温；计算考虑了磁滞、涡流因素，在线温约40 ℃时其引起的电阻增量仅占直流电阻的千分之几(硬铝线3层)到万分之几(软铝线2层)。

3.2 电磁环境

工程设计推荐塔型为“IVI ”腰形塔(如图2所示)。

基于导线参数、塔型尺寸，计算出导线的最大表面场强、无线电干扰场强、可听噪声值、电场强度及磁场强度等，计算值见表9～12。

最大表面场强系数均在0.8附近，较合理；无线电干扰场强、可听噪声值皆低于限值55 dB[6-7]；工频磁场低于规范参考值0.1 mT[1]；工频电场在下导线高于地面17 m时未畸变场强均不超过4 kV/m[1]。因此，4种导线均可满足电磁环境要求。

图2 IVI腰形塔头部尺寸

表9 最大表面场强

注：导线逆相序排列，下导线平均高度20 m；绞线表面系数取0.82，型线取0.9，型线的电量损失更小。

表10 导线无线电干扰场强

注：离边相导线投影外20 m，离地2 m高，80 %时间，80%置信度。

表11 导线可听噪声值

注：离边相导线投影外20 m，湿导线条件A计权声级(SLA)。

表12 导线工频电场、磁场数值

注：电场、磁场强度数值均为下导线高度14 m，离地1.5 m处的值；下导线临界高度计算条件：边导线外5 m，离地1.5 m电场达4 kV/m。

4 全寿命周期成本(LCC)分析

4.1 LCC计算

输电线路导线LCC 指的是输电线路经济寿命周期内所支付的导线总费用，由一次投资成本、运行成本、故障引起的中断供电损失成本和设备报废成本4个部分组成[8-9]。根据线损等参数，考虑折现率对资金的时间价值的影响，输送功率2×1 150 MW 4种导线正常输送功率下的年度总费用以及差值如表13所示。

4.2 LCC分析

(1)运行费用占导线LCC总费用的绝大部分(约90 %)，而一次投资成本和回收成本所占的比例皆较小，这说明导线选型应以运行成本为主。

(2)从表14看出，ACSS-400/50软铝导线的LCC成本最低，在线路30 a经济寿命期内，采用该型导线比采用常规LGJ-400/35导线，折现后每年可减少393.6万元，全寿命成本可节省1.181亿元。

(3)从LCC角度，推荐采用ACSS-400/50软铝导线。

5 环境效益分析

5.1 环境成本的概念

(1)煤耗：火电生产评价指标体系[10]中，供电煤耗评价基准值为365～380 g/(kW·h)；国家能源发展“十二五”规划节能目标为“到2015年，使火电供电标准煤耗下降到323 g/(kW·h)”。考虑平均水平，本文煤耗暂按保守值360 g/(kW·h)计算。

表13各导线的LCC年费用比较

Tab.13Comparisonofconductors’LCC万元/(km·a)

注：(1)建设年限按2 a，经济寿命按30 a，折现率取8%，回收率取10%，由发计委“计投资[1999]340号”文件，投资价格指数取0，通货膨胀率取0；(2)软铝导线单价取钢芯铝绞线的1.3倍。

(2)水耗：参考根据相关文件[10]，考虑到各种机组的比例，本文推荐按平均耗水量1.7 kg/(kW·h)计算。

(3)废物排放量：根据国家发改委发布的数据，工业锅炉每燃烧1 t标准煤，产生CO22 620 kg、SO2约8.5 kg、NOx约7.4 kg。按360 g/(kW·h)折算成单位电量的排放量分别为：CO20.943 kg/(kW·h)、SO23.06 g/(kW·h)、NOx2.66 g/(kW·h)。

根据河北省电力行业协会有关资料，烟粉尘的单位电量的排放量估计值约1.8 g/(kW·h)。

由于现代电厂一般废液和废渣能综合利用，其自身利用价值会超过治理成本，因此本文暂不计入。

(4)环境成本构成。环境治理仅是减缓了对环境的破坏，其成本并不能完全反映环境损失。但由于其他损失难以统计(也无资料可参考)，故本文仅按治理成本计算。有资料表明，我国每排放1 t废气造成的经济损失：SO2约2万元、NOx约2万元、烟尘约2千元，为促进环保，每吨CO2按罚款10元计。

5.2 环境成本估算

双回路每km、每年的功率损耗引起的排放量如表14所示。由表14推算全线情况，ACSS-400/50导线比LGJ-400/35导线每年可节省电能约1 167万kW·h，少排放SO2约36 t，烟尘约21 t，NOx约31 t，少排放CO2约11 005 t。假定每年排放量不变，则在30 a经济寿命期内，节能软铝导线ACSS-400/50比钢芯铝绞线LGJ-400/35节省环境成本约1.014亿元，环境效益相当可观。

表14 线损部分每km产生的环境影响(双回)

6 结 论

本文在电气、机械、经济及资源等方面对4种导线的特性进行了计算分析比较，结果表明：

(1) 在输送功率、弧垂、覆冰过载能力、电磁环境等方面，4种导线均能满足要求；与常规导线相比，软铝导线需适当增大钢芯截面和强度以减小弧垂、提高覆冰过载能力，但由于采用“型线”结构，其风压和风阻系数更小，耐疲劳、抗蠕变、耐腐蚀等性能更优。

(2) 推荐采用4×ACSS-400/50型节能软铝导线，比采用4×LGJ-400/35导线可节能6.2%；根据LCC，每年每km可节省3.44万元。

(3) 考虑环境、社会效益，推荐采用4×ACSS-400/50导线，每年全线可减少排放CO2约1.1万 t；每年增加潜在GDP约6 226万元，有利于国家增加就业机会；30年内预期节省环境成本约1.014亿元。

(4) 目前，节能软铝导线仅少量挂网试运行，工程设计时应特别注意工程气象、地形条件的适用性，施工时也应采取更为可靠的措施。

[1]GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范 [S].北京：中国计划出版社,2010.

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(编辑：刘文莹)

SoftAluminiumConductorSelectionBasedonEnvironmentalBenefits

QIN Jibin, WEN Kai

(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350001, China)

Firstly, according to the project feasibility study report, the basic requirements of conductor selection were presented for power system and four conductors were initially selected for comparison. Secondly, the basic performance advantages and disadvantages of conductors were compared and analyzed in current-carrying capacity, sag, ice overload, line loss and etc. Then, a detailed analysis was carried out on the reliability of construction and operation, electromagnetic environment and so on. Finally, the life cycle costs and environmental benefits of conductors were compared, and the advantages and disadvantages of energy-saving soft aluminium conductors in reliability, social benefits, environmental benefits and other aspects were fully demonstrated.

soft aluminium conductors; green GDP; social benefits; environmental benefits; total life cycle

TM 751

： A

： 1000-7229(2014)05-0066-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.011

2013- 11- 01

：2013- 12- 03

秦纪宾(1979)，男，学士，工程师，从事高压输电线路设计工作,E-mail：kematy@126.com；

文凯(1981)，男，学士，工程师，从事高压输电线路概预算工作,E-mail：wenk@fedi.com。