110kV输电线路中节能导线选型研究

保定吉达电力设计有限公司 张发苍 张 召

1 引言

导线是架空输电线路的最基本组成部分之一，架线工程投资占工程本体投资30%左右，其对整条架空输电线路的杆塔、基础、绝缘子和金具强度、经济技术指标等起着决定性影响。

在导线的选型过程中主要从电能损耗和载流量、弧垂、过载能力、杆塔荷载、摇摆角、投资分析等多个方面对普通钢芯铝绞线和三种节能导线（即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）进行了技术经济比较，最后结合通用设计杆塔的利用和年费用等因素确定节能导线的选择。

2 节能导线材料和特性

2.1 钢芯高导电铝型线绞线

钢芯高导电铝型线绞线，采用导电率63%IACS的硬铝型线作导体层，高强度钢线作为承力构件的型线同心绞架空导线。它具有结构相近、电阻损耗小、输送容量大、机械负荷荷载小、年费用低，以及施工、运行要求相似等优点。

目前，在用的架空导线的导体材料都采用电工铝。在输电工程中，国际上普遍采用钢芯铝绞线作为架空输电导线的主要产品，已有百余年历史。现在架空导线衍生出许多品种：钢芯铝合金绞线、铝包钢芯铝绞线、铝合金绞线、耐热铝合金绞线、钢芯型线绞线等。2000年，日本首先开发了复合材料芯软铝绞线，2004年开发出殷钢钢芯软铝绞线。

由于不同导线品种的铝导体材料性能不同，其导电率亦有所不同，从56%IACS至63%IACS不等（见表1）。

由于复合材料导线采用的铝导体是经高温韧炼加工的软铝，其抗拉强度低于95MPa，表面强度下降，其使用性和可靠性方面存在的本质缺陷逐步显现。

目前，导电率达到63%IACS的高导电硬铝导线产品已通过相关产品技术鉴定，并已形成专业化的生产工厂。

表1 各种型号架空导线导电率对照

钢芯高导电铝型线绞线是采用导电率63%IACS的硬铝型线作导体层，高强度钢线作为承力构件的型线同心绞架空导线。由于导体单线采用“Z/S”型线结构代替圆线，能获得较大的导体截面利用率。

由承力构件及高导电率Z型铝单线材料性能和组合结构的特点决定了高导电率Z型型绞架空线具有高强度、高载流、低线损、表面光滑、风阻系数小等优点。在工程中运用这种导线可提高线路的输送功率，降低线路损耗，增加导线输送电流，减小运行噪音，具有更佳的电气及机械性能。

2.2 铝合金芯铝绞线

铝合金芯铝绞线是一种铝合金和硬铝组合的导线，内层采用高强度铝合金芯，外层采用常规的硬铝单丝绞合，它具有结构相近、电阻（电磁）损耗小、输送容量大、耐腐蚀性能强、机械负荷荷载小、年费用低，以及施工、运行要求相似等优点。

高强度铝合金主要材料成分由电工硬铝、镁、硅等材料合成。它添加的元素主要是镁（Mg）和硅（Si），使合金单线获得足够的强度和塑性。其要点是通过铝基体的合金化的配方组合，再通过后续的工艺及热处理过程，使其在强度、延伸率上得到明显的提高，导电率也达52.5～53%IACS。为替代常规导线的加强钢芯创造了条件。

2.3 中强度全铝合金绞线

中强度铝合金，多半属铝-镁-硅系的半热处理半加工硬化型的铝合金。这种合金和同样是铝-镁-硅系的热处理型高强度铝合金相比，在热处理加工条件等方面有不同特点，因此称之为半热处理半加工硬化型合金。在制造过程中需固溶处理、淬火和时效处理。主要优点是生产工艺简便，成本低，导电率较好，抗拉强度高。

3 节能导线选型参数计算

以110kV蠡县-中滑线路工程（8km）为例，对普通钢芯铝绞线和三种节能导线从以下几个方面进行详细的技术经济比较。电力系统条件：系统额定电压：110千伏；系统最高运行电压：126千伏；功率因数：0.95；最大负荷利用小时数：3700；系统输送功率：50MW；设计风速：25m/s；覆冰厚度：5mm。

本工程选择了四种300mm2截面的导线进行比较，分别为：钢芯铝绞线JL/G1A-300/25、钢芯高导电率铝绞线JL(GD)/G1A-300/25、铝合金芯铝绞线JL/LHA2-165/170和中强度全铝合金绞线JLHA3-335。

3.1 导线载流量和交流电阻计算

提高交流架空输电线路的输送容量和降低电阻损耗都与导线的交流电阻有关，导线选型的重点是计算四种导线的交流电阻来进行比较。本工程交流电阻计算采用日本电线与电缆协会颁布的标准JCS 0374:2003《裸线载流量计算方法》。

计算中环境温度为最高气温月的最高平均气温，根据气象统计资料，计算导线载流量的环境温度取10℃。日照强度1000w/m2，风速0.5m/s，导线表面辐射、吸热系数均取0.9。

经过计算得出各种导线载流量和输送功率，从计算结果可以看出：三种节能导线的交流电阻都比钢芯铝绞线要小，同时当导线允许温度从70℃上升至80℃，导线载流量提高约1.1倍。比选的导线的每回线极限输送功率为均高于150MVA，满足系统要求。各种导线的载流量和极限输送功率相差不大，节能导线要比普通导线高出1.6～4%。

计算各种导线结构的电能热损失可以看出，电阻损失相差不大，同时当线路的输送容量较大时，其交流电阻损失也就越大；由于JLHA3-335、JL/LHA1-165/170和JL(GD)/G1A-300/25的节能效果较好，故其电阻损失最少，在输送容量较大的线路其节能效益更明显。

3.2 导线机械特性计算

3.2.1 导线弧垂

导线的弧垂特性与导线的计算拉断力、铝钢截面比、自重等因素有关。高温弧垂的增大，施放档距将减小，杆塔数量将增加。

各导线40℃弧垂、施放档距及杆塔数量的计算结果可看出，导线弧垂变化不大。

3.2.2 导线过载能力

各导线过载能力的覆冰验算的气象条件为：气温-5℃、风速10m/s。

由于JLHA3-335导线单位重量轻、导线张力大，因此导线弧垂、过载冰厚均较好；而JL/LHA1-165/170的过载冰厚稍差；JL/G1A-300/25、JL(GD)/G1A-300/25过载覆冰能力居中。均能满足本工程导线覆冰承载能力，且有较大裕度。

3.2.3 导线耐张串强度选择

随着导线钢铝截面比的减少，自重、张力及绝缘子串的受力随之增加。在本工程气象条件下，这几种种导线结构采用2×120kN耐张串均可满足要求。

3.2.4 导线对杆塔荷载的影响

可以看出，各导线的水平荷载相差不大；钢芯铝绞线JL/G1A-300/25和高导电率钢芯铝绞线JL(GD)/G1A-300/25的荷载基本相当；铝合金芯铝绞线JL/LHA1-165/170和中强度全铝合金绞线JLHA3-335的垂直荷载相对较小；对于杆塔荷载影响：钢芯铝绞线JL/G1A-300/25和高导电率钢芯铝绞线JL(GD)/G1A-300/25使用杆塔更重，铝合金芯铝绞线JL/LHA1-165/170和中强度全铝合金绞线JLHA3-335较轻。

3.2.5 导线摇摆角

当基本风速为25m/s时，可看出，铝合金芯铝绞线JL/LHA1-165/170和中强度全铝合金绞线JLHA3-335的垂直荷载相对较小，导线摇摆角相对较大，使用国网公司2011版典型设计铁塔，以上各种导线均能在不改变铁塔使用条件的前提下，满足本工程需求。

3.3 导线造价分析计算

3.3.1 导线用量计算

由于导线自重及单价的差异，JL/LHA1-165/170、JLHA3-335（非热处理）与JL/G1A-300/25的导线费用基本相当，JL(GD)/G1A-300/25和JLHA3-335（热处理）的导线费用相对较高。

3.3.2 导线的经济性比较

1)按照当地实际上网电价进行年损耗费用计算。

2)增量投资回收期限计算中应考虑资金的时间价值（即利息），需折算至基准年。

3)综合分析，推荐顺序如下：a)JL/LHA1-165/170和JLHA3-335导线（非热处理型）；b)JLHA3-335导线（热处理型）；c)JL(GD)/G1A-300/25。

4 年费用计算

为了进一步比较不同导线结构，本节对4种导线结构在不同输送功率下的年费用进行了计算。

根据本工程的实际情况，进行最小年费用计算条件如下：

①经济使用年限为30、50年，施工期按2年计，前一年投资为60%，后一年投资为40%。②年最大损耗小时数按3750h计。（最大负荷利用小时数对应的损耗小时数）③设备运行维护费率为1.4%。④电力工程回收率按工程投资的8%计。⑤电价按当地实际上网电价计。

5 结论

1)当导线允许温度从70℃上升至80℃，导线的载流量提高约1.1倍，几种节能导线均满足本工程载流量及输送功率要求。

2)三种节能导线的交流电阻计算值非常接近，JL(GD)/G1A-300/25略高，其年费用在各种输送功率下最高。JL/LHA1-165/170和JLHA3-335的年费用最低。

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导线单位重量轻、导线张力大，因此导线弧垂、过载冰厚均较好；而JL/LHA1-165/170的过载冰厚稍差；JL/G1A-300/25、JL(GD)/G1A-300/25过载覆冰能力居中。JL/LHA1-165/170和JLHA3-335的垂直荷载相对较小，导线摇摆角相对较大，需排杆定位时控制其摇摆角系数。

5)采用JL/G1A-300/25线路本体造价高，又无明显的节能效果；JL(GD)/G1A-300/25具有良好的节能效果，但初投资略高于JL/G1A-300/25；由于JL/LHA1-165/170和JLHA3-335导线交流电阻低，同时电阻温升系数小，初投资增加很少；同时节能效果明显。三种节能导线的交流电阻计算值非常接近，JL(GD)/G1A-300/25略高，其年费用在各种输送功率下最高。JL/LHA1-165/170和JLHA3-335的年费用最低。

6)针对该工程节能导线推荐排序：a.中强度铝合金绞线；b.JL/LHA1-165/170；c.JL(GD)/G1A-300/25。

7)建议110kV输电线路工程导线采用节能型，都比常规导线有优势，在河北南网可大面积推广使用。

[1]叶鸿声.中强度全铝合金导线在输电线路中应用探讨.

[2]国网公司基建设计[2012]18号《关于开展输电线路节能导线试点应用工作的通知》.