110 kV新能源集中送出线路导线选型

石伟钊，刘晓林

（国网天津市电力公司经济技术研究院，天津 河东300171）

节能导线是指等外径条件下，与铝线导电率为61% IACS 的钢芯铝绞线相比，直流电阻（20 ℃）更小的导线[1]。采用节能导线可降低工程寿命周期总体费用，提高电网运营效益。

2012年，国家电网有限公司启动输电线路节能导线研究和试点应用工作。2017年，为进一步贯彻全寿命周期理念，深入推进节能减排工作，国家电网有限公司提出要深化实施、推进节能导线全面应用。

本文首先分析了天津市电力公司节能导线的应用现状，之后对节能导线的电气性能、机械性能和费用进行了分析，最后以某110 kV风电集中送出线路为例进行了全寿命周期[2-3]对比分析。

1 天津市电力公司应用情况

截至2020年5月，天津市电力公司共计在运节能导线线路40条，线路总长598608 m。3种推荐的节能导线中，铝合金芯铝绞线应用最多，中强度铝合金绞线次之，钢芯高导电率铝绞线最少，个别线路采用了钢芯铝合金绞线，线路长度为1586.56 m，如图1所示。按照电压等级划分，110 kV应用节能导线最少；220 kV最多，共应用了8种型号的节能导线，如图2所示。按投产年份划分，节能导线集中在2017年至2019年投产，相对运行经验积累较少，如图3所示。

2 节能导线设计

本节分析国家电网有限公司推广应用的钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯高导电率铝绞线和中强度铝合金绞线共3种类型的节能导线[4]。

图1 不同类型节能导线在运线路总长

图2 不同电压等级各型号节能导线在运线路总长

图3 不同年份节能导线投产线路总长

2.1 节能导线的电气特性比较

导线的电气特性主要包括载流量、电能损耗、电磁环境等因素，主要影响线路的运行电能损耗和事故情况下的过负荷能力。电能损耗包括电阻损耗和电晕损耗两部分，相同截面导线电磁环境条件和电晕损耗是一致的，不再比较。另外，工程计算也表明110～500 kV 电压等级下导线的电晕损耗是可以忽略不计的，故仅比较电阻损耗和载流量。交流电阻损耗参考日本电线与电缆制作协会颁发的标准JCS 0374：003“裸导线载流量计算方法”进行计算[5]。

2.1.1 不同截面规格导线的节能对比

20 ℃直流电阻相比钢芯铝绞线耗能降低值如表1所示。

表1 不同截面规格导线的节能对比

可以看出中强度铝合金导线在导线截面较小时节能优势最大，随着导线截面变大，优势有所下降；铝合金芯高导电率铝绞线节能优势较大，同中强度铝合金导线一样，导线截面变大后，优势有所下降；钢芯高导电率铝绞线节能优势相对较小，但导线截面增大时，节能优势基本不变，各导线都具有一定的节能效果。

2.1.2 不同截面规格导线载流量对比

按照环境温度40 ℃，导线温度70 ℃计算载流量如表2所示。

表2 不同截面规格导线的载流量对比

可以看出，3 种节能导线的载流量较钢芯铝绞线都有一定的增加，约2%～3%。

2.2 节能导线的机械特性比较

导线的机械特性主要包括机械强度、荷载、弧垂特性、导线风偏、覆冰过载能力等参数，对线路的安全运行和造价影响很大。

2.2.1 正常荷载

节能导线与钢芯铝绞线规格相同，水平荷载也相同。由于节能导线一般采用高导硬铝或铝合金，因此重量一般不超过钢芯铝绞线，即垂直荷载均不大于钢芯铝绞线的荷载。因此以下只比较节能导线的张力荷载。以普通钢芯铝绞线为基准，在安全系数2.5时各导线的最大张力对比如表3所示。

表3 各节能导线的最大张力对比

可以看出钢芯高导电率铝绞线的机械特性与钢芯铝绞线完全一致，张力也相同；中强度铝合金导线在截面较小时，张力比钢芯铝绞线小约12%，随着导线截面增大，中强度铝合金绞线的张力迅速增加，在400 mm2规格时已基本接近钢芯铝绞线，在630 mm2截面时已超过了钢芯铝绞线8.6%。为了满足通用设计模块杆塔使用条件，对630 mm2截面中强度铝合金绞线放松处理，按最大使用张力不超过钢芯铝绞线荷载控制。

2.2.2 耐张串强度

根据初步测算，相同规格下，各节能导线所匹配的耐张串强度相同，如表4所示。

表4 各节能导线所匹配的耐张串强度

2.2.3 导线弧垂

以普通钢芯铝绞线为基准，各节能导线弧垂对比如表5所示，可以看出，630 mm2截面导线中强度铝合金绞线（与钢芯铝绞线同荷载）最优，LHA1铝合金芯高导电率铝绞线与钢芯（高导电率）铝绞线基本一致。400 mm2截面导线中强度铝合金绞线最优，LHA1 铝合金芯高导电率铝绞线次优，钢芯（高导电率）铝绞线居中。

表5 各节能导线的弧垂对比 m

2.2.4 过载能力

过载冰厚体现了导线抵御冰灾的能力，过载冰验算的气象条件为：气温－5 ℃、风速10 m/s。验算覆冰时弧垂最低点的最大张力不超过额定拉断力的70%，悬挂点的最大张力不超过额定拉断力的77%，各导线过载冰厚如表6所示。

表6 不同截面导线不同档距下过载冰厚表 mm

从表6 可看出，中强度全铝合金绞线在导线截面较小时过载能力略差，随着导线截面变大，过载能力迅速提高，在大截面条件下甚至优于钢芯铝绞线；铝合金芯铝绞线过载能力稍差；钢芯高导电率铝绞线覆冰过载能力居中。

2.2.5 风偏

对天津地区常用的各模块II 型塔按节能导线计算规划摇摆角，并校核实际铁塔允许摇摆角，结果如表7所示，均不超限。

表7 导线摇摆角校验结果

2.3 经济性比较

2.3.1 导线费用走势

导线单价走势：根据国家电网有限公司发布的“电网工程设备材料价格季度信息价”，选取2017年3 季度至今导线相关数据进行分析，由于各季度信息价中均不包含中强度铝合金绞线，下文中未进行对比。以钢芯铝绞线为基准，400/35截面节能导线与钢芯铝绞线的价格对比如图4 所示，630/45 截面节能导线与钢芯铝绞线的价格对比如图5 所示。由图可以看出，随着生产工艺的成熟，两种截面的节能导线与钢芯铝绞线的价格对比趋于稳定，JL1/LHA1铝合金芯铝绞线与JL/G1A钢芯铝绞线的价格比约为1.12，JL3/G1A 钢芯高导电率铝绞线与JL/G1A钢芯铝绞线的价格比约为1.05。

图4 400/35截面导线价格比

图5 630/45截面导线价格比

导线单位单公里费用走势：计算导线单公里费用时需考虑导线的单价和单位重量两个因素，钢芯高导电率铝绞线JL3/G1A与钢芯铝绞线JL/G1A单位重量一致，则导线的单公里费用变化趋势与导线单价变化趋势一致；铝合金芯铝绞线JL1/LH1 的单位重量与钢芯铝绞线JL/G1A单位重量不一致，单公里费用变化趋势如图6 所示。由图6 可以看出，JL1/LHA1-465/210 与JL/G1A-630/45 单公里导线所需费用基本一致，JL1/LHA1-210/220 与JL/G1A-400/35相比，单公里所需费用略低2%～3%。

图6 JL1/LH1与JL/G1A单公里费用对比

2.3.2 导线单公里费用

文中分析以2020 年第1 季度信息价为参考，各节能导线与同规格的钢芯铝绞线单公里价格对比如表8、表9 所示，除中强度铝合金绞线为询价、结合不同类型导线相对价格比得出外，其余导线单价均摘自国家电网有限公司发布的2020 年第1 季度信息价。

表8 400 mm2截面导线信息价

表9 630 mm2截面导线信息价

经查询近3 年国家电网有限公司发布的设备信息价，均无JLHA3 中强度铝合金绞线，JL3/LHA1铝合金芯铝绞线仅在2020 年1 季度信息价中出现1次，各季度设备信息价中均给出了JL1/LHA1 铝合金芯铝绞线、JL3/G1A 钢芯高导电率铝绞线、JL/G1A 钢芯铝绞线和JL/LB20A 铝包钢芯铝绞线多种不同截面规格的信息价。

具体费用方面，JL3/LHA1、JLHA3 价格最高，单公里费用比普通钢芯铝绞线高10%以上；JL3/G1A 单公里费用比普通钢芯铝绞线高4%～5%，JL1/LHA1单公里费用与普通钢芯铝绞线相当，其中JL1/LHA1-210/220 比JL/G1A-400/35 低2%，JL1/LHA1-465/210 比JL/G1A-630/45 高2%；JL/LB20A单公里费用与普通钢芯铝绞线基本持平。

2.3.3 铁塔和基础费用

目前，输电线路设计一般均采用通用设计模块，在导线截面相当的情况下，对于常用的110 kV和220 kV送出线路，各节能导线的荷载均接近或不超过铁塔设计条件、摇摆角也均不超限。为简单化比较，可仅考虑弧垂对塔高的影响，同等条件下，铝合金芯铝绞线、钢芯铝绞线和钢芯高导电率铝绞线弧垂基本一致，中强度铝合金绞线弧垂最小，可减小弧垂约0.5～1 m，在线路较长、转角塔占比较低的情况下，可通过优化杆塔排位来减少基数，考虑到线路路径受地方规划、走廊、交叉跨越等因素影响程度较大，线路直线段长度较短，不再考虑杆塔优化排位降低工程投资的情况。上述比较不涉及铁塔基数变化，对基础作用力影响较小，因此不必考虑基础造价的变化。

对于本文中采用的算例，由于不同类型导线的截面不一致，需考虑导线截面增大导致的铁塔和基础费用增加。

2.3.4 年费用对比

按电力工业部(82)电计字第44 号文《颁发“电力工程经济分析暂行条例”的通知》第十五条经济计算-年费行最小法。线路工程简化计算公式为：

折算到工程投运年的总投资：式中：NF为年平均费用（平均分布在m+l 到m+n期间的n年内）；N为工程的经济使用年限；Z为折算后的工程总投资。

式中：T为从开工这一年起到计算年的年数；M为工程施工年数；Zt为第t年的建设投资(万元)；r0为电力工业投资回收率；μ为折算年运行费用。

式中：t0为工程部分投产的年份；Ut为运行费用。

3 风电集中送出地区导线选择

天津某风电集中地区计划新建风电场4座，装机总容量分别为50 MW、50 MW、47 MW 和76 MW。由于缺乏并网点，考虑新建一个双回110 kV线路将风电场所发电能送出，其中两座50 MW风电场采用一回110 kV线路，另外两座风电场采用另一回110 kV线路。考虑功率因数为0.95，则110 kV 送出线路长期允许载流量应不低于：

3.1 导线初选

根据《电力工程设计手册：架空输电线路设计》[6]：各地最热月平均气温，取环境温度35 ℃、导线温度70 ℃计算得出各种型式导线载流量如表10所示。

表10 不同型式导线载流量

3.2 年费用比选

可以看出JLHA3-425、JL/G1A-500/35、JL3/G1A-500/35、JL1/LHA1-210/230 和2×JL/G1A-240/30 均满足要求。2×JL/G1A-240/30 的导线、铁塔和基础费用明显偏高，不再进行经济型比较，以下对前4种导线进行经济性比选，如表11所示。

表11 年费用比选表

110 kV线路，经济使用年限为40年，施工期按2年计，前一年投资为60%，后一年投资为40%。

本线路为风电场送出线路，输送容量为223 MW，风电场年最大负荷利用小时数通常在2000 h 左右，取2500 h，相应最大损耗小时数按1100 h计。

设备运行维护费率为1.4%。

电力工程回收率按工程投资的8%计。

电价按当地实际上网电价计，取0.47元。

从电能损耗看，由于截面较小，中强度铝合金绞线JLHA3-425 导线损耗最大，钢芯铝绞线JL3/G1A-500/35 导线损耗最小；从导线年费用最小看，若按照经济使用年限40 年计算，由于初始投资低，风电场年最大负荷利用小时数和最大损耗小时数较小的情况下，中强度铝合金绞线JLHA3-425导线年费用最小。

因此，综合考虑费用因素和国家电网有限公司通用设计杆塔适用情况，本工程最终选择导线型号为JLHA3-425。

4 结束语

与常规钢芯铝绞线相比，节能导线一方面具有良好的节能效果，另一方面又可为降低“线损”做出贡献。

从导线的电气性能和机械性能方面考虑，节能导线在轻冰区和中冰区均能适用。从单公里导线费用考虑，钢芯高导电率铝绞线JL3/G1A 与钢芯铝绞线JL/G1A 单位重量相同，单公里导线费用偏高约5%；铝合金芯铝绞线JL1/LH1的单位重量较轻，单公里导线费用与钢芯铝绞线JL/G1A相当。

本文所附实际工程导线选型情况，由于集中送出线路负荷较大，首先从极限条件下导线载流能力的角度进行初选，然后从全寿命周期角度进行年费用比选，最后综合考虑国家电网有限公司杆塔通用设计适用情况选定中强度铝合金绞线JLHA3-425。