输电线路节能导线选型研究

张思祥，胡俊鹏

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

1 节能导线简介

随着高导电率硬铝和各种铝合金材料生产技术和工艺的日臻成熟，目前国内出现了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等新型节能导线。高导硬铝相对于电工硬铝（LY9）导电率由61%IACS提高至61.5%～63%IACS（JL1—61.5% ，JL2—62% ，JL3—62.5% ，JL4—63% ），但机械性能没有降低。铝合金线材除了广泛应用的高强度铝镁硅稀土合金LHA1（52.5%IACS）和LHA2（53%IACS）外，还有近年来逐步推广的中强度铝合金 LHA3（58.5%IACS）。

1）钢芯高导电率铝绞线采用高导硬铝（JL1—JL4）替代了原来钢芯铝绞线中的电工硬铝（LY9），电阻率降低但导线结构和机械性能没有变化。

2）铝合金芯高导电率铝绞线采用高强铝合金芯（LHA1或LHA2）替代钢芯铝绞线的钢芯和部分硬铝（LY9），同时采用高导电率硬铝（JL1—JL4）代替其他电工硬铝（LY9），电阻降低但机械强度也略有降低。

3）中强度铝合金绞线全部采用铝合金（LHA3）丝绞制，电阻降低但机械强度略有加强。

三种导线的结构如图1所示。

图1 三种节能导线结构

目前节能导线在山东省已经开始大面积推广应用，截止2013年已有累计2 400 km的线路已经或即将采用节能导线。因此在工程设计时如何选择节能导线已经成为非常迫切的问题，结合不同节能导线的特点，进行初步分析，最后结合实际工程特点给出了选型建议。

2 110～500 kV线路常用节能导线选型

2.1 110～500 kV常用节能导线型式

以 110 kV 线路 1×240 mm2、1×300 mm2、220 kV线路 2×400 mm2、500 kV 线路 4×630 mm2规格导线为例，按照与钢芯铝绞线同规格外径的原则，参照导线国家标准［1］和国家电网公司相关企业标准［2-4］，选择了6种导线进行比较，见表1～表4。 因参选导线规格一样，故不再列出截面和外径。

表1 240 mm2截面节能导线主要参数表

表3 400 mm2截面节能导线主要参数表

表2 300 mm2截面节能导线主要参数表

表4 630 mm 截面节能导线主要参数表

2.2 240～630 mm2节能导线的电气特性对比

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，因各导线规格均相同，故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电压等级下上述导线组合的电晕损耗是可以忽略不计的。故以下仅比较电阻损耗和载流量。交流电阻计算均参考日本电线与电缆制作协会颁发的标准JCS0374：2003“裸线载流量计算方法”进行计算［5］。

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5所示。

表5 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，同中强导线一样，导线截面变大后，优势也有所下降。钢芯高导电率节能优势相对较小，但导线截面变大时，节能优势基本不变。各导线都具有一定的节能效果。

2）不同截面规格导线的载流量对比。

按环境温度35℃、导线温度80℃计算载流量如表6所示。

表6 不同截面规格导线的载流量对比

可以看出中强度铝合金导线在导线截面较小时允许载流量最大，随着导线截面变大，优势略有下降；铝合金芯高导电率铝绞线载流量较大，钢芯高导电率载流量相对较小。三种节能导线的载流量较钢芯铝绞线都具有一定的增加［6-7］。

2.3 240～630 mm2节能导线的机械特性对比

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。由于JL3/G1A与JL4/G1A在机械性能上与普通钢芯铝绞线没有差异，因此只选取JL3/G1A参与比较。对JL1/LHA1与JL3/LHA1机械性能相同，选取JL1/LHA1参与比较。

2.3.1 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。

在安全系数取2.5时各导线的最大张力对比如表7所示。

表7 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%，随着截面的增大，中强度全铝合金导线的张力迅速增加，在400 mm2规格时已经基本接近钢芯铝绞线，在630 mm2截面时已经超过了钢芯铝绞线8.6%。

为了满足通用设计模块铁塔使用条件，对630mm2截面中强度全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。

2.3.2 安装荷载

为了抵消导线架设时蠕变产生的弧垂下降，一般采用降温法架线。 根据有关厂家试验结果，对中强度全铝合金绞线推荐降温值在20～25℃之间。中强度全铝合金绞线按照钢芯铝绞线荷载放松后，在安装工况（-10℃）下，降温20～25℃后超限约7%～8%，一定程度上限制了I型耐张塔的安装。对400 mm2截面的中强度全铝合金绞线降温安装工况张力仍超限3%～4%，同样对I型耐张的安装可能产生限制。这些因素在一定程度上限制了大截面中强度全铝合金绞线在工程中的应用。

其他节能导线则安装荷载均不超过钢芯铝绞线。

2.3.3 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的，如表8所示。

表8 各节能导线所匹配的耐张串强度

2.3.4 电线弧垂

630 mm2截面导线中强度全铝合金绞线（与钢芯铝绞线同荷载）最优，LHA1合金芯高导电率铝绞线与钢芯（高导电率）铝绞线基本一致，均居中；LHA2合金芯高导电率铝绞线略差。

400 mm2截面导线中强度全铝合金绞线最优，LHA1合金芯高导电率铝绞线次优，钢芯（高导电率）铝绞线居中，LHA2合金芯高导电率铝绞线略差。

300 mm2截面和240 mm2截面导线中钢芯（高导电率）铝绞线弧垂最优，中强度全铝合金绞线略差，LHA1合金芯高导电率铝绞线与中强度全铝合金绞线基本相同，LHA2合金芯高导电率铝绞线最差。

各节能导线弧垂对比如表9所示。

表9 各节能导线弧垂对比

可以看出在导线截面较小时，铝合金芯高导电率铝绞线和中强度铝合金导线弧垂略差，较钢芯铝绞线增大0.1 m左右；随着导线截面增加，中强度铝合金绞线弧垂显著减小，而中强度全铝合金绞线与钢芯铝绞线一直相差不大。钢芯高导电率铝绞线因机械特性与钢芯铝绞线一致，弧垂也完全一致。

表10 不同截面导线过载冰厚表

2.3.5 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10所示。

从表10可看出，由于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；铝合金芯高导电率铝绞线过载冰厚稍差；高导电率钢芯铝绞线过载覆冰能力居中。

2.3.6 风偏

对我国东部地区常用的各模块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，结论如表11所示。

表11 导线摇摆角校验结果

500 kV 线路采用 4×630 mm2（27/10）的 5E1 模块摇摆角超限铁塔允许摇摆角约3°。需要增加配重解决。2×400 mm2截面单回路2B3模块虽不超杆塔允许摇摆角，但裕度较紧张，在使用中应注意。双回路模块如 2E3（2×400mm2，27/10）、2E11（2×400mm2，27/15）、2F3 （2×630 mm2，27/10） 等摇摆角均有较大裕度。110 kV线路的单双回路及钢管杆模块（300 mm2和240 mm2导线）经校核均有裕度。

2.4 建设费用对比

采用节能导线后对线路造价影响主要体现在两个方面，一是导线费用的变化，二是塔材费用的变化。

2.4.1 导线单公里价格

以2012年3月国网公司基建部下发文件中的价格计算了各种导线单公里价格，与同规格钢芯铝绞线对比结论如表12所示。

表12 各节能导线与钢芯铝绞线单公里价格对比

可以看出，在各种节能导线单公里价格对比中，各种截面下结论基本一致：JL4/G1A系列的价格最高，中强度全铝合金绞线JLHA3与JL3/LHA1及JL3/G1A价格相差很小，而JL1/LHA1型铝合金芯高导电率铝绞线与普通钢芯铝绞线基本一致。

2.4.2 铁塔费用

目前线路设计一般均采用通用设计模块，而各节能导线的荷载均接近或不超铁塔设计条件。为简化比较，可仅考虑弧垂对塔高的影响，并结合实际工程各型塔所占比例，进行呼高调整比较，可较准确的反映出导线弧垂对铁塔造价的影响。对于摇摆角超限引起的金具配重增加，因在全线所占比例较少，且增加费用不多，暂不考虑。 上述比较不涉及铁塔基数变化，因此不必考虑基础造价的变化［8］。

2.5 年费用对比

考虑到实际工程的具体特点不同，各节能导线的年费用对比差别也比较大。 以下以某 500 kV线路工程为算例计算对比。

某500 kV线路工程新建双回线路约56 km，导线截面为4×630 mm2。地形为平地。主要气象条件为基本设计风速27 m/s，设计冰厚10 mm。通用设计铁塔模块为5E1、5E3。功率因数0.95；最大负荷利用小时数5 000 h；系统单回输送功率1 800 MW，极限输送功率3 600 MW。

根据电力工业部（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——年费用最小法的方法计算（公式略）。

计算最小年费用边界条件：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%；年最大损耗小时数按5 000 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，电价按本工程取0.462元/kWh。

不同输送功率下的年费用如表13所示。

表13 不同输送功率下的各节能导线的年费用（万元/km）

可见，钢芯高导电率铝绞线JL3/G1A-630/45、JL4/G1A-630/45在5种节能导线中年费用略高，中强度铝合金绞线JLHA3-675的年费用居中，铝合金芯高导电率铝绞线 JL1/LHA1-465/210、JL3/LHA1-465/210 的年费用最低［9］。

3 实际工程选型建议

3.1 500 kV线路

500 kV线路中重点讨论了630 mm2截面各节能导线的特点。由于630 mm2截面各节能导线节能效果相差不大，而中强度铝合金绞线又需要放松处理，且放松后I型耐张塔的安装荷载仍超限，因此不建议在500 kV线路中采用中强度全铝合金绞线。另外，铝合金芯高导电率铝绞线机械特性与钢芯铝绞线相比较差，安全储备低，风偏角也较大，不适宜在500 kV线路上使用。而钢芯高导电率铝绞线具有同样的节能效果和良好的机械特性，且风偏角与原导线完全一致，非常适合替换钢芯铝绞线［10］。 建议500 kV线路采用导线及配套金具的生产工艺和运行经验都比较成熟的钢芯铝绞线结构，即推荐采用钢芯高导电率铝绞线。

3.2 220 kV和110 kV线路

在沿海、重工业区等大气腐蚀严重地区，优先选择铝合金芯高导电率铝绞线或中强度全铝合金绞线。

对山区等运行条件较差、存在大高差和大档距的地区宜优先采用机械强度较高的中强度铝合金绞线。 同时当线路较长、耐张塔比例较低时宜采用中强度铝合金绞线。

线路走廊较为紧张的线路应考虑选用风偏角较小的导线，以减少拆迁，建议优先选择钢芯高导电率铝绞线。

在原有双回线路上单侧架线时，宜采用结构型式与原线路相同的导线，并校核导地线距离［11］。

采用老线路杆塔重新架线时，所选导线荷载应尽量小，以提高原有杆塔的安全裕度。

中冰区建议采用过载能力较强的中强度铝合金线。

线路为多回路不同截面导线时，宜采用同一结构的导线。

4 结语

将钢芯和铝合金芯的高导硬铝节能导线与中强度铝合金导线及常规钢芯铝绞线进行了全面的技术经济比较，结果表明：

在电能损耗方面，新型节能导线优势明显，一般可较常规钢芯铝绞线减少能耗约2%～7%，其中400mm2以下时中强度全铝合金导线优势最为明显，而在630 mm2时以JL3/LHA1型铝合金芯铝绞线为最好。

在机械特性方面，中强度全铝合金导线机械强度最大、弧垂特性最好，对降低工程铁塔投资效益明显。

在工程适用性方面，以钢芯高导电率铝绞线最好，各项机械特性参数与通用设计最为接近，几乎可以不加改变的直接替代常规导线。

在建设投资方面，新型导线基本都有一定的增加，但JL1/LHA1型铝合金芯铝绞线增加最少。采用630 mm截面导线时静态投资仅增加0.5%。具有较好的经济性。

综合以上各个因素，采用全寿命周期成本法计算新型导线的年费用结果表明，在630 mm2截面导线时，JL1/LHA1型铝合金芯铝绞线年费用最低，具有最优的技术经济性。

根据上述节能导线的技术经济特点，再结合具体工程条件合理选型，可以同时提高工程的经济性与可靠性。

［1］ GB/T 1179—2008 圆线同心绞架空导线［S］.

［2］ Q/GDW 632—2011 钢芯高导电率铝绞线［S］.

［3］ Q/GDW 1815—2012 合金芯高导电率铝绞线［S］.

［4］ Q/GDW 1816—2012 合金芯高导电率铝绞线［S］.

［5］ 叶鸿声.高压输电线路导线载流量计算的探讨［J］.电力建设，2000，21（12）：23-26.

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