节能导线在输电线路中的节能效果分析

李　钊，李春燕，冯砚厅

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003； 2. 国网河北省电力公司 电力科学研究院， 河北石家庄050021)



节能导线在输电线路中的节能效果分析

李钊1，李春燕1，冯砚厅2

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003； 2. 国网河北省电力公司 电力科学研究院， 河北石家庄050021)

为了降低输电线路的电阻损耗，提高传输效率，达到节能的效果。介绍了钢芯高导电率铝绞线，铝合金芯高导电率铝绞线，中强度铝合金绞线3类节能导线的特点及节能原理，并通过测量直流电阻，对具体线路分别从电阻损耗，环境效益，线路投资方面进行分析，比较其节能效果。结果表明中强度铝合金绞线节能效果最好，每千米约节约电量8.2%，且在3年内即可收回设备投资，具有重要的推广价值，可为今后替代普通钢芯铝绞线在节能导线的选型上提供参考。

输电线路；电阻损耗；节能效果；推广应用

0　引言

一直以来，我国输电线路以钢芯铝绞线为主，随着我国各行各业的快速发展导致对电力的需求量大大增加，而普通钢芯铝绞线已不能满足容量快速扩容的需求[1-4]，电量的传输效率制约着电力工业的发展，因此世界上许多国家都在研制新型节能导线，来替代普通的架空输电导线，在截面积相同的情况下提高输电效率减少线路损耗；另外，导线在输送电量的同时产生电能损耗，因此在输电容量相同的情况下，如何减少线路损耗也成为各国高度关注的课题。而电能损耗主要包括电晕损耗和电阻损耗[5-7]。且在截面积相同的情况下电晕损耗是一样的，在电晕损耗基本相同的时候，线路的损耗主要由电阻损耗和一小部分的集肤效应所引起的损耗来决定。

随着国内电力工业新材料和新工艺的飞速发展，我国不断开发出具有高导电率的新型导线，目前具有代表性的导线主要有钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯铝绞线、中强度铝合金绞线等3种导线。本文主要针对电阻损耗对几种新型节能输电导线进行分析，在截面积相同的情况下分析不同类导线的电阻损耗，环境效益，投资效益，比较其节能效果，为节能导线选型的推广和开发更高导电率的导线提供借鉴。

1　节能导线型号及特点

普通钢芯铝绞线的钢芯主要起保证强度的作用，铝线主要用来输送电量，钢芯铝绞线结构简单、设计方便、易于维护和线路成本低等优点，但是其传输效率已经不能满足传输电量快速增容的需求，因此，我国不断地开发高导电率的新型导线有以下3类。

(1)钢芯高导电率铝绞线

铝的导电率与铝的合金元素和制备工艺有关，理论上铝的纯度越高其导电率越大最大可达64%，但是随着铝纯度的增高，铝锭在强度和硬度等机械性能上会受到影响，满足不了市场需求，而且其价格成本高，阻碍钢芯高导电率铝绞线的全面推广应用[8-9]。然而通过对合金元素和抜拉工艺等一些工艺参数的控制可使得其导电率达到63%，同时能保证铝线强度满足国际标准。其传输效率提高，从而降低线路的电阻损耗，另外其杆塔结构、机械性能和施工条件与普通钢芯铝绞线几乎一样，可见在截面积相同的情况下降低了荷载，从而降低了工程造价。

(2)铝合金芯高导电率铝绞线

此导线由导电率为53%的铝合金芯取代传统输电线的芯部和局部铝线，使得几乎没有传输电力的承力构件有了输电能力，改进后的铝合金芯铝线比钢芯铝绞线的直流电阻更低，从而降低了线损提高了传输效率，并且铝合金芯高导电率铝绞线由于其质量轻，在相同载流量的前提下，铝合金芯高导电率铝绞线比传统铝绞线的张力和垂直载荷降低7%～10%，并且其表面硬度与传统电线的表面硬度几乎相同，另外，在工程施工时不需要采用特别的防护，常规的施工方法和设备可以直接应用于施工过程中。

(3)中强度铝合金绞线

此导线经过非热处理工艺生成的，其导电率约58.5%～59%，它无论在设计、制造还是在施工、运行方面均有诸多优点，并已经被应用在世界上许多国家。而我国的此类导线是选用58.5%IACS铝合金全部替换普通钢芯铝绞线[10]。从而降低直流电阻，减少电阻损耗，来达到提高传输效率的目的。中强度铝合金绞线相对于普通钢芯铝绞线其硬度大，重量轻，施工过程中能够减少导线磨损，同时可以减少运行时电晕损失及无线电干扰水平。除此之外，此导线屈服强度是传统电线的1.5倍左右，从而减小了导线鼓包现象的产生。中强度铝合金绞线的机械特性可以做到和传统电线几乎相同，大部分可以应用一般的设计杆塔。

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2　节能原理

当电晕损耗相同时，输电线路损耗主要有电阻损耗来决定，而电阻损耗由直流电阻决定，除此之外，在交流电输电线路中还有少量肌肤效应损耗和铁损效应损耗，该损耗约占线路损耗的2%～5%，因此，等截面积的情况下，输电线路的总损耗量主要有直流电阻来决定。

为了测导线的直流电阻，试验采用使用仪器有QJ63型双臂电桥(20.0级)、低电阻测试架(1 m)、千分尺、试样导线等。测定不同温度下直流电阻，在测量单根导线时候应该将其拉直，不要引起导线横截面面积发生变化扭曲。通过处理试验数据得出导线的材质信息如表1所示。

表1　导线材质信息

电阻损耗计算如下：

(1)单导线时对RDC的计算

(1)

式中：RDC为t时的每米导线直流电阻值，Ω/m；R20为20 ℃时的每米导线直流电阻值，Ω/m；t为导线运行温度，℃；α为电阻温度系数。

(2)在输电线路中，铝线及铝合金线因在空气中氧化形成带有绝缘特性的氧化膜，当输电线通入电流后，会沿着螺旋导线形成轴向磁场，尽管铝线相邻绞线的绞向能使得一部分磁场抵消，但是仍有一部分交变的磁场存在，从而使铝绞线产生磁滞或者涡流，进而导致功率损耗，同时引起电阻增大，即产出铁损效应损耗。另外趋肤效应的影响下，使得在导线中电流的分布发生变化，从而交流电阻的随之产生。计算交直流电阻比如下表达式。

(2)

K的计算按《裸线载流量计算方法》进行计算，具体公式如下式。

k1=0.996 09+0.018 578X-

0.030 226 3X2+0.020 735X3

其中，对于合成铝合金绞线如下式(3)；对于单一铝合金绞线如下式(4)。

(3)

(4)

式中：X为常数；f频率50 Hz；D1为导线的外直径，mm；D2为钢芯的外直径，mm。

对于单一铝合金绞线K2=1，而对于合成铝合金绞线K2如下式。

k2=0.999 47+0.0288 95Y-

0.005 934 8Y2+0.000 422 59Y3

其中，Y=I1/A，为常数。式中：I1为线电流，A；A为铝截面积，mm2；

单根导线电流如下式：

(5)

则交流电阻比为K=k1·k2。

(3)每千米交流电阻值

则每千米总电阻为：

式中：m为常数，直流线路单极取1，双极取2；交流线路单回取3，双回取6；n分裂数。

(4)每千米电阻损耗

(6)

式中：R为每千米总电阻，Ω；I为载流量，A；τ为最大损耗的时间取 3 200 h。

3　实例计算

3.1电阻损耗节能计算分析

河北南网试点线路用导线为2×JL4/GIA-400/35型，其截面积为426.2 mm2，为保证导线总体截面积相同，此次对导线节能分析的截面积均在426.2 mm2～426.28 mm2之间。为了实现国网公司节能导线推广应用的节能要求，选择温塘-平山220 kV站线路工程作为本项目的示范工程之一，应用新型节能导线针对电阻损耗进行分析研究，线路全长约12.5 km。其中所选导线型号分别为普通钢芯铝绞线型号：JL/GIA-400/35，钢芯高导电率铝绞线：JL4(GD)/GIA-400/35，铝合金芯高导电率铝线：JL1/LHA2-210/220-18/19，中强度铝合金绞线：JLHA3-425-37，计算并对比分析导线在60 ℃情况下的损耗电能。线路信息如表2，导线参数说明如表3，电阻损耗如表4。

表2　线路信息

结果分析：将数据进行交直流的转化计算并将电阻损耗进行汇总，即在线路相同的情况下，使用不同类型的节能导线相对于普通钢芯铝绞线而言在电力传输和降低电量损耗上都有很大的提高，这体现了导线较好的电气特性，但是3类节能导线的节能效果也有所区别，从数据结果可以看出，普通导线JL/G1A-400/35型每千米电阻损耗为2.033 1×105kW·h/km，钢芯高导电率铝绞线电阻损耗为1.976 8×105kW·h/km，比普通导线节省约2.7%，铝合金芯高导电率铝绞线电阻损耗为1.913 4×105kW·h/km，比普通导线节省约5.9%，中强度铝合金绞线JLHA3-425-37型导线每公里电阻损耗可达1.866 3×105kW·h，其每千米电阻损耗电能比普通钢芯铝绞线节省了约8.2%。每条新型节能导线都比普通导线的电阻损耗要小，其中效果最好的是中强度铝合金绞线JLHA3-425-37，其次为铝合金芯高导电率铝线。

表3　导线参数列表

表4　导线损耗数据及结果

3.2环境效益分析

有关资料显示，发1 kW·h电需要300 g标准煤，而每燃烧1 t标准煤，向大气环境排放CO22.6 t，SO220 kg，烟灰15 kg，灰渣260 kg，氮氧化合物9 kg。温塘-平山220 kV站线路工程应用中强度铝合金导线JLHA3-425-37每年约节约62.55 t煤，减少CO2的排放量为162.63 t，SO2排放量为1 251 kg，烟灰排放量为938.25 kg，灰渣排放量为16 263 kg，氮氧化合物排放量为562.95 kg，3类节能导线的环境效益统计如表5所示。

表5　环境效益统计

3.3线路造价分析

本工程线路总长为12.5 km，按30年运行期计算，在相同的设计条件下应用不同类型的导线时，导线成本和铁塔的耗钢量也存在差异，现对同截面节能导线和普通导线的投资成本以及电能损耗进行对比分析。根据上网电价0.455元/kW·h，年损耗小时数按3 200 h，各种导线的经济性比较如表6所示。

表6　导线经济性比较

由表6经济比较可以看出，3类节能导线初次投资均高于普通钢芯铝绞线，其中中强度铝合金的导线成本最高，但其节能性最好，在3年左右即可收回增量投资。本工程采用3类节能电线在30年经济运行年限内，总的节电量可达211～625万kW·h，所节约电量折算约96～285万元，节能效果十分可观。

4　结论

(1)3类新型节能导线相对于普通钢芯铝绞线而言均有较好的电气特性，能减小电阻损耗，增大电量的传输效率，其中中强度铝合金芯绞线电量损耗最低，节能性更加突出。

(2)节约电量的同时减少了二氧化碳、烟尘等污染物的排放，对营造良好的生态环境具有重要的意义。

(3)节能导线虽然初次投资比传统输电线成本高，但是其在很短的年限内即可回收初次投资的额外增加成本，所以应用新型节能导线取代普通钢芯铝绞线具有广阔的前景。

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Energy-saving Effect Analysis of Energy-saving Wire in Transmission Line

LI Zhao1，LI Chunyan1，FENG Yanting2

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang 050021，China)

In order to reduce the resistance loss, improve the efficiency of the transmission line and reach energy-saving effect. This article describes the energy conservation principle and characteristics of energy-saving efforts of the wire and marketed high conductivity steel-cored aluminum strand, aluminum alloy-cored aluminum stranded wire and medium intensity aluminum stranded wire. By measuring the DC resistance analyzing the concrete lines from resistive losses, environmental benefits and investment of line and comparing the energy-saving effect of three energy-saving wires. The results show that the energy-saving effect of medium intensity aluminum stranded wire is the best. Per kilometer saves electricity about 8.2% and it can recover the investment of equipment in three years. It has an important promotion value and may provide the reference for the future instead of common steel core aluminum stranded wire in the choice of the energy-saving wire.

transmission line; resistance loss; energy savings; application and dissemination

2016-07-12。

国家电网公司科技项目(5204HB140002)。

李钊(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为高导电率硬铝导线研制及示范应用，E-mail：lizhao_mail1016@163.com。

TM751

ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.10.005