精品节能导线工程应用技术经济分析.docx
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精品节能导线工程应用技术经济分析
淮南～南京～上海1000kV特高压交流输电线路工程
节能导线工程应用
技术经济分析
2012年11月12日
前言3
1综述4
1.1线路概况和系统条件4
1.2节能导线应用背景4
1.3工程环境条件5
2节能导线型式选择7
2。
1新型节能导线介绍7
2。
2适合特高压线路应用的节能导线8
2.3节能导线的参数和标准12
3导线机电特性14
3。
1导线弧垂14
3。
2导线过载能力15
3.3导线耐张串强度选择15
3.4导线对杆塔荷载的影响16
3。
5导线摇摆角17
3.6导线防振性能17
3。
7导线蠕变和初伸长补偿18
3.8配套金具19
3.9中强度铝合金绞线放松张力使用分析20
3.10小结20
4交流电阻及能耗计算22
4.1节能导线的交流电阻计算研究22
4.2导线交流电阻比较27
4。
3小结28
5交流特高工程应用的造价分析30
5.1导线投资计算30
5。
2耐张串差价比较30
5。
3铁塔耗钢量比较32
5。
4基础用量比较33
6年费用34
6。
1年费用算法及边界条件34
6。
2全线各区段经济性比较35
6。
2.1淮南—南京段35
6.2。
2南京-泰州段38
6.2。
3泰州-苏州I串段40
6。
2.4泰州-苏州V串段42
6。
2。
5苏州—上海段44
6。
3导线不同价位的年费用比较46
6.4增选新型导线49
6.5小结51
第二部分新型导线的杆塔验算使用52
7校验条件及原则52
7.1试点区段及导线型号52
7.2气象条件及铁塔型式52
7.3铁塔验算的思路53
8间隙圆校验54
8.1空气间隙及间隙圆设计原则54
8。
2Kv值及悬垂串风偏角54
8。
3Kv值统计分析58
8。
4小结62
9铁塔荷载及基础校验63
9。
1杆塔荷载63
9.2耐张塔塔材及基础优化64
9.3小结65
10杆塔使用条件66
11结论67
前言
为将更多的“新技术、新材料、新工艺"应用到交流特高压电网建设中，本报告结合淮南～南京～上海1000kV输电线路工程特点,分析了高导电率钢芯铝绞线、铝合金芯铝绞线和中强度铝合金绞线共3种新型节能导线应用的可行性和必要性。
以普通钢芯铝绞线为对比基准，对3种节能导线的弧垂、过载能力、耐张串强度选择、杆塔荷载、摇摆角、防振性能、蠕变、配套金具等进行了详细比较,认为三种导线的机械电气性能均能满足工程需要，且各有优势。
同时本报告详细分析了3种节能导线对线路本体造价影响，为准确分析导线的经济性奠定了基础。
铝合金芯铝绞线JL/LHA1—465/210的年费用最低，故作为首推采用的节能导线型号，尤其是在路径复杂，转角比例高的区段优先应用；高导电率钢芯铝绞线JL（GD）/G1A-630/45的年费用次优,作为第二位推荐；中强度铝合金绞线JLHA3—675由于价格高，其年费用在不利的边界条件组合下会略高于普通导线，但由于其节能效果好，机械特性优,故建议选择耐张塔比例较低、防振要求较高的区段少量应用。
铝合金芯高导电率铝绞线JL（GD）/LHA1-465/210节能效果和经济性能最优，但由于该种导线尚无实际运行经验，故建议局部试点应用。
本报告通过大量的年费用计算，给出了本工程不同区段下，节能导线对普通钢芯铝绞线的相对经济性与相对价格倍数的关系图。
最后,结合优先推荐的铝合金芯铝绞线8×JL/LHA1-465/210,本报告以皖电东送铁塔为典型塔型，进行了塔头间隙、杆塔荷载校验，并给出杆塔验算的使用条件，为在1000kV线路中使用节能导线提供了支撑。
第一部分节能导线选型研究
1综述
1.1线路概况和系统条件
本工程起自淮南变电站,经南京变电站、泰州变电站、苏州变电站,止于上海（沪西）变电站，线路全长779.5km（可研长度，含淮河大跨越2。
61km、长江大跨越6.21km），全线同塔双回架设.线路途经安徽、江苏和上海三省市,其中安徽省境内路径长约179.7km，江苏省境内路径长约536。
3km，上海市境内路径长约63。
5km.
电力系统基本条件
系统额定电压：
1000千伏
系统最高运行电压：
1100千伏
系统输送功率（单回）:
3000MW～6000MW
其中各段初期输送功率预测如下:
淮南~南京4000MW,南京~泰州3000MW
泰州～苏州6000MW，苏州~沪西3000MW
N-1极限输送功率：
6000MW～12000MW
功率因数：
0。
95
最大负荷利用小时数：
取5000、5500小时。
1。
2节能导线应用背景
为实现可持续发展,履行国企社会责任,国网公司近年来积极推进“新材料、新技术和新工艺"
应用,建设环境友好和资源节约型电网。
节能导线作为输电线路最有效的节能降耗措施正在逐步推广，目前110~750kV等级的高压、超高压输电线路上有多项工程应用了各种节能导线,锡盟至南京特高压交流输电线路也局部试用了铝合金芯铝绞线。
为进一步推进节能导线在交流特高压线路中的应用,我院受国家电网公司交流建设部委托编制本报告，对在淮南～南京~上海1000kV特高压交流输电线路中应用节能导线进行技术经济分析，并对特高压典型设计（皖电东送杆塔施工图）与节能导线的配合使用进行校验。
1。
3工程环境条件
根据本工程可行性研究评审意见，设计气象条件见表1-1。
表1-1气象条件表
参数
气温（℃）
风速（m/s）
覆冰厚度（mm）
设计覆冰
—5
10
导线10、地线15
验算覆冰
-5
15
导线20、地线25
基本风速
—5
27/30/32
0
最高气温
40
0
0
最低气温
—20
0
0
平均气温
15
0
0
安装情况
-10
10
0
雷电过电压
15
10/15
0
操作过电压
15
15/18/20
0
带电作业
15
10
0
年平均雷暴日
40日
冰的比重
0。
9g/cm3
沿线各段气象、自然环境条件及路径情况组合如下表:
表1—2各段环境条件组合
区段
基本风速（m/s）
覆冰（mm）
地形
长度（km）
串型
耐张比例
（％）
输送功率（MW）
淮南—南京
27/30
10
平丘、
河网
少量低山
196.4
I
18
2×4000
南京-泰州
30
10
157。
5
I
16
2×3000
泰州—苏州
32
10
平地
河网
227.3
I
17
2×6000
32
10
127
V
27
苏州—上海
32
10
62
V
28
2×3000
注:
表中数据取自本工程可研评审意见，输送功率参考导线选型专题报告。
2节能导线型式选择
2.1新型节能导线介绍
在新建输电线路中,我国应用最为广泛的是钢芯铝绞线，多年的运行实践证明，钢芯铝绞线具有稳定的机械、电气性能，施工运行和维护方便，能够较好地适应我国大部分地区的条件和环境。
近年来，我国线缆行业发展较快,为达到增容、节能、改善弧垂特性和防振、防腐性能、降低噪声和电晕等目标，出现了各式各样的新型导线产品，其中很多导线都能达到节能的效果。
宽泛地说，只要在同等截面水平下，单位长度电阻低于常规钢芯铝绞线的导线，都可以称为节能导线。
这些新型导线主要通过三类技术原理来降低电阻损耗:
一是采用退火工艺处理的软铝代替电工硬铝,导电率可由61％IACS提高到63％IACS。
主要代表产品有钢芯软铝绞线、应力转移型特强钢芯软铝导线、复合芯软铝倍容量导线等。
二是采用具有一定强度和导电率的铝合金代替钢芯和部分乃至全部电工硬铝，在保证机械强度的同时，总的直流电阻可降低3％左右，并且没有钢芯的磁滞涡流损耗。
主要代表产品有铝合金芯铝绞线、中强度铝合金绞线以及正在研制中的高导电率中强度铝合金绞线等.
三是保持钢芯铝绞线的结构形式不变，通过材料和工艺手段提高硬铝的导电率，实现63%IACS的高导电硬铝.主要产品为高导电率钢芯铝绞线。
节能导线应满足以下几个条件，才适合在基建项目尤其是特高压线路中应用：
①导线价格与常规钢芯铝绞线持平或略高，不会造成基建投资的明显增加，且节约的电能可以在合理的时限内（如10年左右）补偿初投资的增加；②机械电气性能能够满足系统和环境要求，且便于施工和维护；③与通用设计的杆塔和金具尽可能匹配。
根据上述条件分析,软铝类节能导线价格过高，或是表面易损伤,对施工和运行要求较高，且力学性能与常规导线差异较大，与通用设计匹配度低，因此在特高压工程中不宜采用。
高导电率钢芯铝绞线、铝合金芯铝绞线以及中强度铝合金绞线等三种节能导线,从全寿命周期经济性、施工和运行方便性、通用设计匹配性三个方面都有良好表现.目前这三种节能导线均已实现成规模量产，并有在多条110kV~750kV高压和超高压线路实际工程应用的业绩。
其中铝合金芯铝绞线、中强度铝合金绞线已有上海中天、武汉电缆、杭州电缆、无锡远东、无锡华能、通光强能等企业生产；高导电率钢芯铝绞线已有无锡华能、无锡远东等企业产品通过鉴定.
根据向相关厂家和科研单位咨询，目前国内主要厂家节能导线的产能情况如下：
中强度铝合金绞线可年产4万吨，按照招标至供货半年时间计算，产能可满足约220km的8×630截面同塔双回特高压需求；铝合金芯铝绞线可年产12万吨，按照招标至供货半年时间计算，产能可满足约660km的8×630截面同塔双回特高压需求;高导电率钢芯铝绞线可年产5万吨，按照招标至供货半年时间计算，产能可满足约250km的8×630截面同塔双回特高压需求.
由上述分析可见，三种节能导线的产能均可满足新建特高压线路大规模使用的要求.其中铝合金芯铝绞线由于具备生产能力的厂家多，产能大，因此不仅可以大规模应用，且通过充分竞争可以得到最优价格.
2.2适合特高压线路应用的节能导线
2。
2.1高导电率钢芯铝绞线
铝的导电率除了与铝的状态（硬态、软态）外,与铝的纯度也相关。
根据相关研究，纯铝的极限导电率约为64％IACS，这也是目前大量使用牌号AL99.70％电工铝锭,以普通熔炼、轧制工艺生产的铝线导电率一直维持在61％IACS的主要原因.但99。
99％的高纯铝锭满足不了目前架空铝导线的市场需求，另外其价格、成本约是普通铝锭的150%左右，缺乏商业价值。
而软铝导线的强度和表面硬度等方面的缺陷，阻碍了其全面推广使用.
在常规钢芯铝绞线的基础上，通过从晶粒细化、铝线冷拉拔过程的低缺陷控制以及敏感元素的精确控制,在保障铝线强度满足国标规定的LY9硬铝线条件下，铝线导电率可以达到63％IACS.依此开发的高导电率钢芯铝绞线，承力构件采用镀锌钢线，导体采用导电率63％IACS（对应电阻率0。
027367Ω·mm2/m）的硬铝线型，可降低线路的电阻损耗，节能效益明显，而其结构、机械性能及施工条件与普通钢芯铝绞线完全一致。
63%IACS硬铝线
图2-1高导电率钢芯铝绞线结构图
此种导线的拉丝和绞合技术与普通导线无异,根据目前制造成本及合理利润测算,其价格约高出普通钢芯铝绞线5～10%。
2.2。
2铝合金芯铝绞线
铝合金芯铝绞线采用53%IACS的高强度铝镁硅铝合金替代普通钢芯铝绞线中的钢芯和部分铝线，导线外部铝线与普通钢芯铝绞线的铝线相同。
在等总截面应用条件下，基本无导电能力的9％IACS钢芯被铝合金芯替代，铝合金芯铝绞线的直流电阻比钢芯铝绞线小3％。
同时
铝合金芯铝绞线是铝基体材质,可避免由于磁滞损耗和涡流损耗带来的电能损失，对于输电线路的节能降耗具有积极的意义。
同时铝合金芯铝绞线的单一铝基体材质，没有多金属的电化学腐蚀，耐腐蚀与钢芯铝铰线相比有所提高。
图2—2铝合金芯铝绞线结构图
由于铝合金芯铝绞线单位长度质量轻，在满足与普通钢芯铝绞线相同载流量和对地高度的前提下，导线张力与垂直荷载可降低7～10％；另外铝合金芯铝绞线的单位重量价格约高出普通钢芯铝绞线11~18%，但该导线单位质量轻，其单位长度价格较普通钢芯铝绞线略高。
2.2.3中强度铝合金绞线
我国导线标准GB/T1179—2008《圆线同心绞架空导线》中的LHA1和LHA2为高强铝合金,导电率分别为52.5%IACS和53%IACS，与普通钢芯铝绞线的导电率61％IACS硬铝线LY9相比,相同导线截面时直流电阻要增大15％左右。
中强度铝合金绞线由于其在制造、设计、施工、运行等方面的诸多优点，已在世界上许多国家的输电线路上应用，特别是日本、美国、法国等一些发达国家，通过采用非热处理工艺生产的铝合金导电率可达58.5~59%IACS。
在国内，中强度铝合金绞线
全部采用58.5％IACS中强度铝合金材料，同样具有交流电阻小、耐腐蚀好等优点。
图2-3中强度铝合金绞线结构图
中强度铝合金绞线的单位重量价格大致高出普通钢芯铝绞线18—26％;由于其自重轻，单位长度价格较普通导线高出约6-13％。
2。
2。
4三种节能导线的适用条件
根据高压和超高压线路中节能导线应用经验总结，三种节能导线的总体特点和适用范围如下：
（1）高导电率钢芯铝绞线具有与普钢芯铝绞线相同的机械特性，设计、施工中无需任何特殊考虑；
（2）铝合金芯铝绞线以及中强度铝合金绞线的弧垂特性和水平、垂直荷载稍优于普通钢芯铝绞线，但风偏角也略大,如直接采用特高压典型塔时，需注意验算塔头间隙;
（3）中强度铝合金绞线拉断力较高,具有较好的弧垂特性和过载覆冰能力，直线塔的数量可减少或呼高降低，转角塔的荷载大，在转角比例高的线路中其经济性会降低。
如果放松张力使用，又会牺牲其弧垂特性。
三种节能导线在大多数工程中完全可以相互替代，不过三者由于各自的机电特性的差异，在工程适用性上还是有一些侧重的。
（1）
线路有较高的防腐要求，对导线价格比较敏感，交流输送功率大、利用小时数高时，建议优先选用铝合金芯铝绞线，充分利用其防腐性能好、本体指标低、电阻低的优势；
（2）线路防腐和防振要求高，运行条件较差,大高差大档距较多,路径顺直,耐张塔比例低、交跨物少时，建议优先选用中强度铝合金绞线,充分利用其防腐防振性能和弧垂特性好的优势;
（3）无其它特殊技术要求，希望直接应用通用设计杆塔和金具,提高设计施工效率,避免验算和修改时，可优先采用高导电率钢芯铝绞线.
2。
3节能导线的参数和标准
2。
3。
1单丝材质性能和相关标准
三种节能导线以及普通钢芯铝绞线加强芯和导体所采用单丝主要性能对比如下表：
表2—1三种节能导线与钢芯铝绞线的单丝材质和参数对比
材质型号
/性能
镀锌钢丝
G1A
高强度铝合金
中强度
铝合金
LHA3
电工硬铝
LY9
高导电
率硬铝
LY9（GD）
LHA1
LHA2
抗拉强度（MPa）（<3.5mm）
1290～
1340
325
295
250
165～200
165~200
抗拉强度（MPa）（>3。
5mm）
1290
315
295
240
160
160
最小延伸率（250mm）%
3.0～4.0
3.0
3。
5
3.5
*（2。
0）
1。
5~2.0
1.5~2.0
导电率（IACS%）
9
52.5
53。
0
58.5
61
63
密度（t/m3）
7。
78
2。
703
2。
703
2.703
2.703
2.703
线膨胀系数（10—6/℃）
11.5
23
23
23
23
23
电阻温度系数（1/℃）
0。
0036
0.0036
0。
0038
0。
00403
0。
00416
执行的标准
GB/T
3428-2002
GB/T
23308-2009
国网企标（报批稿）
GB/T
17048—009
Q/GDW
632-2011
注:
＊（）内为非热处理工艺产品延伸率
2。
3。
2绞线参数和相关标准
各类节能导线所遵照的标准，除国标《圆线同心绞架空导线》（GB/T1179—2008）外，各厂家也有自己的企业标准，大多与GB/T1179—83的钢芯铝绞线规格对应等截面。
为统一规格参数、便于统一平台比较和招标，国家电网发布和在编一系列节能导线标准，包括：
《高导电率钢芯铝绞线》（Q/GDW632-2011）、《铝合金芯高导铝绞线》（国网企标报批稿）和《中强度铝合金绞线》（国网企标报批稿）。
本次报告均采用了上述国网企标的规格参数。
为与本工程可研评审意见确定的8×JL/G1A—630/45钢芯铝绞线匹配，选择了3种等截面的节能导线与钢芯铝绞线进行比较，分别为:
高导电率钢芯铝绞线JL（GD）/G1A-630/45、铝合金芯铝绞线JL/LHA1—465/210和中强度铝合金绞线JLHA3-675，各种导线的主要技术参数列入表2-2.需要指出的是，考虑到上述国网企标尚未完全发布，并且照顾阅读习惯的考虑，本报告所用导线型号命名与国网企标有一定差异，表2—2给出了对照关系。
表2—2导线型号及技术参数表
导线型号
JL/G1A
-630/45
JL（GD）/G1A
—630/45
JL/LHA1
—465/210
JLHA3
-675
国网企标对应型号
JL4/G1A
—630/45
JL1/LHA1
-465/210
JLHA3
-675
根×直径（mm）
钢（铝合金）
7×2。
81
7×2.81
19×3。
75
铝（铝合金）
45×4。
22
45×4。
22
42×3.75
61×3.75
截面积（mm2）
钢（铝包钢）/铝（铝合金）
43。
6/630
43.41/629.4
0/673。
73
0/673.73
总截面
674
672。
81
673。
73
673。
73
铝钢截面比
14.4
14。
5
直径（mm）
33。
75
33.75
33.75
33。
75
单位质量（kg/km）
2079.2
2078.4
1864.2
1864。
3
计算拉断力（N）
150450
150190
137020
161700
20℃直流电阻（Ω/km）
0.0459
0.0445
0.0445
0。
0448
执行的标准
GB/T
1179—2008
Q/GDW
632—2011
国网企标（报批稿）
国网企标（报批稿）
注：
根据目前导线制造工艺水平，表中JL/LHA1-465/210的直流电阻值按照JL/LHA2-465/210取。
3导线机电特性
3.1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。
随着高温弧垂的减小，施放档距将增加，理想情况下杆塔数量可减少。
各导线40℃弧垂、施放档距及杆塔数量的计算结果见表3-1。
表3—1各导线40℃弧垂、施放档距及杆塔数量
导线型号
JL/G1A
JL（GD）/G1A
JL/LHA1
8×JLHA3
8×JLHA3
-630/45
-630/45
—465/210
—675
—675
（正常）
（放松）
40℃弧垂
（Ldb=400m）
弧垂（m）
12.53
12.59
12。
74
10。
81
12。
74
差值（m）
0（基准）
0。
06
0.21
—1.73
0.21
40℃弧垂
（Ldb=500m）
弧垂（m）
19.03
19。
12
19.42
16。
47
19。
42
差值（m）
0（基准）
0.10
0。
39
-2。
55
0。
39
40℃弧垂
（Ldb=600m）
弧垂（m）
26.92
27.06
27.54
23。
37
27.54
差值（m）
0（基准）
0.14
0。
62
-3。
55
0。
62
施放档距
档距（m）
531。
50
531。
20
497。
12
539.70
497.19
（呼高51m）
百分比（%）
100（基准）
99.94
93.53
101.54
93。
54
杆塔数量百分比（％）
100（基准）
100。
06
106.92
98.48
106.90
注：
上表最后一列数据为JLHA3—675放松至与JL/LHA1—465/210相当水平的值，下同.
4种导线中，钢芯铝绞线JL/G1A—630/45与高导电率钢芯铝绞线JL（GD）/G1A—630/45弧垂特性基本相同。
铝合金芯铝绞线JL/LHA1-465/210弧垂特性略差,小档距下基本可以忽略，但在大档距条件下，铝合金芯铝绞线相对于普通导线体现出一定的劣势。
中强度铝合金绞线JLHA3—675正常使用时弧垂特性最好，大档距条件下优势更明显，理想条件下平均档距500m时可降低直线塔呼高约2.5m。
该导线放松使用时弧垂特性与铝合金芯铝绞线基本一致。
3。
2导线过载能力
计算覆冰过载能力时，弧垂最低点的最大张力不超过额定拉断力的60％，悬挂点的最大张力不超过额定拉断力的66%.其验算的基本气象条件为：
气温-5℃、风速10m/s.各导线过载能力见表3-2。
表3-2导线过载冰厚比较表
导线型号
8×JL/G1A
-630/45
8×JL（GD）/
G1A—630/45
8×JL/LHA1
—465/210
8×JLHA3
—675
（正常）
8×JLHA3
—675
（放松）
过载
覆冰
能力
（mm）
Ld=300m
25。
39
25。
39
24。
02
27。
17
30。
69
Ld=400m
22.98
23。
01
21。
96
23。
71
27。
68
Ld=500m
21。
74
21.77
20.90
22.11
26.07
Ld=600m
21。
01
21.05
20.29
21。
17
25。
13
从上表可看出，由于中强度铝合金绞线JLHA3—675导线单位重量轻、强度高，因此覆冰过载能力最强,放松使用时的过载冰厚达到25mm以上,已经能满足15mm中冰区的使用要求。
铝合金芯铝绞线JL/LHA1—465/210的覆冰过载能力稍差，钢芯铝绞线JL/G1A-630/45和高导电率钢芯铝绞线JL（GD）/G1A—630/45覆冰过载能力居中,均能满足10mm轻冰区要求，故表中4种导线均能满足本工程覆冰过载的要求，且有一定裕度.
3。
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。
导线耐张串安全系数见表3-3。
表3—3耐张串安全系数表（Ldb=300~600m）
导线结构
挂点张力（kN）
安全系数
耐张串
强度取
值（kN）
覆冰
工况
常年
荷载
断联
覆冰
工况
常年
荷载
断联
8×JL/G1A-630/45
56972
35732
56590
3.29
5。
25
2.21
3×550
8×JL（GD）/G1A-630/45
56804
35670
56425
3.30
5.26
2。
22
3×550
8×JL/LHA1-465/210
52068
31599
51719
2.75
4。
53
1.85
3×420
8×JLHA3—675（正常）
61442
38401
61081
3。
05
4.88
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