导线选型专题

PAGE导线选型专题1目录1前言 3-12导线经济技术比较 3-12.1按经济电流密度选择 3-12.2导线机械物理特性比较 3-22.3导线的载流量及输送容量 3-42.4高温时的弧垂特性 3-52.5极大档距 3-62.6杆塔荷载的影响 3-62.7耐振疲劳性能 3-82.8电阻损耗、涡流和磁滞损耗 3-82.9节能效益 3-92.10导线投资差价 3-92.11导线方案寿命周期费用分析 3-103结论 3-121前言输电线路导线的选择是高压输电技术的重要课题，线路的输送容量、传输性能、环境影响问题对输电线路的技术经济指标都有很大的影响。本专题主要从导线的电气特性、机械特性和投资分析三个方面对各种导线截面进行技术经济比较，特别在导线选型造价分析中按全寿命周期费用最小为原则分析比较，而不是只考虑基建初投资，这样可以全面考核各导线方案的技术经济性，最后推荐出在技术和经济上最优的导线型号及截面。导线在线路建设投资中所占的比例较大，110kV线路一般要占工程本体投资的30%左右，且它也影响到铁塔荷载的大小和铁塔高度、地线支架高度的选择，如果再考虑因导线方案变化而相应造成的杆塔工程量和基础工程量的变化，其对整个工程的造价影响极其巨大。合理选择导线截面是安全运行和降低建设投资的关键问题之一。因此，认真按全寿命周期费用最小为原则选择导线结构，对降低输电线路投资具有重要的意义。导线作为输电线路最主要的部件之一，其作用就是除了要满足线路的主要功能电能输送外，还要满足安全可靠、保护环境，并且在技术上、经济上是合理的，因此现行的有关规程中均对导线在电气和机械两方面都提出了严格的要求。在导线截面的选取中，要充分考虑导线的电气和机械特性。2导线经济技术比较2.1按经济电流密度选择根据大田110kV电网，大田太华变远期主变容量为3×31.5MVA，两回110kV进线,根据《城市电力网规划设计导则》电网供电安全采用N-1准则，正常运行状态，主变最高负载率（2台主变，取67％）要求每回线路输送电流为222A,按现行规范中的经济电流密度(计算取经济电流密度J=1.15A/mm2)选择导线截面：式中：S——导线截面(mm2)；P——送电容量(kW)；Ue——线路额定电压(kV)；J——经济电流密度(A/mm2)；——功率因数经计算满足经济输送的导线截面193mm2即可。综合考虑到电网规划及发展趋势，主变过载率往往＞1.0,最高为1.3,导线截面选择240mm2系列相对合适。2.2导线机械物理特性比较在满足导线输送总截面的前提下，并充分考虑当今电网发展趋势适当预留裕度，据咨询厂家和查找资料,本设计方案选择了三种截面积在240mm2左右的导线线型进行对比论证:①稀土钢芯铝绞线：LGJX-240/30(GB1179-83)其特点:钢芯铝绞线是在输电线路中采用最广泛的线型，其制造、施工、运行等均有大量的成熟经验。稀土钢芯铝绞线是在原钢芯铝绞线基础上加上少量稀土元素，在力学和结构参数、机电特性方面与同型号的钢芯铝绞线相当，故不必新设计杆塔、缩小使用档距；价格则与同型号的钢芯铝绞线“等长同价”，实验证明，稀土铝导线比钢芯铝导线的电阻降低约2.5%，抗拉强度提高1%-3%，耐腐蚀性能提高20%以上，总工程造价基本不增加。当前已在架空线路中普遍使用。②铝包钢芯铝绞线:JL/LB20A-240/30(Q/XHA002-2000)由于在高强钢丝外包覆一层较厚的铝层，因而基本上不用担心钢芯锈蚀的问题，同时与外层铝绞线接触的是同样的铝材，避免了锌、铝之间的电耦腐蚀和缝隙腐蚀，大大地延长了导线的寿命。包覆的铝使导线的电阻有所降低，线损有所减少。尽管铝包钢丝的单价高于镀锌钢丝的价格，单位重量的铝包钢芯铝绞线的价格高于钢芯铝绞线的价格，因电阻下降、线损减少，在全寿命周期内可带来一定的经济效益。③铝合金绞线：LHBJ-240(GB9392-88)其特点:1）铝合金绞线比钢芯铝绞线的拉重比大，因而其弧垂性能好，可减小线路杆塔使用高度，降低杆塔耗钢量。2）铝合金绞线超负荷输送电流的能力比钢芯铝绞线强，有资料表明，铝合金单丝在100℃经历500小时，抗拉强度损失下降不到5%；3）对大气腐蚀具有抵抗能力，且避免了铝股线与钢线的电化等腐蚀，特别在污秽严重地区，其突出的抗腐蚀能力，能够加长导线的运行使用寿命。4）铝合金的布氏硬度约为85，是铝线的2倍左右，但重量比钢芯铝绞线轻，可减少施放过程中导线表面的擦伤、磨损，特别适用于山区树木较多线路；对压缩型接续不易产生导线的鼓包或灯笼现象。铝合金绞线的单丝材质是均匀的，接头简单，导线截面上应力分布均匀，温度变化时单线的应力变化范围小。5）在相同导线截面时，虽然铝合金铰线的直流电阻比钢芯铝绞线高约15%。但由于钢芯铝绞线要产生磁滞及涡流损失，所以铝合金绞线总的电能损失较少，并且铝合金绞线长期在工作温度下使用，有资料表明其电阻率可下降2%至5%，电损逐步有所减少。表1三种导线的技术参数表导线型号项目稀土钢芯铝绞线铝包钢芯铝绞线铝合金绞线LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240股数×直径(mm)钢7×2.407×2.40铝(铝合金)24×3.6024×3.6019×4.01截面(mm2)铝截面244.29244.29239.96钢截面31.6731.670总截面275.96275.96239.96直径(mm)21.6021.6020.05弹性系数(N/mm2)730006900056000温度线膨胀系数(1/℃)19.60E-620.60E-623.00E-6计算重量(kg/km)922.20883.70659.60计算拉断力(kN)75.6277.0967.0220℃直流电阻(Ω/km)0.11810.11310.13917最大使用应力(N/mm2)104.10106.15106.13新线系数0.950.950.95安全系数2.52.52.5平均运行应力(N/mm2)65.0666.3466.33单价(元/吨)140001600021000注：导线单价系2009年7月咨询多个厂家得来。2.3导线的载流量及输送容量按照电力行业标准Q/GDW/179-2008《110～750kV架空送电线路设计技术规程》新规范条文,本设计方案3种参选导线分别计算了+70℃和+80℃两种允许温度下的载流量及输送容量，其中环境温度25℃，导体表面吸热系数αs=0.85，辐射散热系数或黑度系数ε=0.4,集肤效应系数为0.0025,风速取0.5m/s，日照强度qs(取1000W/m2)。计算结果见下表。表2导线载流量及输送容量表导线型号项目稀土钢芯铝绞线铝包钢芯铝绞线铝合金绞线LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240+70℃线温时载流量(A)585.92598.73530.43输送容量(MVA)111114101+80℃线温时载流量(A)652.72667.02590.38输送容量(MVA)124127112从表可知，3种参选导线在+70℃和+80℃两种允许温度下的载流量及输送容量均能满足系统要求，并留有裕度。2.4高温时的弧垂特性根据导线主要特性参数，经计算LGJX-240/30和JL/LB20A-240/30导线在档距0~1000m均由年平控制。LHBJ-240导线在档距0~718m均由年平控制，大于718m由大风控制。弧垂特征如下表。表3高温时的弧垂特征(L0为代表档距)表导线型号项目稀土钢芯铝绞线铝包钢芯铝绞线铝合金绞线LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240高温40℃弧垂(m)L0=3006.65(100%,0)6.36(95.63%,-0.29)5.70(85.71%,-0.95)L0=40011.21(100%,0)10.69(95.36%,-0.52)9.51(84.83%,-1.70)L0=50016.98(100%,0)16.14(95.05%,-0.84)14.27(84.40%,-2.71)L0=60023.99(100%,0)22.74(94.79%,-1.25)19.99(83.33%,-4.00)注：括号内数据为以LGJX-240/30导线的弧垂为100%时的百分数及差值。从表数据可知，LHBJ-240导线弧垂特性最好，在不同档距时，弧垂为LGJX-240/30的85%左右；JL/LB20A-240/30次之95%左右；LGJX-240/30则最差。依次推算在杆塔使用档距越大,采用LHBJ-240导线弧垂特性优势越明显,相同使用档距,采用LHBJ-240导线杆塔呼高亦可相应降低(加权平均估值为2m),塔重减少技术经济估算时取6.5%。从另一方面讲，在采用相同呼高杆塔时，由于导线弧垂相对减少15%，间接提高了杆塔使用高度,对树木的安全净空距离加大，风偏距离控制范围将减小，这样一来可以大大减少树木砍伐量，实现资源节约，环境友好的设计理念。2.5极大档距在线路设计中的一般档距上,导线在最低点的应力为破坏应力的40%时,皆能保持悬挂点应力不超过破坏应力的44%，由此得出该导线的使用的极大档距。表4极大档距Lom=0.8871365σm/γ7导线型号LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240极大档距(m)141214361496由表4可知，LHBJ-240导线的极大档距比LGJX-240/30增加，多84m。2.6杆塔荷载的影响表5导线对杆塔荷载的影响表导线型号LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240水平荷载(风压)100%100%93%垂直荷载(自重)100%95.83%84%纵向张力(张力)100%101.94%89%从表可知，水平荷载JL/LB20A-240/30和LGJX-240/30一致，LHBJ-240最小。垂直荷载LHBJ-240为LGJX-240/30的84%左右；JL/LB20A-240/30次之95%左右；LGJX-240/30则最差。纵向张力则相差较大，LHBJ-240为LGJX-240/30的89%左右；JL/LB20A-240/30和LGJX-240/30相差不大。综上所述，对于同一使用条件的塔型,采用LHBJ-240导线相对LGJX-240/30，由于导线外径更小，重量轻和计算拉断力小，对杆塔荷载将减少，杆塔构件可以优化，相应杆塔的塔重也可减少,相应基础的混凝土用量及土方开挖量减少,降低工程造价,减少对环境影响。对于耐张塔来说，有三个方面的因素引起塔重变化：1）因导线纵向张力减小11%，耐张塔塔重将有所减少。根据承力塔塔重估算公式：W=K*M+A(式中W为塔重，K为常数，M为总弯矩，A为支撑自身荷载所需的塔重，约占总塔重的20%～25%),在纵向张力减小11%时，可以估算出承力塔塔重相应减少约3.3%～3.6%，技术经济估算时取3.5%。2）耐张塔的风荷载只影响塔重的一小部分，不同转角度数下该部分的比例不一。一般来说，转角度数越小，这种影响越大，经加权平均后约为30%。且一般情况下现场转角度数和使用条件之间均有一定得裕度，折减角度后对塔重的影响很小。经估算，塔重约需减少2.4%。3）导线作用于耐张塔的垂直荷载只占杆塔荷载很小的部分，经估算，塔重约需减少1.3%。经估算，以上三项引起的耐张塔总塔重减少在7.3%左右。对于直线塔来说，也同样存在几个方面的影响因素：1）对于同一使用条件的塔型，因LHBJ-240线径比LGJX-240/30略细，造成风荷载稍小（小2%）引起塔重减少。2）不平衡张力的增大也将引起直线塔塔重变化。但这种因素对塔重的影响较小，可忽略不计。3）导线作用于直线塔的垂直荷载同样只占杆塔荷载很小的部分，经估算，塔重约需减少1.3%。经估算，单基直线塔总重量减少量在2.8％左右。结合本工程沿线地形、地貌，排杆定位结果,耐张塔、直线塔分别约占杆塔总数的30%和70%，加权平均后塔重可减少4.15%。2.7耐振疲劳性能导线的耐振疲劳性能，主要取决于线材疲劳特性、导线的静态应力、动态应力等。铝合金单丝的抗拉强度及伸长率都等于铝单丝的2倍左右，铝丝的疲劳强度约为59Mpa，而铝合金丝为93-118Mpa。将单丝绞制成架空导线后，其疲劳约降低到单丝的60％以下，导线安装入悬垂线夹后，其疲劳强度进一步下降。处于悬垂线夹重运行的导线受力情况非常复杂，只有通过疲劳强度试验才能准确得到其实际疲劳强度，但由于铝合金单丝的疲劳强度比铝单丝高得多，故运行中的铝合金导线的疲劳强度应高于普通钢芯铝绞线的疲劳强度。铝合金绞线的耐振性能会更好。2.8电阻损耗、涡流和磁滞损耗钢芯铝绞线在交流电压的作用下，除了由直流电阻引起的功率损耗外，还有钢芯引起的磁滞损耗和涡流损耗。铝包钢芯铝绞线由于在高强钢丝外包覆一层较厚的铝层，因而基本上不用担心钢芯锈蚀的问题，同时与外层铝绞线接触的是同样的铝材，包覆的铝使导线的电阻有所降低，线损有所减少。虽然铝合金线的直流电阻比钢芯铝绞线高约15%，但由于采用统一材质，不存在钢芯产生磁滞及涡流损失，实验结果平均减少能耗3.5%。2.9节能效益计算正常运行状态，通过额定电流时时，3种参选导线节电效益。表6铝合金导线的节能效益表导线型号项目LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHJ-24020℃直流电阻(Ω/km)0.11810.11310.13917通过额定电流时交流电阻(Ω/km)0.17900.17180.1667单位长度电阻损耗(kW/km)154.29152.27148.89年节能(kWh/km)3000h06540162004000h08100216005000h0966027000年节能效益(万元/km)(电价取0.4元/kWh)3000h00.2620.6484000h00.3240.8645000h00.3861.080从表可知:采用LHBJ-240导线节能效果最好。2.10导线投资差价导线投资差价如下表7：（全线按单回路考虑）导线型号LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240单位长度质量（t/km）0.9222(100%)0.8837(95.8)0.6596(71.5%)单价（万元/t）1.40(100%)1.60(114%)2.10(150%)导线用量(t/km)2.77（100%）2.65（95.7%）1.98(71.5%)每km线路导线投资偏差(万元/km)0+0.362(+9.3%)+0.28(+7%)从上表7可知，三种导线的费用投资均相差不大，现阶段由于铝合金绞线越来越受到青睐，导线价格逐步降低，因此，使用LHBJ-240导线是合理可行的。2.11导线全寿命周期费用分析全寿命周期费用分析，就是从长远和全面的观点出发，对产品整个使用寿命中所发生的全部费用进行综合分析，而不是只考虑某一阶段所发生的费用。这样，可以全面考核各产品或各技术方案的经济性，以避免因小失大。目前，我国电力建设采用的是工程造价管理模式，是以定额为计价基础的全过程工程造价管理模式，随着经济的发展，从全过程工程造价管理向全寿命周期工程造价管理转变是十分必要的。线路工程全寿命周期管理目标的核心是要从工程项目全寿命周期出发，要考虑设计标准、工程设计、工程施工、运行维护各阶段的投入和损耗，研究最终成本，实现工程项目整个寿命周期总成本的最小化。经济比较采用“年费用最小法”，本设计方案线路LCC计算模型：LCC=IC+OC+FC+TC+DC由上式可知，LCC费用组成可分解为：IC——一次投资成本（InvestmentCosts）OC——运行成本(OperationCosts)FC——中断供电损失(FailureCosts)TC——维护成本(TimeCosts)DC——报废成本(DiscardCosts)方案基于全寿命周期成本:P=A[(1+0.0594)30-1]/0.0612(1+0.0612)30进行简化计算，仅考虑贴现率的影响因素，其他影响成本的因素暂不考虑。导线型号对工程造价影响主要体现在导线、塔材及电能损耗。各种导线的年运行费用、差值及总投资如表所示，投资回收率按5.94%，工程建设期按1年，使用寿命按30年，最大损耗小时数按4000h，电价取0.4元/kWh。本设计方案推荐导线（LHBJ-240）对比可研推荐导线（LGJX-240/30）相关经济指标比较，如下表8：项目本设计方案推荐导线（LHBJ-240）合计节约投资成本IC1.导线全线按单回路考虑,长度为28.8km导线费用增加0.86万元(0.28万元/km×28.8km=8.06万元)2.塔材1.弧垂减小引起塔高降低,塔重减少6.5%2.导线对杆塔荷载的影响因素引起塔重减少4.15%注:套用国网典设塔材耗用指标:10.92t/km，塔材0.92万元/t(6.5%+4.15%)×10.92t