考虑节能导线的500 k V输电线路全寿命周期成本评估

张宇娇 孙晓彤 王 杰 裴凯胜 相 瑶 邓钰科

(1.三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002；2.合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 合肥

230009；3.国网湖北送变电工程有限公司， 武汉 430061；4.广东电网有限责任公司 东莞供电局， 广东 东莞523000；5.国网沧州供电公司， 河北 沧州 061000)

随着绿色经济理念的提出及其发展，电力行业成为国家节能减排的重点对象[1]，如何在保证用户供电需求的前提下减少输电线路的电能损耗，降低发电所造成的温室气体排放量，成为电力行业热点问题，节能导线应运而生.自1980年初期以来，我国开始导线降损研究，近年来，“两型三新”在电网建设中的优势愈发明显，对比传统输电线路，“两型三新”线路在保证电网安全可靠运行的同时，节省了线路走廊、提高输电容量，进一步降低了电网运行的经济成本，加强了对环境的保护，推广节能导线应用势在必行[2].文献[3]虽然对导线性能进行对比，但未在经济性计算中体现，仅考虑了导线单价的影响；文献[4-5]在运行损耗成本计算中仅考虑电阻损耗，电晕损耗被忽略；文献[6]忽略了风偏角对杆塔塔头尺寸的影响.导线性能是全寿命周期成本的直接影响因素，需进一步计算分析.本文引入全寿命周期理论，针对500 k V线路，着重考虑导线性能，即弧垂、风偏、电阻损耗、电晕损耗对一次投资成本和运行损耗成本的影响，将线路经济使用年限内的全寿命周期成本作为评估标准，选出经济效益最优的节能导线.

1 节能导线类型

节能导线是指在等截面的情况下，比常规钢芯铝绞线直流电阻小的导线[7]，主要包括钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯高导电率铝绞线以及中强度铝合金绞线，其导线结构如图1所示.

图1 导线结构图

钢芯高导电率铝绞线结构与常规钢芯铝绞线完全相同，仅外层铝线的材料有所区别.外层铝线为高导电率硬铝，经退火工艺加工后，铝绞线的导电率由61%IACS提高至63%IACS，使得导线整体直流电阻减小，达到节能的目的.

铝合金芯铝绞线，内层为高强度铝合金芯，其导电率也可达53%IACS，既承担拉力又可传输部分电流，增加导电面积，外层铝线为导电率63%IACS的高导电率硬铝，导线的导电率和载流面积同时得到提升.中强度铝合金绞线为单一材料导线，由多根中强度铝合金线绞合而成，其导电率均为58.5%IACS，在直流电阻降低的同时将抗拉强度提升230～295 MPa，弧垂低且具有良好的载流传输性能.中强度铝合金绞线的直流电阻在3种节能导线中处于最低水平，节能降耗量尤为明显.

2 输电线路全寿命周期成本

输电线路的全寿命周期成本(LCC)主要由一次投资成本(IC)、运行维护成本(MC)、运行损耗成本(OC)、故障引起的中断供电损失成本(FC)、报废成本(DC)构成[8-9].

图2 导线全寿命周期成本结构

一次投资成本(IC)是指线路建设时期一次性投入的成本，主要包括导线投资和杆塔及基础投资，受导线机械性能影响[6].

式中，IC1、IC2分别为导线投资和杆塔及基础投资成本.

运行维护成本(MC)指线路运行期间的日常维护和计划检修成本，通常用一次投资成本的百分比形式来表示，与一次投资成本直接相关.

式中，μ为设备运行维护费率，通常取1.4%.

运行损耗成本(OC)即线路运行过程中产生的能耗成本，包括电晕损耗成本和电阻损耗成本，主要受导线电气性能的影响.

式中，ΔLS为电晕损耗(k W·h/km)；ΔLR为电阻损耗(k W·h/km)；P为电价(元/(k W·h)).

中断供电损失成本(FC)即线路因发生故障而造成的自身经济损失及社会经济损失.

报废成本(DC)是指线路到达其经济使用年限后，清理、回收、拆除线路中各个设备所需要的费用之和，其值可为正、负、零.这一部分的计算通常以历史回收数据为参考进行估算.

对于同一线路，其中断供电损失成本相同，对全寿命周期成本比较无影响，因此在导线全寿命周期成本评估中忽略中断供电损失成本的计算，重点考虑一次投资成本、运行维护成本、运行损耗成本和报废成本.同时，全寿命周期成本中的一次投资成本、运行损耗成本因导线的机械性能和电气性能的不同而不同，因此，对导线性能进行分析十分必要.

3 输电线路全寿命周期成本影响因素

为比较采用不同节能导线的输电线路全寿命周期成本，需对差异部分进行分析，确定全寿命周期成本影响因素.

3.1 一次投资成本影响因素

一次投资成本包括导线投资、杆塔及基础投资.其中，导线弧垂大小直接决定杆塔呼称高度进而影响杆塔投资，同时弧垂与档内线长呈正相关，从而决定导线投资.导线在风荷载的作用下发生偏摆，使导线对杆塔或线路周围树木的电气距离减小，因此杆塔塔头间隙主要由风偏角影响[5，10].风偏过大时，为保证线路安全运行，需适当增加塔头尺寸，进而影响线路的杆塔及基础投资.因此，需对3种节能导线的弧垂、风偏角进行分析.3.1.1 导线弧垂

导线弧垂主要受导线的自重、铝钢截面比和计算拉断力等要素影响.架空线上荷载主要由自重、冰重和风荷载组成，且通常为不均匀荷载.为简化计算，假设荷载均匀分布[11].

导线的应力随气象条件的变化而变化.控制气象条件是使导线的应力最大的气象条件，且不同档距下的控制气象条件不同.通过式(4)计算临界档距判别各档距范围内的控制气象条件.

式中，l ij为临界档距(m)；[σ0]i、[σ0]j为第Ⅰ、Ⅱ状态下架空线的许用应力(MPa)；t i、t j分别为第Ⅰ、Ⅱ状态下架空线的温度(℃)；γi、γj分别为第Ⅰ、Ⅱ状态下架空线的比载[N/(m·mm2)]；α为架空线的温度膨胀系数(1/℃)；E为架空线的弹性系数(MPa).

以各档距范围的控制气象条件为已知条件，以各气象条件为待求条件，利用状态方程式(5)和弧垂平抛物线公式(6)求得各气象条件下的应力和弧垂，得到导线的弧垂特性曲线.

式中，σ01、σ02分别为两种状态下架空线弧垂最低点应力(MPa)；γ1、γ2分别为两种状态下架空线的比载[N/(m·mm2)]；t1、t2分别为两种状态下架空线的温度(℃)；l为该档的档距(m)；α为架空线的温度膨胀系数(1/℃)；E为架空线的弹性系数(MPa).

式中，fm为架空线最大弧垂(m)；f1/2为档距中点处架空线弧垂(m)；σ0为架空线弧垂最低点应力(MPa)；γ为架空线比载[N/(m·mm2)]；l为档距(m).

3.1.2 导线风偏

导线受风力作用会偏离其垂直位置，使导线的线间距离或导线对杆塔及周围物体的电气距离减小，易产生放电.因此导线风偏直接关系到线路运行安全，决定杆塔塔头尺寸.

导线风偏角按以下公式计算[12]

式中，g1、g4分别为导线自重比载和无冰风压比载.

3.2 运行损耗成本影响因素

运行损耗成本即电晕电阻损失成本，与电阻损耗和电晕损耗直接相关，需对其进行分析.3.2.1 电阻损耗

电阻损耗指交流电阻损耗，由趋肤效应、铁损和直流电阻共同产生[13].

根据《110～750k V架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)规定，电阻损耗的计算公式为

式中，Q为电阻损耗能量(k W·h)；I为负荷电流(A)；τ为线路损耗小时数(h)；R为线路交流电阻(Ω).

交流电阻值根据交直流电阻比k确定其中，k1为趋肤效应系数，k2为铁损效应系数，趋肤效应系数和铁损效应系数的计算方法可参照日本颁布的标准“裸线载流量计算方法”(JCS0374：2003)，具体公式如下：

式中，x，y为常数，其取值见表1.

表1 趋肤效应系数与铁损效应系数中常数取值表

3.2.2 电晕损耗

电晕损耗是指导线表面电场强度超过一定临界值时，导线周围空气在电场作用下电离发生电晕放电所造成的能量损失，其主要与导线表面电场强度有关.三相线路的年平均电晕功率损耗为三相导线在各种天气状况(好天气、雨天、雪天、雾凇天)下的功率损耗之和[14].

式中，Pt为平均年三相功率损失(W/m)；Em1、Em2、Em3为三相导线表面电场强度(MV/m)；

对于500 k V输电线路，临界电场强度的计算公式[14]为

式中，Em0为临界电场强度(MV/m)；m为导线表面系数，绞线一般取0.82；δ为相对空气密度，δ=289×

导线表面电场强度采用有限元仿真进行计算.

4 算 例

为对比3种节能导线经济性，选取500 k V线路常用截面积为675 mm2的4种导线，导线技术参数见表2，在湖北地区典型气象条件下进行计算，气象条件见表3.

表2 导线型号及技术参数表

表3 气象条件表

4.1 导线性能比较

导线性能直接影响线路的一次投资成本和运行损耗成本，对导线性能分析，进而确定全寿命周期成本计算中的有关参数.

4.1.1 导线弧垂

计算所选钢芯铝绞线及与其等截面的3种节能导线在最高气温下的弧垂，计算结果如图3所示.

图3 导线弧垂比较图

由此可以看出，与常规钢芯铝绞线相比，钢芯高导电率铝绞线的弧垂特性与其相同，铝合金芯铝绞线的弧垂较小但相差不大，可直接采用钢芯铝绞线所用杆塔.中强度铝合金绞线的弧垂明显小于钢芯铝绞线，降低相应杆塔呼高，进而降低杆塔及基础投资.

4.1.2 风偏角

计算大风工况下的导线风偏角，见表4.

表4 风偏角度表

钢芯高导电率铝绞线的风偏角与钢芯铝绞线相同，塔头尺寸相同；由于铝合金芯铝绞线和中强度铝合金绞线的质量较轻，其导线风偏角大于常规钢芯铝绞线，应适当增加杆塔塔头尺寸，保证线路安全稳定运行，杆塔投资有所增加.

4.1.3 电阻损耗

计算电阻损耗时，应考虑导线发热升温后的电阻变化，其中环境温度按当地年均气温计算，损耗小时数取3 200 h，导线运行温度及电阻损耗见表5.

表5 电阻损耗表

3种节能导线的电阻损耗均小于常规钢芯铝绞线，具有良好的节能效果，从而节约线路运行成本.

4.1.4 电晕损耗

线路沿线各种气象条件小时数见表6.

表6 气象条件小时数表

采用有限元数值计算方法对导线表面电场强度进行仿真计算，结果如图4所示.

导线为4分裂导线，分裂间距为400 mm，计算导线的临界电场强度，得到表面电场强度与临界电场强度的比值Em/Em0.根据电场强度比值与气象条件小时数，运用式(12)计算得到线路年均电晕损耗值，计算结果见表7.

图4 导线表面电场强度

表7 电晕损耗表

4.2 输电线路全寿命周期成本评估

4.2.1 一次投资成本比较

一次投资成本即线路的本体投资成本，主要由导线和杆塔购买成本及安装成本组成.根据目前市场报价，计算所用导线的每千米投资成本[15-16].钢芯高导电率铝绞线的机械性能与常规钢芯铝绞线相同，不影响杆塔及基础投资；综合考虑导线弧垂和风偏的影响，铝合金芯铝绞线和中强度铝合金绞线的杆塔和基础投资需在钢芯铝绞线的基础上有所增加[16]，杆塔投资分别增加3%和2.5%，基础投资增加0.5%，一次投资成本及差价见表8.

由于节能导线的导线单价较高且风偏角较大，3种节能导线的一次投资成本均高于常规钢芯铝绞线.

表8 一次投资成本比较

4.2.2 年运行损耗成本比较

运行损耗成本即电晕电阻损耗成本，根据式(3)，以电价为0.5元/(k W·h)进行计算，线路的年运行成本及价差见表9.

表9 年运行损耗成本比较

由于节能导线交流电阻较小，线路运行时的运行损耗成本均小于常规钢芯铝绞线，具有良好的经济性，3种节能导线中，中强度铝合金绞线的节能效果最为优越.

4.2.3 全寿命周期成本比较

全寿命周期评估的计算条件如下：线路经济使用年限为30年；年最大损耗小时数按3 200 h进行计算；运行维护成本通过一次投资成本乘以设备维护费率计算，如式(2)，设备运行维护费率为1.4%；电价按0.5元/(k W·h)计算；将报废成本按全寿命周期成本的2%计算；以钢芯铝绞线为标准进行年费用比较.计算结果见表10.

表10 全寿命周期成本比较 (单位：万元·km-1)

由此可知，由于导线性能和单价的影响，节能导线的本体投资均高于钢芯铝绞线，但节能导线的电能损耗较小，具有良好的节能效果，随着时间的积累，线路的运行损耗成本降低，致使整条线路的全寿命周期成本均小于钢芯铝绞线，具有良好的经济性.其中，铝合金芯铝绞线的全寿命周期成本最小，同时最适用于500 k V线路，每千米线路的全寿命周期成本降低43.46万元.

5 结 论

通过对等截面的3种节能导线性能分析及线路全寿命周期成本评估，可以得出以下结论：

1)通过降低导线电阻率，增加载流截面，3种节能导线的电能损耗较常规钢芯铝绞线均有所减小，具有良好的节能效果，其中节能效果最优的是中强度铝合金绞线，电能损耗减少4.29%.

2)钢芯高导电率铝绞线的机械性能与钢芯铝绞线基本相同，不影响线路杆塔、基础造价；铝合金芯铝绞线和中强度铝合金绞线的弧垂较小，风偏角较大，应适当减小杆塔高度，增加塔头尺寸.

3)节能导线价格普遍较高，但由于其良好的节能效果，其全寿命周期成本均低于常规钢芯铝绞线，具有更好的经济效益，节能导线可全面替代常规钢芯铝绞线.

4)考虑导线单价、节能效果和线路结构，采用铝合金芯铝绞线时线路的全寿命周期成本最低，铝合金芯铝绞线的综合性能最优，且最适合500 k V输电线路.