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      110 kV新能源集中送出線路導線選型

      2021-01-26 02:27:20石偉釗劉曉林
      農(nóng)村電氣化 2021年1期
      關(guān)鍵詞:鋁絞線絞線鋼芯

      石偉釗,劉曉林

      (國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,天津 河東300171)

      節(jié)能導線是指等外徑條件下,與鋁線導電率為61% IACS 的鋼芯鋁絞線相比,直流電阻(20 ℃)更小的導線[1]。采用節(jié)能導線可降低工程壽命周期總體費用,提高電網(wǎng)運營效益。

      2012年,國家電網(wǎng)有限公司啟動輸電線路節(jié)能導線研究和試點應用工作。2017年,為進一步貫徹全壽命周期理念,深入推進節(jié)能減排工作,國家電網(wǎng)有限公司提出要深化實施、推進節(jié)能導線全面應用。

      本文首先分析了天津市電力公司節(jié)能導線的應用現(xiàn)狀,之后對節(jié)能導線的電氣性能、機械性能和費用進行了分析,最后以某110 kV風電集中送出線路為例進行了全壽命周期[2-3]對比分析。

      1 天津市電力公司應用情況

      截至2020年5月,天津市電力公司共計在運節(jié)能導線線路40條,線路總長598608 m。3種推薦的節(jié)能導線中,鋁合金芯鋁絞線應用最多,中強度鋁合金絞線次之,鋼芯高導電率鋁絞線最少,個別線路采用了鋼芯鋁合金絞線,線路長度為1586.56 m,如圖1所示。按照電壓等級劃分,110 kV應用節(jié)能導線最少;220 kV最多,共應用了8種型號的節(jié)能導線,如圖2所示。按投產(chǎn)年份劃分,節(jié)能導線集中在2017年至2019年投產(chǎn),相對運行經(jīng)驗積累較少,如圖3所示。

      2 節(jié)能導線設(shè)計

      本節(jié)分析國家電網(wǎng)有限公司推廣應用的鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯高導電率鋁絞線和中強度鋁合金絞線共3種類型的節(jié)能導線[4]。

      圖1 不同類型節(jié)能導線在運線路總長

      圖2 不同電壓等級各型號節(jié)能導線在運線路總長

      圖3 不同年份節(jié)能導線投產(chǎn)線路總長

      2.1 節(jié)能導線的電氣特性比較

      導線的電氣特性主要包括載流量、電能損耗、電磁環(huán)境等因素,主要影響線路的運行電能損耗和事故情況下的過負荷能力。電能損耗包括電阻損耗和電暈損耗兩部分,相同截面導線電磁環(huán)境條件和電暈損耗是一致的,不再比較。另外,工程計算也表明110~500 kV 電壓等級下導線的電暈損耗是可以忽略不計的,故僅比較電阻損耗和載流量。交流電阻損耗參考日本電線與電纜制作協(xié)會頒發(fā)的標準JCS 0374:003“裸導線載流量計算方法”進行計算[5]。

      2.1.1 不同截面規(guī)格導線的節(jié)能對比

      20 ℃直流電阻相比鋼芯鋁絞線耗能降低值如表1所示。

      表1 不同截面規(guī)格導線的節(jié)能對比

      可以看出中強度鋁合金導線在導線截面較小時節(jié)能優(yōu)勢最大,隨著導線截面變大,優(yōu)勢有所下降;鋁合金芯高導電率鋁絞線節(jié)能優(yōu)勢較大,同中強度鋁合金導線一樣,導線截面變大后,優(yōu)勢有所下降;鋼芯高導電率鋁絞線節(jié)能優(yōu)勢相對較小,但導線截面增大時,節(jié)能優(yōu)勢基本不變,各導線都具有一定的節(jié)能效果。

      2.1.2 不同截面規(guī)格導線載流量對比

      按照環(huán)境溫度40 ℃,導線溫度70 ℃計算載流量如表2所示。

      表2 不同截面規(guī)格導線的載流量對比

      可以看出,3 種節(jié)能導線的載流量較鋼芯鋁絞線都有一定的增加,約2%~3%。

      2.2 節(jié)能導線的機械特性比較

      導線的機械特性主要包括機械強度、荷載、弧垂特性、導線風偏、覆冰過載能力等參數(shù),對線路的安全運行和造價影響很大。

      2.2.1 正常荷載

      節(jié)能導線與鋼芯鋁絞線規(guī)格相同,水平荷載也相同。由于節(jié)能導線一般采用高導硬鋁或鋁合金,因此重量一般不超過鋼芯鋁絞線,即垂直荷載均不大于鋼芯鋁絞線的荷載。因此以下只比較節(jié)能導線的張力荷載。以普通鋼芯鋁絞線為基準,在安全系數(shù)2.5時各導線的最大張力對比如表3所示。

      表3 各節(jié)能導線的最大張力對比

      可以看出鋼芯高導電率鋁絞線的機械特性與鋼芯鋁絞線完全一致,張力也相同;中強度鋁合金導線在截面較小時,張力比鋼芯鋁絞線小約12%,隨著導線截面增大,中強度鋁合金絞線的張力迅速增加,在400 mm2規(guī)格時已基本接近鋼芯鋁絞線,在630 mm2截面時已超過了鋼芯鋁絞線8.6%。為了滿足通用設(shè)計模塊桿塔使用條件,對630 mm2截面中強度鋁合金絞線放松處理,按最大使用張力不超過鋼芯鋁絞線荷載控制。

      2.2.2 耐張串強度

      根據(jù)初步測算,相同規(guī)格下,各節(jié)能導線所匹配的耐張串強度相同,如表4所示。

      表4 各節(jié)能導線所匹配的耐張串強度

      2.2.3 導線弧垂

      以普通鋼芯鋁絞線為基準,各節(jié)能導線弧垂對比如表5所示,可以看出,630 mm2截面導線中強度鋁合金絞線(與鋼芯鋁絞線同荷載)最優(yōu),LHA1鋁合金芯高導電率鋁絞線與鋼芯(高導電率)鋁絞線基本一致。400 mm2截面導線中強度鋁合金絞線最優(yōu),LHA1 鋁合金芯高導電率鋁絞線次優(yōu),鋼芯(高導電率)鋁絞線居中。

      表5 各節(jié)能導線的弧垂對比 m

      2.2.4 過載能力

      過載冰厚體現(xiàn)了導線抵御冰災的能力,過載冰驗算的氣象條件為:氣溫-5 ℃、風速10 m/s。驗算覆冰時弧垂最低點的最大張力不超過額定拉斷力的70%,懸掛點的最大張力不超過額定拉斷力的77%,各導線過載冰厚如表6所示。

      表6 不同截面導線不同檔距下過載冰厚表 mm

      從表6 可看出,中強度全鋁合金絞線在導線截面較小時過載能力略差,隨著導線截面變大,過載能力迅速提高,在大截面條件下甚至優(yōu)于鋼芯鋁絞線;鋁合金芯鋁絞線過載能力稍差;鋼芯高導電率鋁絞線覆冰過載能力居中。

      2.2.5 風偏

      對天津地區(qū)常用的各模塊II 型塔按節(jié)能導線計算規(guī)劃搖擺角,并校核實際鐵塔允許搖擺角,結(jié)果如表7所示,均不超限。

      表7 導線搖擺角校驗結(jié)果

      2.3 經(jīng)濟性比較

      2.3.1 導線費用走勢

      導線單價走勢:根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布的“電網(wǎng)工程設(shè)備材料價格季度信息價”,選取2017年3 季度至今導線相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析,由于各季度信息價中均不包含中強度鋁合金絞線,下文中未進行對比。以鋼芯鋁絞線為基準,400/35截面節(jié)能導線與鋼芯鋁絞線的價格對比如圖4 所示,630/45 截面節(jié)能導線與鋼芯鋁絞線的價格對比如圖5 所示。由圖可以看出,隨著生產(chǎn)工藝的成熟,兩種截面的節(jié)能導線與鋼芯鋁絞線的價格對比趨于穩(wěn)定,JL1/LHA1鋁合金芯鋁絞線與JL/G1A鋼芯鋁絞線的價格比約為1.12,JL3/G1A 鋼芯高導電率鋁絞線與JL/G1A鋼芯鋁絞線的價格比約為1.05。

      圖4 400/35截面導線價格比

      圖5 630/45截面導線價格比

      導線單位單公里費用走勢:計算導線單公里費用時需考慮導線的單價和單位重量兩個因素,鋼芯高導電率鋁絞線JL3/G1A與鋼芯鋁絞線JL/G1A單位重量一致,則導線的單公里費用變化趨勢與導線單價變化趨勢一致;鋁合金芯鋁絞線JL1/LH1 的單位重量與鋼芯鋁絞線JL/G1A單位重量不一致,單公里費用變化趨勢如圖6 所示。由圖6 可以看出,JL1/LHA1-465/210 與JL/G1A-630/45 單公里導線所需費用基本一致,JL1/LHA1-210/220 與JL/G1A-400/35相比,單公里所需費用略低2%~3%。

      圖6 JL1/LH1與JL/G1A單公里費用對比

      2.3.2 導線單公里費用

      文中分析以2020 年第1 季度信息價為參考,各節(jié)能導線與同規(guī)格的鋼芯鋁絞線單公里價格對比如表8、表9 所示,除中強度鋁合金絞線為詢價、結(jié)合不同類型導線相對價格比得出外,其余導線單價均摘自國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布的2020 年第1 季度信息價。

      表8 400 mm2截面導線信息價

      表9 630 mm2截面導線信息價

      經(jīng)查詢近3 年國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布的設(shè)備信息價,均無JLHA3 中強度鋁合金絞線,JL3/LHA1鋁合金芯鋁絞線僅在2020 年1 季度信息價中出現(xiàn)1次,各季度設(shè)備信息價中均給出了JL1/LHA1 鋁合金芯鋁絞線、JL3/G1A 鋼芯高導電率鋁絞線、JL/G1A 鋼芯鋁絞線和JL/LB20A 鋁包鋼芯鋁絞線多種不同截面規(guī)格的信息價。

      具體費用方面,JL3/LHA1、JLHA3 價格最高,單公里費用比普通鋼芯鋁絞線高10%以上;JL3/G1A 單公里費用比普通鋼芯鋁絞線高4%~5%,JL1/LHA1單公里費用與普通鋼芯鋁絞線相當,其中JL1/LHA1-210/220 比JL/G1A-400/35 低2%,JL1/LHA1-465/210 比JL/G1A-630/45 高2%;JL/LB20A單公里費用與普通鋼芯鋁絞線基本持平。

      2.3.3 鐵塔和基礎(chǔ)費用

      目前,輸電線路設(shè)計一般均采用通用設(shè)計模塊,在導線截面相當?shù)那闆r下,對于常用的110 kV和220 kV送出線路,各節(jié)能導線的荷載均接近或不超過鐵塔設(shè)計條件、搖擺角也均不超限。為簡單化比較,可僅考慮弧垂對塔高的影響,同等條件下,鋁合金芯鋁絞線、鋼芯鋁絞線和鋼芯高導電率鋁絞線弧垂基本一致,中強度鋁合金絞線弧垂最小,可減小弧垂約0.5~1 m,在線路較長、轉(zhuǎn)角塔占比較低的情況下,可通過優(yōu)化桿塔排位來減少基數(shù),考慮到線路路徑受地方規(guī)劃、走廊、交叉跨越等因素影響程度較大,線路直線段長度較短,不再考慮桿塔優(yōu)化排位降低工程投資的情況。上述比較不涉及鐵塔基數(shù)變化,對基礎(chǔ)作用力影響較小,因此不必考慮基礎(chǔ)造價的變化。

      對于本文中采用的算例,由于不同類型導線的截面不一致,需考慮導線截面增大導致的鐵塔和基礎(chǔ)費用增加。

      2.3.4 年費用對比

      按電力工業(yè)部(82)電計字第44 號文《頒發(fā)“電力工程經(jīng)濟分析暫行條例”的通知》第十五條經(jīng)濟計算-年費行最小法。線路工程簡化計算公式為:

      折算到工程投運年的總投資:式中:NF為年平均費用(平均分布在m+l 到m+n期間的n年內(nèi));N為工程的經(jīng)濟使用年限;Z為折算后的工程總投資。

      式中:T為從開工這一年起到計算年的年數(shù);M為工程施工年數(shù);Zt為第t年的建設(shè)投資(萬元);r0為電力工業(yè)投資回收率;μ為折算年運行費用。

      式中:t0為工程部分投產(chǎn)的年份;Ut為運行費用。

      3 風電集中送出地區(qū)導線選擇

      天津某風電集中地區(qū)計劃新建風電場4座,裝機總?cè)萘糠謩e為50 MW、50 MW、47 MW 和76 MW。由于缺乏并網(wǎng)點,考慮新建一個雙回110 kV線路將風電場所發(fā)電能送出,其中兩座50 MW風電場采用一回110 kV線路,另外兩座風電場采用另一回110 kV線路??紤]功率因數(shù)為0.95,則110 kV 送出線路長期允許載流量應不低于:

      3.1 導線初選

      根據(jù)《電力工程設(shè)計手冊:架空輸電線路設(shè)計》[6]:各地最熱月平均氣溫,取環(huán)境溫度35 ℃、導線溫度70 ℃計算得出各種型式導線載流量如表10所示。

      表10 不同型式導線載流量

      3.2 年費用比選

      可以看出JLHA3-425、JL/G1A-500/35、JL3/G1A-500/35、JL1/LHA1-210/230 和2×JL/G1A-240/30 均滿足要求。2×JL/G1A-240/30 的導線、鐵塔和基礎(chǔ)費用明顯偏高,不再進行經(jīng)濟型比較,以下對前4種導線進行經(jīng)濟性比選,如表11所示。

      表11 年費用比選表

      110 kV線路,經(jīng)濟使用年限為40年,施工期按2年計,前一年投資為60%,后一年投資為40%。

      本線路為風電場送出線路,輸送容量為223 MW,風電場年最大負荷利用小時數(shù)通常在2000 h 左右,取2500 h,相應最大損耗小時數(shù)按1100 h計。

      設(shè)備運行維護費率為1.4%。

      電力工程回收率按工程投資的8%計。

      電價按當?shù)貙嶋H上網(wǎng)電價計,取0.47元。

      從電能損耗看,由于截面較小,中強度鋁合金絞線JLHA3-425 導線損耗最大,鋼芯鋁絞線JL3/G1A-500/35 導線損耗最??;從導線年費用最小看,若按照經(jīng)濟使用年限40 年計算,由于初始投資低,風電場年最大負荷利用小時數(shù)和最大損耗小時數(shù)較小的情況下,中強度鋁合金絞線JLHA3-425導線年費用最小。

      因此,綜合考慮費用因素和國家電網(wǎng)有限公司通用設(shè)計桿塔適用情況,本工程最終選擇導線型號為JLHA3-425。

      4 結(jié)束語

      與常規(guī)鋼芯鋁絞線相比,節(jié)能導線一方面具有良好的節(jié)能效果,另一方面又可為降低“線損”做出貢獻。

      從導線的電氣性能和機械性能方面考慮,節(jié)能導線在輕冰區(qū)和中冰區(qū)均能適用。從單公里導線費用考慮,鋼芯高導電率鋁絞線JL3/G1A 與鋼芯鋁絞線JL/G1A 單位重量相同,單公里導線費用偏高約5%;鋁合金芯鋁絞線JL1/LH1的單位重量較輕,單公里導線費用與鋼芯鋁絞線JL/G1A相當。

      本文所附實際工程導線選型情況,由于集中送出線路負荷較大,首先從極限條件下導線載流能力的角度進行初選,然后從全壽命周期角度進行年費用比選,最后綜合考慮國家電網(wǎng)有限公司桿塔通用設(shè)計適用情況選定中強度鋁合金絞線JLHA3-425。

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