導(dǎo)線選型專(zhuān)題

PAGE導(dǎo)線選型專(zhuān)題1目錄1前言 3-12導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較 3-12.1按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇 3-12.2導(dǎo)線機(jī)械物理特性比較 3-22.3導(dǎo)線的載流量及輸送容量 3-42.4高溫時(shí)的弧垂特性 3-52.5極大檔距 3-62.6桿塔荷載的影響 3-62.7耐振疲勞性能 3-82.8電阻損耗、渦流和磁滯損耗 3-82.9節(jié)能效益 3-92.10導(dǎo)線投資差價(jià) 3-92.11導(dǎo)線方案壽命周期費(fèi)用分析 3-103結(jié)論 3-121前言輸電線路導(dǎo)線的選擇是高壓輸電技術(shù)的重要課題，線路的輸送容量、傳輸性能、環(huán)境影響問(wèn)題對(duì)輸電線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有很大的影響。本專(zhuān)題主要從導(dǎo)線的電氣特性、機(jī)械特性和投資分析三個(gè)方面對(duì)各種導(dǎo)線截面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，特別在導(dǎo)線選型造價(jià)分析中按全壽命周期費(fèi)用最小為原則分析比較，而不是只考慮基建初投資，這樣可以全面考核各導(dǎo)線方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，最后推薦出在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)的導(dǎo)線型號(hào)及截面。導(dǎo)線在線路建設(shè)投資中所占的比例較大，110kV線路一般要占工程本體投資的30%左右，且它也影響到鐵塔荷載的大小和鐵塔高度、地線支架高度的選擇，如果再考慮因?qū)Ь€方案變化而相應(yīng)造成的桿塔工程量和基礎(chǔ)工程量的變化，其對(duì)整個(gè)工程的造價(jià)影響極其巨大。合理選擇導(dǎo)線截面是安全運(yùn)行和降低建設(shè)投資的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此，認(rèn)真按全壽命周期費(fèi)用最小為原則選擇導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，對(duì)降低輸電線路投資具有重要的意義。導(dǎo)線作為輸電線路最主要的部件之一，其作用就是除了要滿(mǎn)足線路的主要功能電能輸送外，還要滿(mǎn)足安全可靠、保護(hù)環(huán)境，并且在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上是合理的，因此現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)程中均對(duì)導(dǎo)線在電氣和機(jī)械兩方面都提出了嚴(yán)格的要求。在導(dǎo)線截面的選取中，要充分考慮導(dǎo)線的電氣和機(jī)械特性。2導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較2.1按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇根據(jù)大田110kV電網(wǎng)，大田太華變遠(yuǎn)期主變?nèi)萘繛?×31.5MVA，兩回110kV進(jìn)線,根據(jù)《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》電網(wǎng)供電安全采用N-1準(zhǔn)則，正常運(yùn)行狀態(tài)，主變最高負(fù)載率（2臺(tái)主變，取67％）要求每回線路輸送電流為222A,按現(xiàn)行規(guī)范中的經(jīng)濟(jì)電流密度(計(jì)算取經(jīng)濟(jì)電流密度J=1.15A/mm2)選擇導(dǎo)線截面：式中：S——導(dǎo)線截面(mm2)；P——送電容量(kW)；Ue——線路額定電壓(kV)；J——經(jīng)濟(jì)電流密度(A/mm2)；——功率因數(shù)經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)輸送的導(dǎo)線截面193mm2即可。綜合考慮到電網(wǎng)規(guī)劃及發(fā)展趨勢(shì)，主變過(guò)載率往往＞1.0,最高為1.3,導(dǎo)線截面選擇240mm2系列相對(duì)合適。2.2導(dǎo)線機(jī)械物理特性比較在滿(mǎn)足導(dǎo)線輸送總截面的前提下，并充分考慮當(dāng)今電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)適當(dāng)預(yù)留裕度，據(jù)咨詢(xún)廠家和查找資料,本設(shè)計(jì)方案選擇了三種截面積在240mm2左右的導(dǎo)線線型進(jìn)行對(duì)比論證:①稀土鋼芯鋁絞線：LGJX-240/30(GB1179-83)其特點(diǎn):鋼芯鋁絞線是在輸電線路中采用最廣泛的線型，其制造、施工、運(yùn)行等均有大量的成熟經(jīng)驗(yàn)。稀土鋼芯鋁絞線是在原鋼芯鋁絞線基礎(chǔ)上加上少量稀土元素，在力學(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)、機(jī)電特性方面與同型號(hào)的鋼芯鋁絞線相當(dāng)，故不必新設(shè)計(jì)桿塔、縮小使用檔距；價(jià)格則與同型號(hào)的鋼芯鋁絞線“等長(zhǎng)同價(jià)”，實(shí)驗(yàn)證明，稀土鋁導(dǎo)線比鋼芯鋁導(dǎo)線的電阻降低約2.5%，抗拉強(qiáng)度提高1%-3%，耐腐蝕性能提高20%以上，總工程造價(jià)基本不增加。當(dāng)前已在架空線路中普遍使用。②鋁包鋼芯鋁絞線:JL/LB20A-240/30(Q/XHA002-2000)由于在高強(qiáng)鋼絲外包覆一層較厚的鋁層，因而基本上不用擔(dān)心鋼芯銹蝕的問(wèn)題，同時(shí)與外層鋁絞線接觸的是同樣的鋁材，避免了鋅、鋁之間的電耦腐蝕和縫隙腐蝕，大大地延長(zhǎng)了導(dǎo)線的壽命。包覆的鋁使導(dǎo)線的電阻有所降低，線損有所減少。盡管鋁包鋼絲的單價(jià)高于鍍鋅鋼絲的價(jià)格，單位重量的鋁包鋼芯鋁絞線的價(jià)格高于鋼芯鋁絞線的價(jià)格，因電阻下降、線損減少，在全壽命周期內(nèi)可帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。③鋁合金絞線：LHBJ-240(GB9392-88)其特點(diǎn):1）鋁合金絞線比鋼芯鋁絞線的拉重比大，因而其弧垂性能好，可減小線路桿塔使用高度，降低桿塔耗鋼量。2）鋁合金絞線超負(fù)荷輸送電流的能力比鋼芯鋁絞線強(qiáng)，有資料表明，鋁合金單絲在100℃經(jīng)歷500小時(shí)，抗拉強(qiáng)度損失下降不到5%；3）對(duì)大氣腐蝕具有抵抗能力，且避免了鋁股線與鋼線的電化等腐蝕，特別在污穢嚴(yán)重地區(qū)，其突出的抗腐蝕能力，能夠加長(zhǎng)導(dǎo)線的運(yùn)行使用壽命。4）鋁合金的布氏硬度約為85，是鋁線的2倍左右，但重量比鋼芯鋁絞線輕，可減少施放過(guò)程中導(dǎo)線表面的擦傷、磨損，特別適用于山區(qū)樹(shù)木較多線路；對(duì)壓縮型接續(xù)不易產(chǎn)生導(dǎo)線的鼓包或燈籠現(xiàn)象。鋁合金絞線的單絲材質(zhì)是均勻的，接頭簡(jiǎn)單，導(dǎo)線截面上應(yīng)力分布均勻，溫度變化時(shí)單線的應(yīng)力變化范圍小。5）在相同導(dǎo)線截面時(shí)，雖然鋁合金鉸線的直流電阻比鋼芯鋁絞線高約15%。但由于鋼芯鋁絞線要產(chǎn)生磁滯及渦流損失，所以鋁合金絞線總的電能損失較少，并且鋁合金絞線長(zhǎng)期在工作溫度下使用，有資料表明其電阻率可下降2%至5%，電損逐步有所減少。表1三種導(dǎo)線的技術(shù)參數(shù)表導(dǎo)線型號(hào)項(xiàng)目稀土鋼芯鋁絞線鋁包鋼芯鋁絞線鋁合金絞線LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240股數(shù)×直徑(mm)鋼7×2.407×2.40鋁(鋁合金)24×3.6024×3.6019×4.01截面(mm2)鋁截面244.29244.29239.96鋼截面31.6731.670總截面275.96275.96239.96直徑(mm)21.6021.6020.05彈性系數(shù)(N/mm2)730006900056000溫度線膨脹系數(shù)(1/℃)19.60E-620.60E-623.00E-6計(jì)算重量(kg/km)922.20883.70659.60計(jì)算拉斷力(kN)75.6277.0967.0220℃直流電阻(Ω/km)0.11810.11310.13917最大使用應(yīng)力(N/mm2)104.10106.15106.13新線系數(shù)0.950.950.95安全系數(shù)2.52.52.5平均運(yùn)行應(yīng)力(N/mm2)65.0666.3466.33單價(jià)(元/噸)140001600021000注：導(dǎo)線單價(jià)系2009年7月咨詢(xún)多個(gè)廠家得來(lái)。2.3導(dǎo)線的載流量及輸送容量按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW/179-2008《110～750kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》新規(guī)范條文,本設(shè)計(jì)方案3種參選導(dǎo)線分別計(jì)算了+70℃和+80℃兩種允許溫度下的載流量及輸送容量，其中環(huán)境溫度25℃，導(dǎo)體表面吸熱系數(shù)αs=0.85，輻射散熱系數(shù)或黑度系數(shù)ε=0.4,集膚效應(yīng)系數(shù)為0.0025,風(fēng)速取0.5m/s，日照強(qiáng)度qs(取1000W/m2)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。表2導(dǎo)線載流量及輸送容量表導(dǎo)線型號(hào)項(xiàng)目稀土鋼芯鋁絞線鋁包鋼芯鋁絞線鋁合金絞線LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240+70℃線溫時(shí)載流量(A)585.92598.73530.43輸送容量(MVA)111114101+80℃線溫時(shí)載流量(A)652.72667.02590.38輸送容量(MVA)124127112從表可知，3種參選導(dǎo)線在+70℃和+80℃兩種允許溫度下的載流量及輸送容量均能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，并留有裕度。2.4高溫時(shí)的弧垂特性根據(jù)導(dǎo)線主要特性參數(shù)，經(jīng)計(jì)算LGJX-240/30和JL/LB20A-240/30導(dǎo)線在檔距0~1000m均由年平控制。LHBJ-240導(dǎo)線在檔距0~718m均由年平控制，大于718m由大風(fēng)控制?；〈固卣魅缦卤?。表3高溫時(shí)的弧垂特征(L0為代表檔距)表導(dǎo)線型號(hào)項(xiàng)目稀土鋼芯鋁絞線鋁包鋼芯鋁絞線鋁合金絞線LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240高溫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：括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為以LGJX-240/30導(dǎo)線的弧垂為100%時(shí)的百分?jǐn)?shù)及差值。從表數(shù)據(jù)可知，LHBJ-240導(dǎo)線弧垂特性最好，在不同檔距時(shí)，弧垂為L(zhǎng)GJX-240/30的85%左右；JL/LB20A-240/30次之95%左右；LGJX-240/30則最差。依次推算在桿塔使用檔距越大,采用LHBJ-240導(dǎo)線弧垂特性?xún)?yōu)勢(shì)越明顯,相同使用檔距,采用LHBJ-240導(dǎo)線桿塔呼高亦可相應(yīng)降低(加權(quán)平均估值為2m),塔重減少技術(shù)經(jīng)濟(jì)估算時(shí)取6.5%。從另一方面講，在采用相同呼高桿塔時(shí)，由于導(dǎo)線弧垂相對(duì)減少15%，間接提高了桿塔使用高度,對(duì)樹(shù)木的安全凈空距離加大，風(fēng)偏距離控制范圍將減小，這樣一來(lái)可以大大減少樹(shù)木砍伐量，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約，環(huán)境友好的設(shè)計(jì)理念。2.5極大檔距在線路設(shè)計(jì)中的一般檔距上,導(dǎo)線在最低點(diǎn)的應(yīng)力為破壞應(yīng)力的40%時(shí),皆能保持懸掛點(diǎn)應(yīng)力不超過(guò)破壞應(yīng)力的44%，由此得出該導(dǎo)線的使用的極大檔距。表4極大檔距Lom=0.8871365σm/γ7導(dǎo)線型號(hào)LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240極大檔距(m)141214361496由表4可知，LHBJ-240導(dǎo)線的極大檔距比LGJX-240/30增加，多84m。2.6桿塔荷載的影響表5導(dǎo)線對(duì)桿塔荷載的影響表導(dǎo)線型號(hào)LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240水平荷載(風(fēng)壓)100%100%93%垂直荷載(自重)100%95.83%84%縱向張力(張力)100%101.94%89%從表可知，水平荷載JL/LB20A-240/30和LGJX-240/30一致，LHBJ-240最小。垂直荷載LHBJ-240為L(zhǎng)GJX-240/30的84%左右；JL/LB20A-240/30次之95%左右；LGJX-240/30則最差?？v向張力則相差較大，LHBJ-240為L(zhǎng)GJX-240/30的89%左右；JL/LB20A-240/30和LGJX-240/30相差不大。綜上所述，對(duì)于同一使用條件的塔型,采用LHBJ-240導(dǎo)線相對(duì)LGJX-240/30，由于導(dǎo)線外徑更小，重量輕和計(jì)算拉斷力小，對(duì)桿塔荷載將減少，桿塔構(gòu)件可以?xún)?yōu)化，相應(yīng)桿塔的塔重也可減少,相應(yīng)基礎(chǔ)的混凝土用量及土方開(kāi)挖量減少,降低工程造價(jià),減少對(duì)環(huán)境影響。對(duì)于耐張塔來(lái)說(shuō)，有三個(gè)方面的因素引起塔重變化：1）因?qū)Ь€縱向張力減小11%，耐張塔塔重將有所減少。根據(jù)承力塔塔重估算公式：W=K*M+A(式中W為塔重，K為常數(shù)，M為總彎矩，A為支撐自身荷載所需的塔重，約占總塔重的20%～25%),在縱向張力減小11%時(shí)，可以估算出承力塔塔重相應(yīng)減少約3.3%～3.6%，技術(shù)經(jīng)濟(jì)估算時(shí)取3.5%。2）耐張塔的風(fēng)荷載只影響塔重的一小部分，不同轉(zhuǎn)角度數(shù)下該部分的比例不一。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)角度數(shù)越小，這種影響越大，經(jīng)加權(quán)平均后約為30%。且一般情況下現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)角度數(shù)和使用條件之間均有一定得裕度，折減角度后對(duì)塔重的影響很小。經(jīng)估算，塔重約需減少2.4%。3）導(dǎo)線作用于耐張塔的垂直荷載只占桿塔荷載很小的部分，經(jīng)估算，塔重約需減少1.3%。經(jīng)估算，以上三項(xiàng)引起的耐張塔總塔重減少在7.3%左右。對(duì)于直線塔來(lái)說(shuō)，也同樣存在幾個(gè)方面的影響因素：1）對(duì)于同一使用條件的塔型，因LHBJ-240線徑比LGJX-240/30略細(xì)，造成風(fēng)荷載稍?。ㄐ?%）引起塔重減少。2）不平衡張力的增大也將引起直線塔塔重變化。但這種因素對(duì)塔重的影響較小，可忽略不計(jì)。3）導(dǎo)線作用于直線塔的垂直荷載同樣只占桿塔荷載很小的部分，經(jīng)估算，塔重約需減少1.3%。經(jīng)估算，單基直線塔總重量減少量在2.8％左右。結(jié)合本工程沿線地形、地貌，排桿定位結(jié)果,耐張塔、直線塔分別約占桿塔總數(shù)的30%和70%，加權(quán)平均后塔重可減少4.15%。2.7耐振疲勞性能導(dǎo)線的耐振疲勞性能，主要取決于線材疲勞特性、導(dǎo)線的靜態(tài)應(yīng)力、動(dòng)態(tài)應(yīng)力等。鋁合金單絲的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率都等于鋁單絲的2倍左右，鋁絲的疲勞強(qiáng)度約為59Mpa，而鋁合金絲為93-118Mpa。將單絲絞制成架空導(dǎo)線后，其疲勞約降低到單絲的60％以下，導(dǎo)線安裝入懸垂線夾后，其疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步下降。處于懸垂線夾重運(yùn)行的導(dǎo)線受力情況非常復(fù)雜，只有通過(guò)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)才能準(zhǔn)確得到其實(shí)際疲勞強(qiáng)度，但由于鋁合金單絲的疲勞強(qiáng)度比鋁單絲高得多，故運(yùn)行中的鋁合金導(dǎo)線的疲勞強(qiáng)度應(yīng)高于普通鋼芯鋁絞線的疲勞強(qiáng)度。鋁合金絞線的耐振性能會(huì)更好。2.8電阻損耗、渦流和磁滯損耗鋼芯鋁絞線在交流電壓的作用下，除了由直流電阻引起的功率損耗外，還有鋼芯引起的磁滯損耗和渦流損耗。鋁包鋼芯鋁絞線由于在高強(qiáng)鋼絲外包覆一層較厚的鋁層，因而基本上不用擔(dān)心鋼芯銹蝕的問(wèn)題，同時(shí)與外層鋁絞線接觸的是同樣的鋁材，包覆的鋁使導(dǎo)線的電阻有所降低，線損有所減少。雖然鋁合金線的直流電阻比鋼芯鋁絞線高約15%，但由于采用統(tǒng)一材質(zhì)，不存在鋼芯產(chǎn)生磁滯及渦流損失，實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均減少能耗3.5%。2.9節(jié)能效益計(jì)算正常運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)額定電流時(shí)時(shí)，3種參選導(dǎo)線節(jié)電效益。表6鋁合金導(dǎo)線的節(jié)能效益表導(dǎo)線型號(hào)項(xiàng)目LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHJ-24020℃直流電阻(Ω/km)0.11810.11310.13917通過(guò)額定電流時(shí)交流電阻(Ω/km)0.17900.17180.1667單位長(zhǎng)度電阻損耗(kW/km)154.29152.27148.89年節(jié)能(kWh/km)3000h06540162004000h08100216005000h0966027000年節(jié)能效益(萬(wàn)元/km)(電價(jià)取0.4元/kWh)3000h00.2620.6484000h00.3240.8645000h00.3861.080從表可知:采用LHBJ-240導(dǎo)線節(jié)能效果最好。2.10導(dǎo)線投資差價(jià)導(dǎo)線投資差價(jià)如下表7：（全線按單回路考慮）導(dǎo)線型號(hào)LGJX-240/30JL/LB20A-240/30LHBJ-240單位長(zhǎng)度質(zhì)量（t/km）0.9222(100%)0.8837(95.8)0.6596(71.5%)單價(jià)（萬(wàn)元/t）1.40(100%)1.60(114%)2.10(150%)導(dǎo)線用量(t/km)2.77（100%）2.65（95.7%）1.98(71.5%)每km線路導(dǎo)線投資偏差(萬(wàn)元/km)0+0.362(+9.3%)+0.28(+7%)從上表7可知，三種導(dǎo)線的費(fèi)用投資均相差不大，現(xiàn)階段由于鋁合金絞線越來(lái)越受到青睞，導(dǎo)線價(jià)格逐步降低，因此，使用LHBJ-240導(dǎo)線是合理可行的。2.11導(dǎo)線全壽命周期費(fèi)用分析全壽命周期費(fèi)用分析，就是從長(zhǎng)遠(yuǎn)和全面的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)產(chǎn)品整個(gè)使用壽命中所發(fā)生的全部費(fèi)用進(jìn)行綜合分析，而不是只考慮某一階段所發(fā)生的費(fèi)用。這樣，可以全面考核各產(chǎn)品或各技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性，以避免因小失大。目前，我國(guó)電力建設(shè)采用的是工程造價(jià)管理模式，是以定額為計(jì)價(jià)基礎(chǔ)的全過(guò)程工程造價(jià)管理模式，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從全過(guò)程工程造價(jià)管理向全壽命周期工程造價(jià)管理轉(zhuǎn)變是十分必要的。線路工程全壽命周期管理目標(biāo)的核心是要從工程項(xiàng)目全壽命周期出發(fā)，要考慮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工程設(shè)計(jì)、工程施工、運(yùn)行維護(hù)各階段的投入和損耗，研究最終成本，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目整個(gè)壽命周期總成本的最小化。經(jīng)濟(jì)比較采用“年費(fèi)用最小法”，本設(shè)計(jì)方案線路LCC計(jì)算模型：LCC=IC+OC+FC+TC+DC由上式可知，LCC費(fèi)用組成可分解為：IC——一次投資成本（InvestmentCosts）OC——運(yùn)行成本(OperationCosts)FC——中斷供電損失(FailureCosts)TC——維護(hù)成本(TimeCosts)DC——報(bào)廢成本(DiscardCosts)方案基于全壽命周期成本:P=A[(1+0.0594)30-1]/0.0612(1+0.0612)30進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮貼現(xiàn)率的影響因素，其他影響成本的因素暫不考慮。導(dǎo)線型號(hào)對(duì)工程造價(jià)影響主要體現(xiàn)在導(dǎo)線、塔材及電能損耗。各種導(dǎo)線的年運(yùn)行費(fèi)用、差值及總投資如表所示，投資回收率按5.94%，工程建設(shè)期按1年，使用壽命按30年，最大損耗小時(shí)數(shù)按4000h，電價(jià)取0.4元/kWh。本設(shè)計(jì)方案推薦導(dǎo)線（LHBJ-240）對(duì)比可研推薦導(dǎo)線（LGJX-240/30）相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較，如下表8：項(xiàng)目本設(shè)計(jì)方案推薦導(dǎo)線（LHBJ-240）合計(jì)節(jié)約投資成本IC1.導(dǎo)線全線按單回路考慮,長(zhǎng)度為28.8km導(dǎo)線費(fèi)用增加0.86萬(wàn)元(0.28萬(wàn)元/km×28.8km=8.06萬(wàn)元)2.塔材1.弧垂減小引起塔高降低,塔重減少6.5%2.導(dǎo)線對(duì)桿塔荷載的影響因素引起塔重減少4.15%注:套用國(guó)網(wǎng)典設(shè)塔材耗用指標(biāo):10.92t/km，塔材0.92萬(wàn)元/t(6.5%+4.15%)×10.92t