对导线选型几个相关问题的探讨

对导线选型几个相关问题的探讨

对试点应用的钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线三种节能导线与普通钢芯铝绞线以及铝包钢耐热铝合金导线（减小导线截面积）进行技术经济比较。

标签：试点应用；节能导线；普通导线

1 节能导线原理、耐热导线简介

1.1 钢芯高導电率铝绞线

钢芯高导电率铝绞线采用导电率为63%IACS的硬铝线作为导电基体，其强度与普通电工铝一样，内部钢线与普通钢芯铝绞线相同。与同结构的钢芯铝绞线相对比，采用高导电率硬铝线的钢芯铝绞线电阻低，线路损耗减少。

1.2 铝合金芯铝绞线

铝合金芯铝绞线合金单线主要材料成分由电工铝、镁、硅等材料合成。采用53%IACS高强度铝合金芯替代导电率为9%IACS的普通钢芯铝绞线中的钢芯线，导线外部铝线与普通钢芯铝绞线铝线相同。通过结构调整，可以降低导线电阻。通过对铝合金芯铝绞线研究及与国外技术交流发现，铝合金芯铝绞线具有电阻损耗低、弧垂性能好、无磁滞损耗、过载性能好等特点。

1.3 中强度全铝合金绞线

中强度全铝合金导线导电率为58.5%，比一般高强度铝镁硅合金53%高出5.5%，采用全铝合金结构，与等直径条件下的普通钢芯铝绞线相比，电阻小，在输送相同负荷的条件下，因电阻较低，能够减少输电线路损耗。电能损失少，虽然中强度强铝合金线的电阻率比硬铝线约高4.3%。但由于同直径时，中强度全铝合金绞线的导电截面积较钢芯铝绞线大，所以20℃直流电阻要稍低于钢芯铝绞线。而钢芯铝绞线的钢芯要产生磁滞损失和涡流损失，而中强度全铝合金绞线无钢芯，故交流电阻要比钢芯铝绞线低，故电能损失少，特别是大容量输电时，下降明显。

1.4 铝包钢耐热铝合金绞线

基于铝锆合金基体的耐热铝合金导线是一种特殊的架空导线，具有允许工作温度高、载流量大、低弛度等特性，导线耐热性能的提高意味着容许使用温度的提高，目前所使用的耐热铝合金线（NRLH60%IACS）的连续及短时容许使用温度分别为150℃及180℃。作为架空输电导线，决定其容许使用温度时，一般以导线加热一定时间（230℃*1h）后回复到常温时机械强度的残存率≥90%来作为考虑依据。

2 电气性能比较

2.1 极限输送容量

导线极限输送容量与导线的允许温度有关，《110kv～750kv架空输电线路设计规范》中规定：“钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线宜采用70℃”，铝合金芯铝绞线、中强度全铝合金绞线允许温度也取70℃，耐热导线允许温度取100℃计算极限输送容量时，环境温度采用最热月平均最高温度（最热月每日最高温度的月平均值），参考《电力系统设计手册》提供的全国各地最热月平均气温值，本工程取35℃。

按容许发热条件的持续极限输送容量的计算式为：

式中：Wmax-极限输送容量（MVA）；e-线路额定电压（kv）；I-导线持续容许电流（A）；

计算导线允许载流量可选用《电机工程手册》（试用本）第26篇所列公式（原公式符号略有变更）：

式中：WR-单位长度导线的辐射散热功率（W/m）；WF-单位长度导线的对流散热功率（W/m）；WS-单位长度导线的日照吸热功率（W/m）；Rt’-允许温度时导线的交流电阻（？赘/m）。

辐射散热功率WR的算式：

WR=DE1S1[（？兹+？兹a+273）4-（ a+273）4]

式中：D-导线外径（m）；E1-导线表面的辐射散热系数，取0.90；S1-斯特凡-包尔茨曼常数，为5.67×10-8（W/m2）；？兹-导线表面的平均温升（℃）；？兹a -环境温度（℃）。

对流散热功率 WF的算式：

WF=0.57？仔？姿f？兹Re0.485

式中：？姿f-导线表面空气层的传热系数，W/m/℃；Re-雷诺数。

？姿f=2.42×10-2+7（？兹a+？兹/2）×10-5

Re=VD/？自

式中：V-垂直于导线的风速，m/s；？自-导线表面空气层的运动粘度，m2/s；

？自=1.32×10-5+9.6（？兹a+？兹/2）×10-8

日照吸热功率Ws的算式：

Ws=？琢sJsD

式中：？琢s-导线表面的吸热系数，取0.9；JS-日光对导线的日照强度（W/m2）；取1000W/m2。

交流电阻Rt 计算公式：

Rt’=R20[1+？琢·（TC-20）]·？茁

Rt’-导线20℃时直流电阻，Ω/km；α-电阻温度系数，1/℃；Tc-工作温度，℃；β-线温Tc时交直流电阻比；

电阻温度系数k值，硬铝线电阻温度系数取0.00403℃-1，；铝合金线、中强度全铝合金线分别取0.00415℃-1、0.0038℃-1。

2.2 线路功率损耗

功率损耗计算公式为：

W=3×I2R×10-3

式中：W-功率损耗（kW）；I-长期运行电流（A）；R-每相交流电阻（Ω）；

3 节能效益及经济指标

3.1 投资分析

参照“新型节能导线选型比较参考资料”，收集国内大型电线电缆生产厂家资料，导线投资比较如表1：

表1 导线投资比较

三种节能导线绞线型式、外径、主要材质、拉断力等与普通钢芯铝绞线相同或相近，仅是导电能力发生的变化，在施工过程中，普通钢芯铝绞线采用的导线配套金具（悬垂线夹、耐张线夹、接续管等）、施工机具、施工方法及安装方式等对节能导线都能够适用，无其它特殊要求，安装费用列为与常规导线一致。

3.2 年费用

经济比较常用的方法有：最小费用法、净现值法、内部收益率发、折返年限

法等，每种方法又可演化出不同表达式。最小费用法时电力系统规划设计经济分析应用较普遍的方法，适用于比较效益相同的方案或效益基本相同但难以具体估算的方案。年费用法是最小费用法表达方式之一。年费用法是将参加比较的诸多方案在计算期内的全部支出费用折算成等额年费用比较，年费用低的方案在经济上最优。

进行年费用计算分析时，全部支出仅考虑导线投资和线路功率损耗，不考虑铁塔、基础、土方、附件及施工安装对年费用的影响。

《电力系统设计手册》给出的最小年费用计算方法如下：

NF-年费用（平均分布在n年内）；Z-折算到第m年的总投资；

u-折算年运行费用；m-施工年数；n-经济使用年数；t-从工程开工这一年起的年份；r0-电力工程投资的收益率；

计算年费用时经济使用年限按20年（风电场设计寿命），施工期按两年计，前一年投资为60%，后一年投资为40%；设备维修率取1.4%，投资收益率取8%；上网电价取0.6元/kW·h。

总之， 同样由于节能导线交流电阻相对较小，线路功率损耗小，计算结果表明：钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线线路功率损耗较普通钢芯铝绞线小。