1. 引言
国家电网公司积极落实国务院“十二五”节能减排综合性工作方案，开展“资源节约型、环境友好型，新技术、新材料、新工艺”的“两型三新”输电线路建设，全过程实现节能、节水、节材、节地和环境保护，从而减少工程建设对环境的影响[1] [2] 。
架线工程的投资约占工程本体投资的三分之一。导线作为传输能量的载体同时也产生输电损耗，在保证输送容量基础上，减少导线的输电损耗是重要的关注课题。
2013年，国家电网公司发布了关于加强输电线路节能导线推广应用工作的通知和应用技术导则，推广的三种节能导线分别是：钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯高导电率铝绞线、中强度铝合金绞线。明确在以下工程进行导线比选，推广应用节能导线：
1) 110 (66) kV线路工程：单分裂及以上，子导线截面大于等于240 mm2。
2) 220 kV、330 kV线路工程：双分裂及以上，子导线截面大于等于400 mm2。
3) 500 kV线路工程：四分裂及以上，子导线截面大于等于500 mm2。
4) 750 kV及以上线路工程根据实际情况选择采用。
但是，该导则并没有提出明确的比较选型的依据和原则。相关的科研和设计人员都提出了节能导线的选型分析论文，有的论文侧重经济性分析，采用不同容量不同电价条件下采用全寿命周期进行经济比较 [3] ；还有的论文通过实际工程的经济效益和社会效益，确定了节能导线的使用范围定性分析 [4] ；有的论文在技术分析中提出了不同节能导线由于张力不同，造成杆塔耗钢量差异，并经济性分析中提出节能导线增加投资与节约电能回收年限的比较 [5] 。有的论文侧重技术分析，根据导线的电气性能和机械特性进行总体比较 [6] 。本文通过实际工程选型的技术经济分析，得出节能导线选型的通用定量分析方法。
2. 工程概况
本试点线路为天津地区某220/110 kV同塔四回线路，路径长约7.2千米。沿线地形为平地，交通较便利。
系统额定电压：220、110 kV；
系统最高运行电压：252、126 kV；
功率因数：0.95；
最大负荷利用小时：5000小时。
系统正常运行输送功率：220 kV正常输送功率为330.06 MW，系统极限运行输送功率为450.4 MW；110 kV正常输送功率为82.65 MW，系统极限运行输送功率为112.6 MW。
本工程设计基本风速为26.2 m/s，设计覆冰为5 mm。本工程其它气象条件与IV级典型气象区一致，本工程气象条件选取结果见表1。
根据选定的路径方案及沿线地形、气象条件，综合分析比较本工程选用2011年新修编《国家电网公司220 kV输电线路铁塔通用设计》2/1I1模块铁塔。
3. 导线结构及型号选择
3.1. 导线截面的选择
导线的截面由系统专业提资，根据系统正常运行输送功率进行导线选择，并按系统极限输送功率进行校验证。本工程220 kV导线选择截面为2 × 400 mm2，110 kV导线截面为1 × 400 mm2。
3.2. 导线分裂间距的选择
220千伏导线采用双分裂导线，分裂间距应考虑导线表面电位梯度和次档距振荡，根据导线表面电位梯度，子导线分裂间距为导线直径的11~20倍比较合适。据国际大电网会议所作的国际咨询，为有效降低尾流效应，减小次档距振荡，分裂间距D和子导线直径d的比值D/d不宜小于12~13。本工程各种子导线直径均为26.8，导线分裂间距取400 mm，分裂间距与D/d = 14.93。
3.3. 导线型号的选择
在本工程220 kV及110 kV均采用400 mm2截面规格导线的前提下，结合本工程的地形和气象条件，以及国内线路工程中导线的使用情况，本工程共选择了四种400 mm2截面导线进行比较。普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35、高导电率钢芯铝绞线JL4/G1A-400/35 (IACS: 63%)、铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220 (IACS: 62.5%)和中强度铝合金绞线JLHA3-425四种导线进行比较。各种导线的主要技术参数见表2。
4. 导线电气性能比选
4.1. 导线载流量的选择
计算中环境温度为最高气温月的平均气温。经查天津地区最热月(7月)平均最高气温多年平均值为31.2℃，本工程计算取最热月(7月)平均最高气温35℃。日照强度1000 w/m2，垂直风速0.5 m/s，导线表面辐射、散热系数均取0.9，根据《110 kV~750 kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)条文说明5.0.6公式计算。各种导线载流量和输送功率见表3。
从表中可看出，当导线允许温度从+70℃升至+80℃，导线载流量平均提高约1.22倍。在导线运行温度为+70℃情况下，参加比选的四种导线均能满足系统要求。故本工程导线允许载流量均按+70℃控制，不再考虑+80℃情况。在同样满足系统极限输送容量的前提下，各种导线运行温度有所差异。同时各种导线的载流量和极限输送功率有所差别，节能导线要比普通导线平均高出2.99%。
综合比较三种节能导线，中强度铝合金绞线JLHA3-425相对最优，铝合金芯高导率铝绞线JL3/LHA2-210/220次之，高导电率钢芯铝绞线JL4/G1A-400/35相对最差。
4.2. 交流电阻损失比较
双回交流输电线路的电阻热损失为：
(1)
式中：WQ是功率热损耗(MW/km)；N为分裂根数；I为额定工作电流(A)；re交流电阻。
Table 1. Weather conditions for transmission lines
表1. 线路工程的设计气象条件取值表
Table 2. Technical parameters of three energy-saving conductors
表2. 导线型号及技术参数表
Table 3. Current carrying capacity & transmission capacity of conductors
表3. 各种导线载流量和输送功率
计算可得在相同输送功率下，各种导线的电阻热损失按照：普通钢芯铝绞线、高导电率钢芯铝绞线、铝合金芯高导电率铝绞线和中强度铝合金绞线的顺序递减。节能导线较普通导线节能效果较好，故其电阻损失最少，在输送功率较大的线路其节能效益更明显。
5. 导线机械性能比选
5.1. 导线弧垂
导线的弧垂特性与导线的计算拉断力、铝钢截面比、自重等线材特性密切相关。结合工程实际定位情况，通过使用五种不同导线对本工程新建线路分别进行排杆定位，如表4可得出以下结论：中强度铝合金绞线JLHA3-425弧垂特性最优，JL3/LHA2-210/220弧垂特性次之。普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35和高导电率钢芯铝绞线JL4/G1A-400/35弧垂特性基本一致。总的来说，中强度铝合金绞线优于铝合金芯高导电率铝绞线优于钢芯铝绞线。因弧垂特性差异，在杆塔耗量指标方面三种钢芯铝绞线最高，铝合金芯高导电率铝绞线耗量居中，中强度铝合金绞线最低。
5.2. 导线过载能力
各导线过载能力见表5，覆冰验算的气象条件为：气温−5℃、风速10 m/s。
本工程线路设计覆冰厚度为5 mm时，表中六种导线的过载允许覆冰厚度均超过20 mm，能够满足覆冰过载要求，且有较大裕度。
中强度铝合金绞线JLHA3-425导线单位重量轻、导线张力只相对钢芯铝绞线系列略小，因此从表5可看出：导线过载冰厚特性在六种导线中相对最好。普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35仅次于中强度铝合金绞线，居于第二位。高导电率钢芯铝绞线过载能力居于第三位。铝合金芯高导电率铝绞线的过载能力在四种导线中相对最差。
Table 4. Sag & tower weight of conductors at 40˚C
表4. 导线在+40℃下弧垂及杆塔重量
Table 5. Icing overload capacity of conductors
表5. 导线过载冰厚
5.3. 导线的耐张串强度选择
随着导线铝钢截面比的变化，自重、张力及绝缘子串的受力随之发生变化。不同导线结构的耐张串安全系数不同。通过计算可得，中强度铝合金绞线JLHA3-425拉重比最大，铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220拉重比次之。普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35和高导电率钢芯铝绞线JL4/G1A-400/35相对最小。节能导线具有良好的拉重比特性，在杆塔结构设计中较普通导线有明显优势。在本工程使用条件下，4种导线结构220 kV采用2 × 120 kN耐张串、110 kV采用单联120 kN即可满足要求。
5.4. 导线对杆塔荷载的影响
各种导线结构的每相荷载见表6。
从表6可看出：两种钢芯铝绞线水平荷载、垂直荷载相同；铝合金芯高导电率铝绞线和中强度铝合金绞线水平荷载、垂直荷载相同；均大于三种钢芯铝绞线。
5.5. 导线对杆塔荷载的影响
两种钢芯铝绞线风偏角相对较小，相互之间基本无差别。高导电率钢芯铝绞线以及中强度铝合金绞线风偏角相对较大，相互间差异很小。四种导线风偏角均能满足国网通用设计2/1I1模块铁塔风偏角使用条件要求。
6. 线路造价分析
在同一设计条件下，由于导线机械特性、材质各异，除导线本身的成本外，每公里线路杆塔基数、单位钢耗量、绝缘子和附加金具的种类也略有差异，因而六种导线结构的静态投资是不一样的。
6.1. 导线用量计算
根据目前导线的市场报价，各种导线结构的每公里材料量及差价列于表7。
从表7可以看出，同普通钢芯铝绞线相比，节能导线费用均较高。综合考虑各种节能导线自重及单价的差异，铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220费用相对最低。中强度铝合金绞线JLHA3-425再次之。高导电率钢芯铝绞线JL4/G1A-400/35相对最高。
6.2. 杆塔耗钢量比较
直线塔耗钢量主要与导线水平荷载、横担长度及导线弧垂有关，而耐张塔耗钢量主要与导线张力、水平荷载有关，垂直荷载对塔重的影响不大。通过对四种不同导线结构综合分析，两种钢芯铝绞线的机械特性基本一致，故其耗钢量相等。
两种铝合金芯高导电率铝绞线自重最轻，弧垂较钢芯铝绞线小，通过排杆定位耗钢量有所减少。中强度全铝合金绞线JLHA3-425的自重只是略大于两种铝合金芯高导电率铝绞线，导线弧垂特性最优；排杆定位后可知耗钢量最小(表8)。
7. 年费用计算
考虑本工程的远景规划，随着输送功率的增加，导线的电阻损耗随之增加。为了进一步比较不同导线结构，对不同导线在不同输送功率下的年费用进行了计算。
年费用法能反映工程投资的合理性、经济性。年费用包含初次年费用、年运行维护费用、电能损耗费用及资金的利息。将各比较方案按照资金的时间价值折算到某基准年的总费用平均分布到项目运行期的各年，年费用低的方案在经济上最优。
表6. 导线的每相荷载(kN)
Table 7. Material usage & cost of conductors
表7. 导线材料量和费用
Table 8. Steel consumption of tower
表8. 杆塔耗钢量
折算到工程投运年的总投资：
(2)
式中：NF是年平均费用(万元)；n为工程使用年限；Z是折算后的工程总投资(万元)。
(3)
式中：t是从开工这一年起到计算年的年数；m为工程施工年数；Zt是第年的建设投资(万元)；r0是电力工业投资回收率；ut是运行费用(万元)。
(4)
式中：t0是工程部分投产的年份；m为工程施工年数；μ是折算年运行费用(万元)。
根据本工程的实际情况，进行最小年费用计算条件如下：
1) 经济使用年限为40年，施工期按2年计，前一年投资为60%，后一年投资为40%。
2) 年最大损耗小时数按3200 h计。
3) 设备运行维护费率为1.4%。
4) 电力工程回收率按工程投资的8%计。
5) 电价按当地实际上网电价计。
计算结果如表9。
8. 结论
8.1. 电气性能
1) 同截面的各种导线的载流量和允许输送功率基本相当，均可满足本工程的要求。
2) 五种节能导线均较普通钢芯铝绞线电阻热损失少，故节能效果显著。节能导线之间相比，中强度铝合金绞线JLHA3-425节能效果最佳、铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220次之；高导电率钢芯铝绞线JL3/G1A-400/35-48/7相对最差。
在电气性能方面，4种导线的优先顺序如下：中强度铝合金绞线JLHA3-425、铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220、高导电率钢芯铝绞线JL3/G1A-400/35-48/7、普通导线JL/G1A-400/35。
8.2. 机械性能
1) 中强度铝合金绞线JLHA3-425弧垂特性最优。铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220弧垂特性位置居中。普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35和高导电率钢芯铝绞线JL4/G1A-400/35弧垂特性基本一致，相对最差。
Table 9. Annual expense of conductors
表9. 导线的年费用
2) 中强度铝合金绞线JLHA3-425导线过载能力在四种导线中相对最好。普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35仅次于中强度铝合金绞线，居于第二位。高导电率钢芯铝绞线过载能力一致，居于第三位。铝合金芯高导电率铝绞线过载能力相同，在四种导线中相对最差。
3) 节能导线具有良好的拉重比特性，在杆塔结构设计中较普通钢芯铝绞线有明显优势。在本工程使用条件下，4种导线结构220 kV采用2 × 120 kN耐张串、110 kV采用单联120 kN即可满足要求。
4) 两种钢芯铝绞线水平荷载、垂直荷载相同；铝合金芯高导电率铝绞线和中强度铝合金绞线水平荷载、垂直荷载相同；均大于三种钢芯铝绞线。
5) 两种钢芯铝绞线风偏角相对较小，相互之间基本无差别。高导电率钢芯铝绞线以及中强度铝合金绞线风偏角相对较大，相互间差异很小。三种导线风偏角均能满足国网通用设计1E6模块铁塔风偏角使用条件要求。
在机械性能方面，4种导线的优先顺序如下：中强度铝合金绞线JLHA3-425、普通导线JL/G1A-400/35、高导电率钢芯铝绞线JL3/G1A-400/35-48/7、铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220。
8.3. 年费用法
1) 参与比选的三种节能导线的节能效果良好，其年费用相对普通钢芯铝绞线具有明显的优势。
2) 在正常输送功率下，当年最大损耗小时数为3200 h、电力工程回收率为8%、使用年限40年前提下，年费用按照：普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35、高导电率钢芯铝绞线JL4/G1A-400/35、铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA2-210/220和中强度铝合金绞线JLHA3-425的顺序递减。
8.4. 结论
本工程所在地区地形为平地，海拔高度不超过100 m；同时属于轻冰区。考虑到中强度铝合金绞线JLHA3-425机械性能较好，适合应用于本地区电力工程中。同时，该类导线电气性能较好，年费用最小；从经济性考虑，本工程推荐采用该类导线。