0 引言近年来，碳纤维导线在内蒙古包头、呼和浩特城区电网增容改造中得到广泛应用。改造时利用了原有的杆塔和基础，仅更换了导线即达到增容效果。但是，对于新建线路，碳纤维导线由于价格昂贵，与相同截面积的钢芯铝绞线相比，其单公里造价不具优势。而在相同传输容量的条件下，虽然碳纤维导线的截面积比普通导线小得多，但线路综合造价仍需进行详细计算对比。本文针对新建黑河—和林220 kV输电线路工程，对比分析采用普通钢芯铝绞线和3种不同碳纤维导线设计方案的技术性及经济性，为该工程推荐既能满足输送容量要求且年费用最小的导线方案。 1 工程概况

新建黑河—和林220 kV输电线路工程，线路路径全部位于内蒙古呼和浩特市，起于黑河220 kV变电站，止于和林220 kV变电站，采用单回路架设，线路全长约27.0 k m，海拔高度<1000 m，导线采用截面积为2×400 mm²普通导线或碳纤维导线。输电系统参数见表 1所示。

表 1(Table 1)

表 1 输电系统参数

表 1 输电系统参数

该工程线路应保证极限输送容量为600 MW，按正常运行输送容量100 MW考虑，推荐选用双分裂、截面积400 mm²钢芯铝绞线或碳纤维导线，电流密度为0.55~1.0 A/mm²，导线分裂间距为400 mm。

为满足输送容量要求，可供选择的常规导线类型有钢芯铝绞线（JL/G1A-400/35）、碳纤维导线（ACCC/LH-185/25、ACCC/LH-210/35、ACCC/LH-240/35）4 种。根据《GB/T 1179—2008 圆线同心绞架空导线》^[1]，各种导线的主要技术参数见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 各型号导线技术参数

表 2 各型号导线技术参数

《GB 50545—2010 110 kV~750 kV 架空输电线路设计规范》^[2]规定：“验算导线允许载流量时，钢芯铝绞线的允许温度采用70 ℃，必要时可采用80 ℃。”本工程钢芯铝绞线最高允许温度采用70 ℃和80 ℃ 2种方案进行计算。为方便与钢芯铝绞线比较，碳纤维导线采用70 ℃、80 ℃和160 ℃ 3种方案进行计算（通常碳纤维导线的允许温度为160 ℃）。

计算中环境温度为最高气温月的平均气温，根据当地气象统计资料，计算导线载流量的环境温度为35 ℃，日照强度1000 W/m²，风速0.5 m/s，导线表面辐射、吸热系数均取0.9，根据GB 50545—2010中5.0.6公式进行计算。

W_R—单位长度导线的辐射散热容量，W/m；

W_F—单位长度导线的对流散热容量，W/m；

W_S—单位长度导线的日照吸热容量，W/m；

R_t'—允许温度下导线的交流电阻，Ω/m。

其中，交流电阻计算按照《JCS 0374：2003 裸线载流量计算方法》^[3]要求，首先计算对应于使用温度为20 ℃时的直流电阻RDC（20），可通过式（2）求得：

交流电阻R'_t计算公式为：

经计算，不同温度下各种导线载流量和最大输送容量计算结果（计算过程省略）见表 3所示^[4]。

表 3(Table 3)

表 3 各种导线载流量和最大输送容量计算结果

表 3 各种导线载流量和最大输送容量计算结果

该工程采用的钢芯铝绞线导线允许载流量计算按温度80 ℃控制，碳纤维导线按温度160 ℃控制。参与比选的4种导线的最大输送容量均高于输电系统极限输送容量（600 MW），满足系统要求。3种碳纤维导线最大输送容量要比普通钢芯铝绞线分别高出10%、19.5%和30.6%。 3.2 交流电阻热损失

单回交流输电线路的电阻热损失计算公式为：

N—分裂根数；

I—单回路每根导线的额定工作电流，A；

r_e—导线的交流电阻，Ω/km。

根据公式（3）、（4）计算方法，该工程所选导线的交流电阻和电阻损耗参数见表 4所示。从表 4数据可以看出，电阻热损失相差较大。当线路的输送容量较大时，其交流电阻热损失也就越大；JL/G1A-400/35型钢芯铝绞线的节能效果最好，ACCC/LH-240/35型碳纤维导线次之（1.6~1.8倍），ACCC/LH-185/25型碳纤维导线最差（2.1~2.5倍）。

表 4(Table 4)

表 4 单根导线的交流电阻和电阻损耗参数

表 4 单根导线的交流电阻和电阻损耗参数

在同一气象条件和路径方案下，由于导线材质不同，其价差非常大；导线机械特性不同所造成的杆塔耗钢量、基础混凝土用量和钢筋用量也有差别，因而4种导线方案的静态投资不同。4.1 导线用量

目前市场上普通导线的价格约为1.7 万元/t；按照某碳纤维导线生产厂家提供的价格（ACCC/LH-185/25：82 元/m；ACCC/LH-210/35：84 元/m；ACCC/LH-240/35：86 元/m）计算，4种导线方案的每km材料量及差价（以27 km计）见表 5所示。

表 5(Table 5)

表 5 导线的材料量及费用（按长度27 km计算）

表 5 导线的材料量及费用（按长度27 km计算）

由表 5数据可以看出：JL/G1A-400/35型钢芯铝绞线的导线费用最低。价差最小的ACCC/LH-185/25型碳纤维导线比JL/G1A-400/35型碳纤维导线高出956.889万元，约是后者价格的3.57倍。4.2 杆塔与基础耗材量

根据实地测量获得的线路平断面，分别采用所选4种导线对线路进行了排位，统计用料量情况如表 6所示。

表 6(Table 6)

表 6 杆塔和基础耗材用量（按长度27 km计算）

表 6 杆塔和基础耗材用量（按长度27 km计算）

如果以钢筋5000 元/t、塔材8000 元/t、混凝土1000 元/m³ 的价格估算，采用JL/G1A-400/35 型、ACCC/LH-185/25 型、ACCC/LH-210/35 型、ACCC/LH-240/25型导线的杆塔与基础耗材量的造价分别为881.4万元、740.8万元、781.6万元、806.5万元。4.3 造价分析

通过计算分析可以看出，杆塔与基础耗材量价差与导线价差相比小得多，导线价差是影响工程造价的最大因素。使用JL/G1A-400/35 型、ACCC/LH-185/25型、ACCC/LH-210/35型、ACCC/LH-240/25 型导线的每km 静态造价分别为91.296 万元、106.481万元、114.741万元、121.704万元。采用JL/G1A-400/35型钢芯铝绞线，线路初期静态投资造价低于3种碳纤维导线。5 年费用计算 5.1 最小年费用计算方法

考虑本工程的远景规划，随着线路输送容量的增加，导线的电阻损耗随之增加。为了进一步比较不同导线的经济性，对4种导线在不同输送容量下的年费用进行了计算。

最小年费用法是全寿命管理中一种常用的算法，它能反映工程投资的合理性和经济性，为工程方案比选和决策提供依据^[5]。按《电力工业部（82）电计字第44号文电力工程经济分析暂行条例》第十五条，经济计算—年费用最小法的计算方法^[6]，该线路工程年费用简化计算公式为（折算到工程投运年的总投资）：

r₀—电力工程投资回收率；

n—工程的经济使用年限；

Z—折算后的工程总投资，万元；

μ—折算年运行费用，万元。5.2 不同导线的年费用计算

根据本工程的实际情况，进行最小年费用计算条件为：经济使用年限为30 a，施工期按2 a计，前1年投资为总投资额的60%，第2年投资为40%；年最大损耗小时数按2200 h 计；设备运行维护费率为2.0%；电力工程回收率按工程投资的8%计；电价按当地实际上网电价计，本工程按0.3109 元/kWh计算。计算数据及结果见表 7。

表 7(Table 7)

表 7 导线在不同输送容量的年费用计算结果

表 7 导线在不同输送容量的年费用计算结果

通过表 7计算结果可以看出：从正常输送容量100 MW到极限输送容量600 MW，当输送容量相同时，2×JL/G1A-400/35型钢芯铝绞线的年费用最小，经济性最好。6 结论

在黑河—和林220 kV输电线路工程中，通过对采用钢芯铝绞线（JL/G1A-400/35）、碳纤维导线（ACCC/LH-185/25、ACCC/LH-210/35、ACCC/LH-240/35）4种不同导线设计方案的技术性和经济性分析^[7]，可以得出以下结论：

（1） 该工程钢芯铝绞线导线允许载流量按运行温度80 ℃控制，碳纤维导线按160 ℃控制。4种导线的极限输送容量均高于600 MW，满足系统要求；

（2） 各型号导线交流电阻损失计算结果排序为：JL/G1A-400/35 型<ACCC/LH-240/35 型<ACCC/LH-210/35型<ACCC/LH-180/25型；

（3） 对4 种导线的推荐方案降序排序为：JL/G1A-400/35型钢芯铝绞线、ACCC/LH-240/35型碳纤维导线、ACCC/LH-210/35型碳纤维导线、ACCC/LH-180/25型碳纤维导线。

（4） JL/G1A-400/35 型钢芯铝绞线静态投资低，年费用最低，且其电阻损耗小，具有良好的节能效果。相比之下，3种碳纤维导线节能效益较差，年费用高，因此在该新建线路工程中不推荐采用。