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导线的选择对送电线路的输送容量、电能损耗、传输特性、环境问题、技术经济指标具有较大的影响，尤其是电能损耗。对于输送容量较大的线路，浪费在电能损耗上的费用十分巨大。因此，选择满足电气、机械性能的导线及导线型式，同时降低电能损耗，实现工程全寿命周期内年费用最优，是高压输电线路设计中的重要课题[1]。
目前，常规220 kV输电线路导线一般采用双分裂。倘若改采用大截面单导线，对于导线而言，截面越大，导线、结构本体部分投资则越大，会导致工程初始投资增加。但随着导线截面增大，导线电阻减小，在输送相同容量电能时，电阻损耗将大为降低，且大截面导线的电晕损耗也相对较小，可有效削减电能损耗上的费用[2]。
为解决重载的220 kV线路损耗较大的问题，作者研究并提出了在部分重载的220 kV输电线路采用新型单根大截面节能导线以取代常规双分裂的导线型式的技术观点。通过以年费用最优为目标，在安全可靠、经济适用的基础上充分贯彻执行“两型三新一化”设计要求[3]，从新材料的角度，作者介绍了一种新型大截面的铝合金芯高导电率铝绞线（JL3/HA6-745/335）[4]。结合塔峰-郴州临武220 kV线路工程实际情况，从电气特性、机械特性及年费用等方面对新型大截面导线与常规分裂导线进行了比较，计算验证了技术观点的可行性。
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近年来，我国曾先后成功研制900 mm2、1 000 mm2、1 250 mm2大截面导线，并取得工程应用。灵绍±800 kV直流输电线路工程浙1标段，国内首次1 250 mm2平方毫米大截面导线展放在此试点[2]。研发与应用大截面导线已经成为国家电网公司推行“两型三新”型输电线路建设的重点工作。目前看来，将大截面导线运用于220 kV输电线路尚不多见。考虑到我国220 kV级输电线路的建设密集程度以及输送容量的日益增大，电能损耗造成的浪费不得不受到重视。
在满足输送容量的前提下，为保证工程全寿命周期内年费用最优，在部分重载的220 kV线路使用单根大截面导线取代双分裂导线的技术构想，具有一定的讨论的价值。以湖南永州塔峰-郴州临武220 kV线新建路工程为例，根据系统资料，线路正常输送容量为420 MVA，极限输送容量460 MVA，可研方案推荐导线截面采用2×400 mm2。对于这样的重载线路，常规双分裂导线方案造成的年电能损失接近600 MWh/km，不符合节能环保的要求。而根据极限输送容量计算，采用1 000 mm2大截面单导线可以在保证单位走廊的输送能力的同时，减小电阻损耗与电晕损失，优化电磁环境。在相同铝钢比条件下，抗覆冰能力强；相同等效截面条件下，线路荷载明显改善[2]。很明显，使用单根大截面导线与常规分裂导线相比，理论上具有一定的优势。
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一般来说导线选型在初定了导线截面与分裂型式后，即采用1 000 mm2大截面单导线后，可按等截面原则及等外径原则展开导线比选。
常规铝合金芯铝绞线作为被推广应用的节能导线，因节能效果显著，可以作为首选导线。目前，大截面的铝合金芯铝绞线在国内已有了较成熟的技术规范。作者对国内外新型导线进行了调研，发现铝合金单线的制作工艺有了较大的提升，国外多种高电气、机械性能的铝合金单线已被研制，并有相应的制作标准出台，其中执行英国标准BS EN50183:2000的铝合金单线在欧洲地区被广泛使用。英国标准BS EN50183:2000中有HA1~HA7等7种铝合金单线型号[5,6]。
按照英国标准BS EN 50183:2000及《圆线同心绞架空导线》（GB 1179—2010）[5,6]的要求，作者提出了应用一种新型铝合金芯高导电率铝绞线（JL3/HA6）的技术构想。新型铝合金芯高导电率铝绞线其铝合金线采用英标BS EN50183:2000中的“HA6”型号，与国内铝合金线相比，其强度降低不多，但是其电阻率可由52.5%IACS提高至55.6%IACS，铝线仍采用国内已经成熟应用的高导电率铝线（JL3-62.5% IACS）[7]，可以说，新型铝合金芯高导电率铝绞线（JL3/HA6）是对国内常规铝合金芯铝绞线（JL/LHA1）性能的再提升。虽然采用英标铝合金芯的新型导线在国内的应用尚属空白，但该导线的单线均有国内外的相应标准，且随着我国导线生产、制造水平的提高，新型强度更高、电阻更低的大截面导线是发展的必然趋势[7]。
综上所述，结合大截面导线与新型铝合金芯铝绞线的优势，在塔峰-郴州临武220 kV线路工程中，作者提出了导线采用单根1 000 mm2截面的新型铝合金芯高导电率铝绞线（JL3/HA6-745/335）以取代可研推荐的常规双分裂2×400 mm2导线的技术构想。
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参照文献[8]和国家电网公司节能导线试点的相关资料，依托塔峰-临武220 kV线路工程，本文将新型铝合金芯高导电率铝绞线JL3/HA6-745/335与高导电率钢芯铝绞线2×JL3/G1A-400/50、铝合金芯铝绞线2×JL/LHA1-220/230和中强度全铝合金绞线2×JLHA3-450进行比较，分析新型单根大截面节能导线与常规分裂导线的技术经济特性。导线技术参数如表1所示。
表 1 导线主要技术参数
Table 1.
Main technical parameters of conductor 参数 1×JL3/HA6-745/335 2×JL3/G1A-400/50 2×JL/LHA1-220/230 2×JLHA3-450 钢（铝合金）芯 37×3.40 54/3.07 18/3.94 － 铝（铝合金）外绞线 42×4.76 7/3.07 19/3.94 37/3.94 芯截面积/mm2 335.93 51.82 231.65 － 外绞线截面积/mm2 747.40 399.73 219.46 451.11 单重W/（kg･km-1） 2 999.6 1 509.3 1 244.6 1 246.1 外径D/mm 42.84 27.6 27.6 27.6 20 ℃直流电阻/Ω 0.026 9 0.070 1 0.068 6 0.066 8 保证拉断力T/N 219 790 122 950 104 440 108 270 -
导线电气性能主要体现在极限输送容量、电磁环境与电能损耗方面。极限输送容量是导线选型的基础，电磁环境主要体现在表面电场强度、可听噪声、无线电干扰等方面。电能损耗直接关系到导线在运行过程中的费用[9,10]。
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式中：I为允许载流量（A）；Wr为辐射散热功率（W/m）； Wf为对流散热功率（W/m）； Ws为日照吸收功率（W/m）； R't为导线的交流电阻（Ω/m）。
经计算，各种导线载流量和极限输送功率如表2所示。
表 2 各种导线的载流量及极限输送容量
Table 2.
Calculation results of current carrying capacity 导线型号与分裂型式 相导线载流量/A 极限输送容量/MW 70 ℃ 80 ℃ 70 ℃ 80 ℃ 1×JL3/HA6-745/335 1 345 1 594 487 577 2×JL3/G1A-400/50 1 500 1 752 543 634 2×JL/LHA1-220/230 1 519 1 773 549 642 2×JLHA3-450 1 539 1 797 557 650 载流量计算时，环境温度为最高气温月的平均气温，湖南地区取30 ℃。从上表计算结果可以看出,各方案导线极限输送容量相当，均满足极限输送容量。
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线路电磁环境影响主要取决于电压等级、导地线布置、导线外径、分裂数、分裂半径和表面粗糙度[10]。各导线的电磁环境计算结果如表3所示。
表 3 导线电磁环境计算结果
Table 3.
Conductive electromagnetic environment calculation results 导线型号 临界场强/（kV･cm-1） 表面最大场强/（kV･cm-1） 无线电干扰/dB 可听噪声/dB 1×JL3/HA6-745/335 19.89 11.33 42.35 36.09 2×JL3/G1A-400/50 20.69 11.93 35.57 35.62 2×JL/LHA1-220/230 20.69 11.93 35.57 35.62 2×JLHA3-450 20.69 11.93 35.57 35.62 根据计算结果，各种导线方案的电磁环境参数均满足《110 kV~750 kV架空输电线路设计规范》（GB 50545—2010）的相关规定[9]。
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电能损耗是导线电气性能最重要的部分。各导线方案按420 MW计算，电阻损耗和电晕损耗比较如表4所示。
表 4 电能损耗表
Table 4.
Power loss table 导线型号 交流电阻/(Ω･km-1) 电阻功率/(kW･km-1) 电阻损耗/(MW･h･km-1) 电晕损耗/(kW･h･km-1) 1×JL3/HA6-745/335 0.035 6 121.8 38.9 0.188 2×JL3/G1A-400/50 0.080 0 161.7 51.8 0.208 2×JL/LHA1-220/230 0.079 6 152.0 48.7 0.208 2×JLHA3-450 0.074 0 149.5 47.9 0.208 电能损耗计算时，计算电能损耗时，环境温度为当地年平均气温，湖南地区取15 ℃。由表4可以看出，各种导线方案电晕损耗较小，可以忽略，电能损耗主要取决于电阻损耗。大截面单导线在电阻损耗上大大低于常规双分裂的节能导线。1×JL3 /HA6-745/335电阻损耗约比2×JL3/G1A-400/50减小25%，比2×JL/LHA1-220/230减小21%，比2×JLHA3-450减小19%，节能效果异常显著。
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机械性能主要内容是反映导线规定安全系数下，导线的过载能力和弧垂特性。过载能力是考验在70%的额定拉断力下，导线可以承载的覆冰厚度，体现了安全裕度的储备。弧垂特性体现了为保证对地距离需要付出的杆塔高度代价，是经济性比较的基础数据；相荷载包含垂直荷载，横向荷载和纵向荷载，是控制杆塔钢材指标的关键因素。直线塔纵向受力平衡，塔材主要受横向荷载和垂直荷载控制。耐张塔要考虑断线及不均匀覆冰状态下的强度控制，塔材主要受纵向荷载和横向荷载控制。下面按湖南省地区常见气象条件计算各导线机械特性如表5所示。
表 5 导线机械性能表
Table 5.
Conductor mechanical capability 性能参数 1×JL3/HA6-745/335 2×JL3/G1A-400/50 2×JL/LHA1-220/230 2×JLHA3-450 500 m高温弧垂/m 20.69 22.24 24.26 23.26 水平荷载/kN 大风 6.91 8.89 8.89 8.89 覆冰 3.02 4.77 4.77 4.77 垂直荷载/kN 大风 11.77 11.84 9.78 9.78 覆冰 21.38 26.02 23.95 23.95 过载能力/mm Lo=300 40 33 32 32 Lo=400 36 31 30 31 Lo=500 34 30 28 29 风偏/（°） 工频 30.41 36.45 41.61 41.61 操作 15.71 19.47 23.03 23.03 雷电 7.13 8.93 10.70 10.70 相导线最大张力kN/相 83.52 93.5 79.4 82.3 由表5可以看出，在覆冰过载能力上，各导线方案均满足要求，JL3/HA6-745/335覆冰过载能力远胜其他三种导线；在高温弧垂上，JL3/HA6-745/335弧垂性能较其他三种导线更优；在相导线最大使用张力方面，单根JL3/HA6-745/335方案较JL3/G1A-400/50方案小11%，略高于JL/LHA1-220/230与JLHA3-450方案；在水平荷载方面，JL3/HA6-745/335较其他三种导线型式要小23%；在垂直荷载方面，JL3/HA6-745/335在覆冰条件下较其他三种导线型式要小；在导线风偏方面，JL3/HA6-745/335较其他三种导线型式具有较大优势。综合看来，单根JL3/HA6-745/335较常规双分裂导线而言，在弧垂、水平荷载、覆冰过载能力甚至更有优势，机械性能较好。
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导线、杆塔的本体投资有如下影响因素：
导线造价方面，根据铝锭、铝合金、加工成本和近期大截面导线的招标价格，JL3/HA6-745/335可按21 000元/t计。其他3种节能导线均按市场价计算。可以知道，导线自身质量及单价的差异，新型导线的费用总体上高于常规节能导线。导线用量及费用如表6所示。
表 6 导线用量及费用
Table 6.
Consumptions and costs of conductor 导线型号 导线总重/（t･km−1） 导线单价/（万元･t−1） 导线费用（万元･km−1） 1×JL3/HA6-745/335 8.99 2.1 18.9 2×JL3/G1A-400/50 9.05 1.6 14.5 2×JL/LHA1-220/230 7.47 1.8 13.5 2×JLHA3-450 7.47 1.8 13.5 杆塔重量方面，由于国网公司发布的输电线路通用设计主要针对钢芯铝绞线，对于钢芯高导电率铝绞线而言，其机械性能与常规钢芯铝绞线一致，可以套用2B8模块计算[11]。对于铝合金芯铝绞线、中强度全铝合以及新型导线而言，根据导线特性，优化杆塔结构，新设计杆塔对塔重指标会有较大的改善。根据每种导线适配杆塔重量如表7所示。
表 7 铁塔耗钢量
Table 7.
Steel consumptions of tower t 塔高 2×JL3/G1A-400/50 1×JL3/HA6-745/335 2×JL/LHA1-220/230 2×JLHA3-450 直线塔 24 7.13 6.77 6.70 6.70 27 7.96 7.56 7.48 7.48 30 8.48 8.05 7.97 7.97 33 9.38 8.91 8.81 8.81 36 9.75 9.26 9.17 9.17 耐张塔 18 10.82 10.38 10.17 10.28 21 12.24 11.75 11.50 11.63 24 13.24 12.71 12.44 12.58 27 14.48 13.90 13.61 13.76 30 15.66 15.03 14.72 14.88 根据单基塔重指标，按25%的耐张比进行单公里塔重指标估算，估算结果如表8所示。
表 8 单公里塔重指标
Table 8.
Indicators tower weight per km t 指标 2×JL3/G1A 1×JL3/HA6 2×JL/LHA1 2×JLHA3 -400/50 -745/335 -220/230 -450 塔重 32.89 31.93 31.29 31.61 根据塔重比较、导线费用比较，以湖南地区典型工程为基础分析，对于220 kV单回路正常输送容量为420 MW的单回路交流线路，计及土石方、基础、杆塔、导线配套金具安装、架线、附件安装的各导线方案下工程综合投资如图1所示。
图 1 各导线方案初始投资比较图
Figure 1. Comparison of initial investment of each traverse scheme
1×JL3/HA6-745/335导线方案因导线价格偏高较其他三种导线方案工程造价高8%~14%。
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以输送容量为420 MW，损耗小时数3 200 h，上网电价按0.3、0.4、0.5元/kWh分别计算，各导线电能损耗如表9所示。
表 9 各导线电能损耗费用对比表
Table 9.
Power loss cost 导线型号 电能损耗/(MWh･km−1) 电能损耗费用/(元･kWh−1) 0.3 0.4 0.5 1×JL3/HA6-780/535 389 11.67 15.56 19.45 2×JL3/G1A-400/50 518 15.54 20.72 25.90 2×JL/LHA1-220/230 487 14.61 19.48 24.35 2×JLHA3-450 479 14.37 19.16 23.95 -
对于湖南地区单回输送容量为420 MW的典型220 kV交流线路，经济使用年限按30年考虑、施工期为2年(第1年投资为60%、第2年投资为40%)、年最大损耗小时数为3 200 h、电力工程回收率为8%计算，则新型大截面单导线与常规分裂导线方案的年费用如表10所示。
表 10 年费用比较
Table 10.
Comparisons of annual cost 费用指标 1×JL3/HA6-745/335 2×JL3/G1A-400/50 2×JL/LHA1-220/230 2×JLHA3-450 工程投资/(万元･km−1) 108.20 100.2 94.7 95.2 折算后投资/(万元･km−1) 122.46 113.41 107.18 107.75 不同电价下年费用 0.3元/kWh 24.06 27.00 25.48 25.26 0.4元/kWh 27.95 32.17 30.31 30.05 0.5元/kWh 31.84 37.35 35.18 34.83 由计算结果可以知道,采用新型大截面单导线1×JL3/HA6-745/335在虽然因导线价格与杆塔使用条件原因导致工程初始投资较高，但是由于其节能效果显著，在年费用方面有较大的优势。相较双分裂导线型式，采用新型大截面单导线在不同电价下年费用将平均节省3万元/km ~5.5万元/km，4~5年即可收回初始投资差额。各方案的年费用比较如图2所示。
图 2 各导线年费用比较
Figure 2. Comparison of annual cost of each conductor
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基于我国目前对架空导线的输送能力、工程应用和经济效益提出了的新要求，作者提出了两项技术构想：
1）部分重载的220 kV输电线路存在电能损耗较大的问题，可以采用大截面单导线取代双分裂导线，通过减小电阻以降低电能损耗，优化输电线路全寿命周期内年费用。
2）随着技术的发展和有关条件的变化，我国现有大截面导线将不能完全满足输电技术发展和工程建设的需要，作者介绍了一种采用英标铝合金的大截面导线——新型铝合金芯高导电率铝绞线（JL3/HA6-745/335）。具有优秀的电气、机械性能新型大截面铝合金芯高导电率铝绞线，是国内导线发展的必然趋势。
本文以塔峰-郴州临武220 kV线路工程为例，通过单根新型铝合金芯高导电率铝绞线与常规双分裂导线的电气特性、机械特性及年费用等方面比较，得出采用单根新型铝合金芯高导电率铝绞线具有较大的年费用优势，论证了两项技术构想的可行性。
Analysis on Application of Newtype Energy-saving Conductor with Large Section in Transmission Lines
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摘要:
[目的] 为解决重载的220 kV输电线路损耗较大的问题。 [方法] 基于现今大截面导线技术与新材料的发展，提出了在重载的220 kV输电线路采用新型单根大截面导线以取代常规双分裂的导线型式的技术构想。重载的220 kV输电线路采用新型单根大截面节能导线，可以极大的节省电能损耗，降低年费用。 [结果] 以输送容量较高的塔峰-临武220 kV新建线路工程为例，对比分析了新型大截面单导线与常规双分裂导线在电气、机械特性等方面的技术差异，并采用年费用法评价了经济性。 [结论] 计算结果论证了在重载线路采用新型大截面单导线取代双分裂导线的技术方案的可行性，为大截面导线的推广应用提供了参考。 Abstract:[Introduction] In order to solve the problem of heavy load 220 kV transmission line loss. [Methods] Based on the development of large cross-section conductor technology and new materials, a new type of single large cross-section conductor was proposed to replace the conventional double split conductor in the heavy-duty 220 kV transmission line. The 220 kV transmission line with heavy load adopts a new type of single large section energy-saving conductor, which can greatly save power loss and reduce annual cost. [Results] Taking the 220 kV new transmission line project from Tafeng to Linwu with high transmission capacity as an example, the technical differences between the new large section single conductor and the conventional double bundle conductor in terms of electrical and mechanical characteristics are compared and analyzed, and the economy is evaluated by using the annual cost method. [Conclusion] The calculation results demonstrate the feasibility of using new large section single conductor instead of double bundle conductor in heavy load line, and provide reference for the popularization and application of large section conductor. -
表 1 导线主要技术参数
Tab. 1.
Main technical parameters of conductor 参数 1×JL3/HA6-745/335 2×JL3/G1A-400/50 2×JL/LHA1-220/230 2×JLHA3-450 钢（铝合金）芯 37×3.40 54/3.07 18/3.94 － 铝（铝合金）外绞线 42×4.76 7/3.07 19/3.94 37/3.94 芯截面积/mm2 335.93 51.82 231.65 － 外绞线截面积/mm2 747.40 399.73 219.46 451.11 单重W/（kg･km-1） 2 999.6 1 509.3 1 244.6 1 246.1 外径D/mm 42.84 27.6 27.6 27.6 20 ℃直流电阻/Ω 0.026 9 0.070 1 0.068 6 0.066 8 保证拉断力T/N 219 790 122 950 104 440 108 270 
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表 2 各种导线的载流量及极限输送容量
Tab. 2.
Calculation results of current carrying capacity 导线型号与分裂型式 相导线载流量/A 极限输送容量/MW 70 ℃ 80 ℃ 70 ℃ 80 ℃ 1×JL3/HA6-745/335 1 345 1 594 487 577 2×JL3/G1A-400/50 1 500 1 752 543 634 2×JL/LHA1-220/230 1 519 1 773 549 642 2×JLHA3-450 1 539 1 797 557 650
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表 3 导线电磁环境计算结果
Tab. 3.
Conductive electromagnetic environment calculation results 导线型号 临界场强/（kV･cm-1） 表面最大场强/（kV･cm-1） 无线电干扰/dB 可听噪声/dB 1×JL3/HA6-745/335 19.89 11.33 42.35 36.09 2×JL3/G1A-400/50 20.69 11.93 35.57 35.62 2×JL/LHA1-220/230 20.69 11.93 35.57 35.62 2×JLHA3-450 20.69 11.93 35.57 35.62
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表 4 电能损耗表
Tab. 4.
Power loss table 导线型号 交流电阻/(Ω･km-1) 电阻功率/(kW･km-1) 电阻损耗/(MW･h･km-1) 电晕损耗/(kW･h･km-1) 1×JL3/HA6-745/335 0.035 6 121.8 38.9 0.188 2×JL3/G1A-400/50 0.080 0 161.7 51.8 0.208 2×JL/LHA1-220/230 0.079 6 152.0 48.7 0.208 2×JLHA3-450 0.074 0 149.5 47.9 0.208
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表 5 导线机械性能表
Tab. 5.
Conductor mechanical capability 性能参数 1×JL3/HA6-745/335 2×JL3/G1A-400/50 2×JL/LHA1-220/230 2×JLHA3-450 500 m高温弧垂/m 20.69 22.24 24.26 23.26 水平荷载/kN 大风 6.91 8.89 8.89 8.89 覆冰 3.02 4.77 4.77 4.77 垂直荷载/kN 大风 11.77 11.84 9.78 9.78 覆冰 21.38 26.02 23.95 23.95 过载能力/mm Lo=300 40 33 32 32 Lo=400 36 31 30 31 Lo=500 34 30 28 29 风偏/（°） 工频 30.41 36.45 41.61 41.61 操作 15.71 19.47 23.03 23.03 雷电 7.13 8.93 10.70 10.70 相导线最大张力kN/相 83.52 93.5 79.4 82.3
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表 6 导线用量及费用
Tab. 6.
Consumptions and costs of conductor 导线型号 导线总重/（t･km−1） 导线单价/（万元･t−1） 导线费用（万元･km−1） 1×JL3/HA6-745/335 8.99 2.1 18.9 2×JL3/G1A-400/50 9.05 1.6 14.5 2×JL/LHA1-220/230 7.47 1.8 13.5 2×JLHA3-450 7.47 1.8 13.5
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表 7 铁塔耗钢量
Tab. 7.
Steel consumptions of tower t 塔高 2×JL3/G1A-400/50 1×JL3/HA6-745/335 2×JL/LHA1-220/230 2×JLHA3-450 直线塔 24 7.13 6.77 6.70 6.70 27 7.96 7.56 7.48 7.48 30 8.48 8.05 7.97 7.97 33 9.38 8.91 8.81 8.81 36 9.75 9.26 9.17 9.17 耐张塔 18 10.82 10.38 10.17 10.28 21 12.24 11.75 11.50 11.63 24 13.24 12.71 12.44 12.58 27 14.48 13.90 13.61 13.76 30 15.66 15.03 14.72 14.88
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表 8 单公里塔重指标
Tab. 8.
Indicators tower weight per km t 指标 2×JL3/G1A 1×JL3/HA6 2×JL/LHA1 2×JLHA3 -400/50 -745/335 -220/230 -450 塔重 32.89 31.93 31.29 31.61
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表 9 各导线电能损耗费用对比表
Tab. 9.
Power loss cost 导线型号 电能损耗/(MWh･km−1) 电能损耗费用/(元･kWh−1) 0.3 0.4 0.5 1×JL3/HA6-780/535 389 11.67 15.56 19.45 2×JL3/G1A-400/50 518 15.54 20.72 25.90 2×JL/LHA1-220/230 487 14.61 19.48 24.35 2×JLHA3-450 479 14.37 19.16 23.95 注：该表中各导线全寿命周期内电能损耗费用按30年的当年值计算。
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表 10 年费用比较
Tab. 10.
Comparisons of annual cost 费用指标 1×JL3/HA6-745/335 2×JL3/G1A-400/50 2×JL/LHA1-220/230 2×JLHA3-450 工程投资/(万元･km−1) 108.20 100.2 94.7 95.2 折算后投资/(万元･km−1) 122.46 113.41 107.18 107.75 不同电价下年费用 0.3元/kWh 24.06 27.00 25.48 25.26 0.4元/kWh 27.95 32.17 30.31 30.05 0.5元/kWh 31.84 37.35 35.18 34.83
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