黃豪士

（上海電纜研究所，上海市，200093）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，電力需求大幅度攀升，已經(jīng)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的輸電線路，不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的電力需求。為了解決此矛盾，我國(guó)不斷加強(qiáng)輸電網(wǎng)的建設(shè)及老舊線路的增容改造。目前，世界各國(guó)的輸電導(dǎo)線都以鋼芯鋁絞線為主，在傳輸電能的同時(shí)也不可避免地消耗一部分能量[1-10]。我國(guó)的電源大部分都集中在西部，而用電的負(fù)荷中心卻集中在東部沿海一帶，這樣長(zhǎng)距離的大規(guī)模送電，對(duì)導(dǎo)線的節(jié)能、降耗性能要求很高。

目前，我國(guó)每年用于輸電線路建設(shè)和改造的導(dǎo)線約為100萬(wàn)t。國(guó)家電網(wǎng)公司明確指示在建設(shè)輸電線路時(shí)，要建設(shè)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型，新技術(shù)，新材料，新工藝”（即兩型三新）輸電線路，其中建設(shè)資源節(jié)約型輸電線路是重中之重。因此，探索新型導(dǎo)線線種，以求高效、低耗地傳輸電能是科技工作者、制造廠、電力部門(mén)共同目標(biāo)。按照資源節(jié)約型輸電線路對(duì)導(dǎo)線的要求，研制了輸電線路節(jié)能型增（擴(kuò)）容導(dǎo)線，并提供給電力系統(tǒng)用戶(hù)試用。已試運(yùn)行的線路包括：2008年遼寧朝陽(yáng)輸電線路架設(shè)并試運(yùn)行節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線，2009年江蘇省試運(yùn)行節(jié)能型增容導(dǎo)線于110 kV線路，2009年福建省試運(yùn)行節(jié)能型增容導(dǎo)線于500 kV線路，2009年湖南省試運(yùn)行節(jié)能型增容導(dǎo)線于220 kV線路。

1 增加線路輸送容量的方案

增加線路輸送容量的方案如圖1所示。

新增輸電線路將可輸送更多的電能，但新增輸電線路需要新增用地和投資，在用地十分緊缺的今天，特別是我國(guó)東部沿海和大中城市的用地更為緊缺，這方法只能在十分必要的線路才會(huì)建設(shè)。

圖1 增加線路輸送容量的解決方案Fig.1 Solution for transmission capacity upgrading

對(duì)于老舊線路的改造，可在原有線路增大導(dǎo)線的截面積而增加輸送電能容量，但因?qū)Ь€截面增大，就需要增加塔頭高度和強(qiáng)度，甚至更換鐵塔。此種方法雖然可以增加線路輸送容量，利用原有線路路徑，但仍有較大的投資，一般須經(jīng)嚴(yán)格的計(jì)算后，在其他方法難以解決時(shí)才使用。

不改變?cè)旊娋€路路徑，也不必增強(qiáng)或改造鐵塔，只需要更換導(dǎo)線就可以增加線路輸送容量。這種導(dǎo)線幾乎與原線路用導(dǎo)線有著相同或十分相近的型號(hào)和主要參數(shù)，更換新的導(dǎo)線后，便能達(dá)到線路增容和擴(kuò)容的目的。顯然這種方法是最具吸引力的。

2 輸電線路增加輸送容量的導(dǎo)線

2.1 導(dǎo)線的主要特性

理想的輸電線路用導(dǎo)線應(yīng)具有：（1）輸送某一容量的電能時(shí)，所占有的輸電線路走廊小，所需的桿塔、導(dǎo)線、金具等材料以及施工建設(shè)的費(fèi)用比較節(jié)省，即初次投資的費(fèi)用比較低；（2）在輸電線路運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)線能耗較少，即線路是節(jié)能的。輸電線路建設(shè)過(guò)程中，需要考慮輸電工程設(shè)計(jì)、導(dǎo)線選型、建設(shè)和運(yùn)行等各個(gè)方面，特別對(duì)于建設(shè)節(jié)能型輸電線路，其節(jié)能、節(jié)約土地，抗故障能力都比目前線路有更高的要求，而正確選用導(dǎo)線非常重要。

理想的輸電線路用導(dǎo)線應(yīng)具備5項(xiàng)特征：

（1）輸電時(shí)節(jié)能，或者說(shuō)輸電時(shí)減少能耗。在所有輸電線路中所用的鋼芯鋁絞線，不論國(guó)外或是國(guó)內(nèi)，導(dǎo)線的鋁導(dǎo)體導(dǎo)電率，在20℃時(shí)均為61％IACS，即28.264 nΩ·m。節(jié)能型導(dǎo)線的導(dǎo)電率就應(yīng)該優(yōu)于61％IACS，例如，為62.5％IACS以上至63％IACS，此時(shí)導(dǎo)線在輸電時(shí)能耗可以減少2.5％～3％。

（2）線路改造建設(shè)時(shí)節(jié)材。對(duì)于老舊線路改造，一般均要求不要更換桿塔，只需更換導(dǎo)線。若按一般方法，則增容時(shí)應(yīng)加大導(dǎo)線截面積，從而增加材料，桿塔也應(yīng)加高增強(qiáng)。采用研制的節(jié)能型導(dǎo)線之后，線路輸電時(shí)可增容50％以上，甚至能增容80％～100％。

（3）新建線路采用節(jié)能型導(dǎo)線可以節(jié)約線路走廊的用地。在相同鋁導(dǎo)線截面積情況下，節(jié)能型導(dǎo)線具有能輸送常規(guī)導(dǎo)線2倍容量的能力，即建設(shè)1條節(jié)能型導(dǎo)線線路，可以有2條常規(guī)線路的送電能力，這樣可節(jié)省建設(shè)第2條線路的用地和投資。

（4）長(zhǎng)的使用壽命。節(jié)能型導(dǎo)線的鋁導(dǎo)體被制作成S、Z狀的型線，結(jié)構(gòu)比常規(guī)導(dǎo)線緊密；另外，其型線間的接觸面積大，自阻尼性能強(qiáng)，具有更強(qiáng)耐振性能。此外，SZ型線的緊湊排列，解決了導(dǎo)線的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，同時(shí)也大大地減少了縫隙腐蝕的產(chǎn)生，使導(dǎo)線的壽命大大延長(zhǎng)。

（5）優(yōu)良的性?xún)r(jià)比。當(dāng)考慮被更換導(dǎo)線的特性、節(jié)能、低弧垂和足夠長(zhǎng)的壽命條件下，新型導(dǎo)線具有優(yōu)良的性能和適當(dāng)?shù)膬r(jià)格。如果其價(jià)格大約是相同規(guī)格的鋼芯鋁絞線2倍時(shí)，由于它可以增加100％的輸送容量，可視為其價(jià)格與鋼芯鋁絞線持平，而它可以節(jié)約金具和施工費(fèi)用，還節(jié)約材料和土地。

2.2 國(guó)外增（擴(kuò)）容導(dǎo)線

為使輸電線路能增加輸送容量，可采用增大導(dǎo)線的導(dǎo)體截面積或者提高導(dǎo)線的運(yùn)行溫度。采用提高導(dǎo)線運(yùn)行溫度來(lái)增加輸送容量，現(xiàn)在國(guó)際上有2大流派的導(dǎo)線。

（1）以日本的導(dǎo)線為代表。導(dǎo)線的導(dǎo)體采用耐熱鋁合金，這種耐熱鋁合金是在鋁中添加鋯、釔等元素，使其在導(dǎo)線提高溫度時(shí)，耐熱鋁合金的強(qiáng)度降低值在允許的范圍內(nèi)。

采用這種耐熱鋁合金線制作的導(dǎo)線能在150℃及以下溫度安全使用，但遺憾的是，其導(dǎo)電率較低，在線路輸電時(shí)增加了能耗，與我國(guó)的“節(jié)能降耗”國(guó)情不符。當(dāng)它與鋼芯組合成導(dǎo)線時(shí)，其弧垂特性與相同規(guī)格的鋼芯鋁絞線相同。當(dāng)導(dǎo)線提高溫升，增大輸送容量時(shí)，弧垂量往往超出允許范圍而無(wú)法提高較大的溫升。為改善其弧垂特性，采用殷鋼（INVAR）芯代替普通的鋼芯，但殷鋼含鎳（高達(dá)36％～40％）導(dǎo)致其使用價(jià)格高昂，一般很難選用。

（2）以美國(guó)、加拿大的導(dǎo)線為代表。導(dǎo)體采用經(jīng)處理的軟鋁線，導(dǎo)電率達(dá)63％IACS，強(qiáng)度較低，只有59～76MPa，但其延伸率達(dá)20％～30％，這樣當(dāng)導(dǎo)線的溫度升高時(shí)，軟鋁線的強(qiáng)度并不會(huì)降低。這類(lèi)導(dǎo)線的芯線，可能為鍍鋅鋼絞線，碳纖維或鋁基陶瓷纖維芯，它們的延伸率均較軟鋁低，約6％或以下，因此當(dāng)導(dǎo)線受到較大外力拉伸時(shí)，首先破壞芯線。

除了采用上述2種流派的材料以外，國(guó)外還從導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改善，日本的間隙型導(dǎo)線便是重要的代表。它采用耐熱鋁合金作為導(dǎo)電材料，承力件仍為鋼芯，導(dǎo)線架設(shè)時(shí)人為地使鋼芯受力。當(dāng)線路送電時(shí)，導(dǎo)線溫度升高，其弧垂的增量取決于熱膨脹系數(shù)較小的鋼芯，這樣在輸送更大容量的電流時(shí)，弧垂也在允許范圍內(nèi)，但這種導(dǎo)線仍避免不了有較大的能損。

美國(guó)開(kāi)發(fā)并采用的自阻尼導(dǎo)線，幾乎與間隙型導(dǎo)線有相同的力學(xué)性能。它采用電工鋁線作為導(dǎo)體，改善了導(dǎo)電性能，然而它并未被采納為使用至150℃的線種，因?yàn)殡姽やX線在溫度升高后強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致電力部門(mén)沒(méi)有認(rèn)可。自阻尼導(dǎo)線的抗振能力將在線路的建設(shè)中發(fā)揮其獨(dú)特作用。

不管是間隙型導(dǎo)線或是自阻尼導(dǎo)線，為發(fā)揮其獨(dú)特的技術(shù)性能，都必須通過(guò)特殊的架設(shè)方法來(lái)完成。

2.3 國(guó)內(nèi)研制的節(jié)能型導(dǎo)線

2.3.1 工作原理

節(jié)能型增（擴(kuò)）容導(dǎo)線的特性，首先是節(jié)能。增（擴(kuò)）容導(dǎo)線為了要比原有的導(dǎo)線輸送更多的電能，其方法是增加輸送電流的容量，提高導(dǎo)線的溫升。當(dāng)導(dǎo)線的溫度升高后，線路中導(dǎo)線的弧垂便增加，溫度提升得越高，弧垂增加得越大，然而對(duì)于線路，特別是已架設(shè)好的線路，弧垂量是預(yù)先設(shè)計(jì)確定的，不能隨便變動(dòng)增加，然而又要求輸送更大的電流容量。因此，應(yīng)采取新的措施，通過(guò)特殊的加工方法，使導(dǎo)線的溫度—弧垂曲線的拐點(diǎn)（應(yīng)力轉(zhuǎn)移點(diǎn)）向較低的溫度移動(dòng)，抑制導(dǎo)線弧垂的較快增加。

2.3.2 節(jié)能型增容導(dǎo)線

節(jié)能型增容導(dǎo)線的鋁線股制成SZ形或T形的結(jié)構(gòu)，它與普通的鋼芯鋁絞線相比，結(jié)構(gòu)就更緊密了。圖2為2層式結(jié)構(gòu)的節(jié)能型增容導(dǎo)線截面圖。

圖2 2層式結(jié)構(gòu)的節(jié)能型增容導(dǎo)線截面圖Fig.2 2-layer structuralenergy-saving upgraded conductor section

這種節(jié)能型增容導(dǎo)線與相同鋁截面的鋼芯鋁絞線相比，直徑更小，可以使導(dǎo)線減少覆冰和風(fēng)載，較小的直徑和平滑的外表面能減少空氣動(dòng)力系數(shù)，降低微風(fēng)振動(dòng)和舞動(dòng)的危害。在直徑相同的情況下，增容導(dǎo)線相比鋼芯鋁絞線具有更大的鋁截面積，可以提高電暈和無(wú)線電干擾水平。鋼比為13％的400mm2鋼芯鋁絞線與節(jié)能型增容導(dǎo)線的載流量比較如表1所示。

從表1中可見(jiàn)：（1）鋁等截面積的節(jié)能型增容導(dǎo)線在100℃的載流量為949A，即達(dá)鋼芯鋁絞線70℃時(shí)的載流量150％以上；當(dāng)達(dá)到140℃時(shí)，已能輸送高至鋼芯鋁絞線70℃時(shí)的載流量2倍的容量；（2）當(dāng)節(jié)能型增容導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線等直徑時(shí)，100℃的載流量為1.094 kA，達(dá)鋼芯鋁絞線70℃時(shí)的載流量180％以上；在120℃時(shí)，載流量為1.282 kA，達(dá)鋼芯鋁絞線70℃時(shí)的載流量214％；（3）盡管導(dǎo)體溫度達(dá)100℃或120℃，節(jié)能型增容導(dǎo)線的弧垂仍不超過(guò)鋼芯鋁絞

表1 鋼芯鋁絞線與節(jié)能型增容導(dǎo)線載流量比較Tab.1 Currentcarrying comparison of ASCR to energy-saving upgraded conductor

線在70℃時(shí)的弧垂量，因此線路是安全的。

采用等直徑的節(jié)能型增容導(dǎo)線，其總拉斷力不增加，此時(shí)塔桿就可以不改變了。

節(jié)能型增容導(dǎo)線的鋁導(dǎo)體由型線制成，各線股間的接觸面積比常用導(dǎo)線的圓鋁線接觸面積大得多，即各線股之間的摩擦面積加大了。另外，節(jié)能型增容導(dǎo)線軟鋁線所受張力與工作溫度已超過(guò)遷移點(diǎn)，鋁線呈現(xiàn)出一定的松弛，這時(shí)導(dǎo)線的自阻尼特性比相應(yīng)的鋼芯鋁絞線更好，對(duì)線路的安全更有利。

2.3.3 節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線

擴(kuò)容導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)與增容導(dǎo)線大致相似，區(qū)別是擴(kuò)容導(dǎo)線在鋁導(dǎo)體與鋼芯之間存在一定間隙，在間隙中充滿(mǎn)耐高溫的潤(rùn)滑油脂，這種油脂在210℃不滴流（實(shí)際滴點(diǎn)達(dá)250℃以上）且起防腐蝕保護(hù)鋼芯作用。圖3是典型的節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線截面示意圖。

圖3 節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線截面示意圖Fig.3 Energy-saving expanded conductor section

在鋼芯受力狀態(tài)下，導(dǎo)線弧垂特性將完全取決于鋼芯特性，鋼芯的熱膨脹系數(shù)11.5×10-6/℃，為鋁的1/2。當(dāng)擴(kuò)容導(dǎo)線達(dá)140℃時(shí)，它的弧垂量與相適合的鋼芯鋁絞線在環(huán)境溫度為40℃工作溫度為70℃時(shí)基本一致，這時(shí)的載流量正好增大1倍，線路是安全的。

節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線幾乎具備節(jié)能型增容導(dǎo)線所有的性能，不同的只是直徑略大些，但卻有更為優(yōu)良的自阻尼特性，這是由于鋁線和鋼芯的固有頻率不同，在微風(fēng)的振動(dòng)下，它們相互碰撞而消耗能量。

2.3.4 高導(dǎo)電耐熱鋁導(dǎo)線

為了要增加線路的輸送容量，提高導(dǎo)線運(yùn)行溫度是一個(gè)行之有效的方法。鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線、殷鋼芯或鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線雖可以通過(guò)提高導(dǎo)線運(yùn)行溫度增大載流量且控制線路導(dǎo)線弧垂的問(wèn)題，但它們的電阻率較差，線路運(yùn)行線損增加。另外含有殷鋼的導(dǎo)線，價(jià)格高昂，影響其使用。以軟鋁導(dǎo)線為代表的系列，包括碳纖維軟鋁導(dǎo)線等線種，施工的困難與價(jià)格昂貴阻礙其使用。

高導(dǎo)電耐熱鋁導(dǎo)線是由導(dǎo)電率大于62％IACS的耐熱鋁作為導(dǎo)體，它比耐熱鋁合金導(dǎo)體提高2％IACS以上的導(dǎo)電率。在線路運(yùn)行時(shí)，減少能耗約3％，耐熱鋁能夠在150℃的高溫下運(yùn)行，而強(qiáng)度降低很小。在230℃×1 h加熱后的強(qiáng)度殘存率大于95％，優(yōu)于耐熱鋁合金的強(qiáng)度殘存率90％的水平。

高導(dǎo)電耐熱鋁導(dǎo)線的截面圖如圖4所示。

圖4 高導(dǎo)電耐熱鋁導(dǎo)線的截面圖Fig.4 High-conductive heat resistantalum inum conductor

高導(dǎo)電耐熱鋁導(dǎo)線的高導(dǎo)電耐熱鋁導(dǎo)體在導(dǎo)線的外層為S或T型，其他各層則均為圓線，經(jīng)預(yù)應(yīng)力處理的特高強(qiáng)度鍍鋅鋼線作為芯線。此種把導(dǎo)線的應(yīng)力遷移點(diǎn)提前，導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)變小，改善了導(dǎo)線的弧垂特性。這種性能優(yōu)良的導(dǎo)線與相同規(guī)格的鋼芯鋁絞線導(dǎo)線相比，至少可以增大50％的輸送容量。用于新建線路時(shí)，可按相同規(guī)格的導(dǎo)線設(shè)計(jì)線路，不僅在運(yùn)行時(shí)節(jié)能，還蘊(yùn)藏可增容50％的可能。對(duì)于老舊線路增容改造也十分有益。

3 節(jié)能型增（擴(kuò)）容導(dǎo)線與其他導(dǎo)線的比較

3.1 不同溫度時(shí)各類(lèi)導(dǎo)線的弧垂

如果用相同規(guī)格的各類(lèi)導(dǎo)線，用相等的安裝張力和條件架設(shè)在同一檔距中，導(dǎo)線弧垂將隨導(dǎo)線溫度變化。圖5是導(dǎo)線在40℃時(shí)候的弧垂，因碳纖維芯強(qiáng)度大、自重小且熱膨脹系數(shù)小，故碳纖維芯軟鋁絞線具有最小的弧垂，陶瓷纖維芯軟鋁絞線次之，其他各類(lèi)導(dǎo)線的弧垂基本相同，都在對(duì)地距離安全范圍內(nèi)。

圖5 40℃時(shí)各類(lèi)導(dǎo)線的弧垂相對(duì)位置圖Fig.5 Conductors’sag relative positionsat40℃

當(dāng)導(dǎo)線溫度升至90～100℃時(shí)，此時(shí)的載流量相當(dāng)于70℃時(shí)150％，常規(guī)鋼芯鋁合金絞線和鋼芯耐熱鋁合金絞線的弧垂己超出了對(duì)地安全距離允許值，如圖6所示。

圖6 100℃時(shí)各類(lèi)導(dǎo)線的弧垂相對(duì)位置圖Fig.6 Conductors’sag relative positionsat100℃

如圖7所示，當(dāng)導(dǎo)線溫度升至140～150℃時(shí)，此時(shí)的載流量已達(dá)70℃時(shí)的200％，即N-1狀態(tài)。常規(guī)鋼芯鋁絞線、鋼芯耐熱鋁合金絞線和鋼芯軟鋁絞線的弧垂均超出了對(duì)地安全距離允許值，而節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線的弧垂仍在安全范圍內(nèi)。

圖7 150℃時(shí)各類(lèi)導(dǎo)線的弧垂相對(duì)位置圖Fig.7 Conductors’sag relative positionsat150℃

3.2 綜合性能比較

節(jié)能型增（擴(kuò)）容系列導(dǎo)線與耐熱鋁合金型導(dǎo)線、軟型鋁導(dǎo)線等的綜合性能比較，見(jiàn)表2。

表2 各類(lèi)導(dǎo)線的綜合性能比較Tab.2 Generalper for mancecomparison of conductors

4 結(jié)語(yǔ)

為增加線路的輸送容量，節(jié)能增（擴(kuò)）容導(dǎo)線在線路建設(shè)時(shí)采用，它在輸電時(shí)節(jié)能；用于線路改造增大輸送容量時(shí)，可不必更改輸電線路，不必更換鐵塔；對(duì)于新建線路由于它蘊(yùn)藏著可增大50％～100％的輸電能力，可以節(jié)約土地；導(dǎo)線由型線絞成，結(jié)構(gòu)十分緊密，抗振耐蝕壽命長(zhǎng)；導(dǎo)線的主要材料是性能優(yōu)良的鋁和鋼線，而價(jià)格不高，有良好的性?xún)r(jià)比。

由于我國(guó)每年對(duì)導(dǎo)線的需求量很大，約100萬(wàn)t之多。近年來(lái)，我國(guó)采用多種由國(guó)外購(gòu)置的或由國(guó)內(nèi)仿造的耐熱鋁合金系列導(dǎo)線，如鋼芯耐熱鋁合金絞線、殷鋼芯耐熱鋁合金絞線等線種，它們由于導(dǎo)電率偏低，在運(yùn)行時(shí)能耗較大，且弧垂并不能減小，或能減小而價(jià)格高昂。從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，不推薦采用此類(lèi)導(dǎo)線。鋼芯軟鋁絞線、碳纖維芯軟鋁絞線等都有著很好的導(dǎo)線性能運(yùn)行時(shí)節(jié)能，但施工技術(shù)還需要完善，價(jià)格是使用與否的重要因素，所以使用時(shí)應(yīng)詳細(xì)作經(jīng)濟(jì)核算才能決定。

致謝

本文編寫(xiě)和導(dǎo)線試制時(shí)獲得江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司黃俊華、陸國(guó)欽、江建華、王國(guó)忠、李錫華、朱浩亮、張志華等同志的幫助，在此一并致謝。

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