劉俊勇,羅文

（1.廣州電力設(shè)計(jì)院，廣東廣州 510075；2.陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西西安710054）

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化建設(shè)的加快，用電量越來(lái)越大。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，使得土地資源越來(lái)越緊張，城市外圍向城區(qū)送電的架空輸電線(xiàn)路走廊受到限制。采用埋地電纜輸電線(xiàn)路投資昂貴，對(duì)原有輸電線(xiàn)路進(jìn)行改造又很困難。原有輸電線(xiàn)路輸送容量不夠、過(guò)負(fù)荷嚴(yán)重等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，針對(duì)這些問(wèn)題，我國(guó)部分城市的輸電線(xiàn)路已采用了耐熱導(dǎo)線(xiàn)來(lái)增加線(xiàn)路的輸送容量。

耐熱導(dǎo)線(xiàn)是利用導(dǎo)線(xiàn)在較高的溫度下正常運(yùn)行，從而提高導(dǎo)線(xiàn)傳輸電流密度，達(dá)到提高導(dǎo)線(xiàn)的傳輸容量，同時(shí)又具有低弧垂的特點(diǎn)。采用耐熱導(dǎo)線(xiàn)可有效緩解電力供需矛盾，緩和輸電線(xiàn)路建設(shè)上的困難。耐熱導(dǎo)線(xiàn)在全國(guó)電網(wǎng)建設(shè)中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 概述

1.1 發(fā)展?fàn)顩r

從20世紀(jì)40年代起，國(guó)際上一些國(guó)家開(kāi)始研究新型導(dǎo)線(xiàn)[1-3]。到20世紀(jì)60年代，日本開(kāi)發(fā)出耐熱鋁合金導(dǎo)線(xiàn)（TACSR），并開(kāi)始在輸電線(xiàn)路中實(shí)際應(yīng)用，使線(xiàn)路傳輸容量成倍增加。20世紀(jì)70年代，一些國(guó)家研究出鎳鐵合金殷鋼，采用殷鋼芯取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線(xiàn)鋼芯。同時(shí)，美國(guó)和加拿大開(kāi)發(fā)出了鋼芯軟鋁絞線(xiàn)，采用軟鋁線(xiàn)替代導(dǎo)線(xiàn)中的普通鋁線(xiàn)。20世紀(jì)90年代，日本和美國(guó)利用有機(jī)復(fù)合材料又相繼開(kāi)發(fā)出了碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)（ACCC）、鋁基陶瓷纖維芯軟鋁絞線(xiàn)（ACCR）[4-5]。

日本于20世紀(jì)60年代開(kāi)始在輸電線(xiàn)路實(shí)際應(yīng)用普通耐熱導(dǎo)線(xiàn)（TACSR），到1997年日本耐熱導(dǎo)線(xiàn)全國(guó)使用量達(dá)到輸電線(xiàn)路總長(zhǎng)的70豫。韓國(guó)在20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始大面積使用耐熱導(dǎo)線(xiàn)。歐洲、美國(guó)、加拿大等國(guó)已廣泛采用耐熱導(dǎo)線(xiàn)，東南亞各國(guó)的使用量也在逐年增加。

我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)出導(dǎo)電率58%和60%的IACS耐熱鋁合金導(dǎo)線(xiàn)。1986年首先在安徽繁昌500 kV變電站采用國(guó)產(chǎn)58%導(dǎo)電率耐熱鋁合金絞線(xiàn)（NRLH58GJ）作為母線(xiàn)，取得明顯的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)輸電線(xiàn)路最早采用耐熱導(dǎo)線(xiàn)輸電技術(shù)是在1995年，線(xiàn)路采用國(guó)產(chǎn)鋼芯58%導(dǎo)電率耐熱鋁合金絞線(xiàn)（NRLH58GJ-240/30）更換舊導(dǎo)線(xiàn)，載流量從445 A提高到611 A[6-7]。接著在深圳、山東、廣東、上海、北京、江蘇、寧夏等地也相繼有耐熱導(dǎo)線(xiàn)的項(xiàng)目投入運(yùn)行。采用的產(chǎn)品主要有普通耐熱導(dǎo)線(xiàn)TACSR、超耐熱導(dǎo)線(xiàn)ZTACIR、UTACSR，特耐熱導(dǎo)線(xiàn)XTACIR，間隙式耐熱導(dǎo)線(xiàn)GTACSR。

目前國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有多家生產(chǎn)廠商具備生產(chǎn)耐熱導(dǎo)線(xiàn)的能力，如武漢電纜、青島漢纜、上海中天、山東魯能等。

1.2 耐熱導(dǎo)線(xiàn)種類(lèi)

耐熱導(dǎo)線(xiàn)一般是在鋁材中適當(dāng)添加金屬鋯（Zr）元素形成鋁鋯合金[8-9]，來(lái)大幅提高鋁材的耐熱性能，耐熱鋁合金分類(lèi)如表1。

表1 耐熱鋁合金的分類(lèi)

表2 不同類(lèi)型的耐熱鋁合金及不同的芯線(xiàn)組合出的多種產(chǎn)品

耐熱鋁合金導(dǎo)線(xiàn)根據(jù)其外絞線(xiàn)和鋼芯結(jié)構(gòu)的不同，它們分為普通鋼芯耐熱導(dǎo)線(xiàn)、鋼芯超耐熱導(dǎo)線(xiàn)、特強(qiáng)鋼芯超耐熱導(dǎo)線(xiàn)和殷鋼芯特耐熱導(dǎo)線(xiàn)等各種耐熱導(dǎo)線(xiàn)，組合成不同耐熱導(dǎo)線(xiàn)（如表2）。

另有一種耐熱導(dǎo)線(xiàn)，其外層導(dǎo)電部分為全退火軟鋁線(xiàn)。軟鋁導(dǎo)線(xiàn)可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在150益，短時(shí)運(yùn)行在200益，導(dǎo)電率為63%（IACS），比硬鋁線(xiàn)高。它具有屈服強(qiáng)度很低而延伸率很大的特性，與一般鋼芯組成鋼芯軟鋁線(xiàn)（ACSS），用有機(jī)復(fù)合材料碳纖維做承力芯組合成碳纖維芯復(fù)合鋁絞線(xiàn)（ACCC）。

2 耐熱導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)及性能

2.1 結(jié)構(gòu)原理

2.1.1 導(dǎo)電部分結(jié)構(gòu)

我國(guó)架空輸電線(xiàn)路以L(fǎng)GJ系列鋼芯鋁絞線(xiàn)（ACSR）為主，鋼芯鋁絞線(xiàn)中的硬鋁導(dǎo)體的連續(xù)使用溫度為70益耀90益（我國(guó)目前為80益），導(dǎo)電率在20益下為61%（IACS），輸電容量受到了限制。

耐熱導(dǎo)線(xiàn)是采取提高導(dǎo)線(xiàn)允許溫度，增大導(dǎo)線(xiàn)輸送電流，從而提高線(xiàn)路輸送容量，并且保持良好的機(jī)械特性，滿(mǎn)足一定的弧垂要求的。

提高金屬鋁耐熱性能方法有2種，一種是在鋁材料中添加金屬元素鋯（Zr）[10-11],可以大幅提高鋁材的耐熱性能，導(dǎo)電率可保持在58%（IACS）及以上。另一種方法是對(duì)鋁導(dǎo)體經(jīng)熱處理成為導(dǎo)電率為63%（IACS）的軟鋁，可以在200益運(yùn)行，它具有屈服強(qiáng)度很低而延伸率很大的特性。

2.1.2 承力部分結(jié)構(gòu)

由于導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行溫度的提高，弧垂也將隨溫度增大。為了適應(yīng)線(xiàn)路架設(shè)中的弧垂要求，一般是采用線(xiàn)膨脹系數(shù)低的材料代替導(dǎo)線(xiàn)中心的普通鋼芯?，F(xiàn)比較常用的是選用殷鋼，殷鋼是由鐵和鎳等元素組成的一種鎳鐵合金，殷鋼線(xiàn)膨脹系數(shù)只有普通鋼材的1/3，約為3.6伊10-6/益(普通鋼材為11.5伊10-6/益)。還有一種是采用有機(jī)復(fù)合材料碳纖維替代導(dǎo)線(xiàn)中心的金屬材料作為承力部分，碳纖維線(xiàn)膨脹系數(shù)只有約1.6伊10-6/益，其抗拉強(qiáng)度大于普通鋼芯，且重量輕。

另外有一種間隙型鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)，采用特殊的加工和施工方法使導(dǎo)線(xiàn)的所有張力均落在鋼芯上，導(dǎo)線(xiàn)帶電運(yùn)行時(shí)的馳度變化即取決于鋼芯的線(xiàn)膨脹（鋼芯的線(xiàn)膨脹系數(shù)為11.5伊10-6/益），鋁線(xiàn)的線(xiàn)膨脹對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的馳度變化不起作用。實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部張力的轉(zhuǎn)移，使導(dǎo)線(xiàn)在高溫條件下維持低馳度來(lái)降低線(xiàn)路弧垂。

2.2 性能

2.2.1 導(dǎo)線(xiàn)電阻的比較

交流電阻是計(jì)算導(dǎo)線(xiàn)載流量的主要參數(shù)。交流電阻的大小和導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、截面積、鋁合金導(dǎo)電率有關(guān)。根據(jù)部分廠家的資料,現(xiàn)列出各種導(dǎo)線(xiàn)的電阻值及最大載流量（見(jiàn)表3）。

表3 導(dǎo)線(xiàn)電阻值及載流量

由表3相近截面導(dǎo)線(xiàn)電阻值的比較，在相同溫度下導(dǎo)線(xiàn)的電阻值較接近。相同截面和相同溫度情況下，碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線(xiàn)（ACCC/TW）電阻值最小。

根據(jù)導(dǎo)線(xiàn)的載流量來(lái)比較，普通鋼芯鋁絞線(xiàn)LGJ-630/45在70益的載流量與截面280 mm2耐熱導(dǎo)線(xiàn)在140益的載流量相近。最大載流量時(shí)耐熱導(dǎo)線(xiàn)電阻值是普通鋼芯鋁絞線(xiàn)LGJ-630/45的2.8倍。

2.2.2 導(dǎo)線(xiàn)機(jī)械性能

導(dǎo)線(xiàn)的機(jī)械性能主要是它的弧垂特性。導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行溫度升高后，弧垂會(huì)增加。影響導(dǎo)線(xiàn)弧垂的參數(shù)主要有抗拉強(qiáng)度、彈性模量和線(xiàn)膨脹系數(shù)。各種類(lèi)型導(dǎo)線(xiàn)（以鋁導(dǎo)體截面為240 mm2為例）機(jī)械參數(shù)和導(dǎo)線(xiàn)材料的參數(shù)值見(jiàn)表4、表5。

普通鋼芯鋁絞線(xiàn)中的硬鋁導(dǎo)線(xiàn)的屈服點(diǎn)在90益，鋁將軟化，由鋼芯主要受力，導(dǎo)線(xiàn)工作段的線(xiàn)膨脹系數(shù)為（18耀20）伊10-6/益。

耐熱鋁合金導(dǎo)線(xiàn)屈服點(diǎn)在150益以上。間隙型耐熱導(dǎo)線(xiàn)GZTACSR采用特殊的生產(chǎn)工藝和施工方法，使導(dǎo)線(xiàn)張力在弛度增加時(shí)都落在鋼芯上，導(dǎo)線(xiàn)的熱膨脹性能與鋼芯熱膨脹性能相近。殷鋼芯超耐熱鋁合金導(dǎo)線(xiàn)STACIR/AW采用殷鋼做線(xiàn)芯，使導(dǎo)線(xiàn)整體熱膨脹系數(shù)降低了。碳纖維復(fù)合芯鋁絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)外層為梯型軟鋁線(xiàn)，全退火軟鋁線(xiàn)易屈服，在較低溫度時(shí)將導(dǎo)線(xiàn)載荷轉(zhuǎn)移到線(xiàn)芯上，導(dǎo)線(xiàn)的熱膨脹性能與碳纖維芯熱膨脹性能相近。耐熱導(dǎo)線(xiàn)一般是采用上述方法來(lái)降低導(dǎo)線(xiàn)弧垂以滿(mǎn)足現(xiàn)狀要求。

表4 導(dǎo)線(xiàn)的機(jī)械參數(shù)

表5 導(dǎo)線(xiàn)材料的機(jī)械參數(shù)

由表4相近截面和載流量導(dǎo)線(xiàn)的比較，碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線(xiàn)ACCC/TW熱膨脹系數(shù)最小，其次為間隙型鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)GZTACSR；抗拉力最好的是碳纖維芯復(fù)合軟鋁導(dǎo)線(xiàn)ACCC/TW。

根據(jù)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)材料的比較，碳纖維芯熱膨脹系數(shù)最小、抗拉強(qiáng)度最大、比重最??；鍍鋅殷鋼線(xiàn)熱膨脹系數(shù)比鍍鋅鋼線(xiàn)小，抗拉強(qiáng)度不如鍍鋅鋼線(xiàn)。

3 經(jīng)濟(jì)比較

3.1 金具使用比較

由于耐熱導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行溫度較高，現(xiàn)階段耐熱導(dǎo)線(xiàn)金具（耐張線(xiàn)夾、懸垂線(xiàn)夾、跳線(xiàn)線(xiàn)夾、防振錘等）均為生產(chǎn)廠家配套提供，金具價(jià)格較貴，同截面導(dǎo)線(xiàn)中耐熱導(dǎo)線(xiàn)金具為普通鋼芯鋁絞線(xiàn)金具的6耀10倍。對(duì)于輸送相同載流量的導(dǎo)線(xiàn)，耐熱導(dǎo)線(xiàn)金具為普通鋼芯鋁絞線(xiàn)金具的3.5倍以上。由于各種耐熱導(dǎo)線(xiàn)的金具各不相同，對(duì)金具形式上的選擇也產(chǎn)生了局限性。

3.2 工程造價(jià)比較

耐熱導(dǎo)線(xiàn)主要是應(yīng)用在工程改造中。采用耐熱導(dǎo)線(xiàn)只需要更換相近截面規(guī)格的耐熱導(dǎo)線(xiàn)，基本上不需要征用土地更換鐵塔，就能使原有線(xiàn)路提高了約100%輸電容量，不僅節(jié)約了工程投資、架塔所需的土地資源，而且縮短了施工時(shí)間，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)于需要高強(qiáng)度、容量大的線(xiàn)路，如大跨越線(xiàn)路，在降低工程投資而達(dá)到提高線(xiàn)路輸送容量和線(xiàn)路安全性，也具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

由于生產(chǎn)工藝和導(dǎo)線(xiàn)材料的不同，各種耐熱導(dǎo)線(xiàn)的價(jià)格有很大差異，現(xiàn)列各種導(dǎo)線(xiàn)的單價(jià)及每千米線(xiàn)路（三相）導(dǎo)線(xiàn)價(jià)格，見(jiàn)表6。

由相同單位長(zhǎng)度的導(dǎo)線(xiàn)價(jià)格來(lái)看，耐熱導(dǎo)線(xiàn)中間隙型耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)GZTACSR價(jià)格最便宜，其價(jià)格是相近截面普通鋼芯鋁絞線(xiàn)LGJ-240/40導(dǎo)線(xiàn)的5倍；相同最大輸送容量情況下，其價(jià)格是普通鋼芯鋁絞線(xiàn)LGJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)的2.4倍。

對(duì)原有輸電線(xiàn)路進(jìn)行擴(kuò)容改造，采用耐熱導(dǎo)線(xiàn)只增加了導(dǎo)線(xiàn)、金具及施工費(fèi)用。以間隙型耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)GZTACSR-240導(dǎo)線(xiàn)為例，最大輸送容量與普通鋼芯鋁絞線(xiàn)LGJ-630/45相同，間隙型耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)和金具（只含耐張線(xiàn)夾、懸垂線(xiàn)夾、跳線(xiàn)線(xiàn)夾、防振錘等）費(fèi)用增加了約2.5倍。對(duì)廣州城郊丘陵地帶正在進(jìn)行的100 kV雙回同塔線(xiàn)路，原單回輸送電路為500 A，需增容到輸送電流950 A時(shí)，利用原有雙回同塔線(xiàn)路更換耐熱導(dǎo)線(xiàn)，與拆除原有線(xiàn)路重新建設(shè)采用普通鋼芯鋁鉸線(xiàn)作比較，整個(gè)工程造價(jià)降低約40%，并縮短了工程建設(shè)時(shí)間。

3.3 線(xiàn)路損耗比較

導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)損指在導(dǎo)線(xiàn)輸送電流時(shí)在導(dǎo)線(xiàn)上產(chǎn)生的電能損耗。耐熱導(dǎo)線(xiàn)提高了導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行溫度和載流量，同時(shí)也會(huì)使導(dǎo)線(xiàn)交流電阻值增大、線(xiàn)路電能損耗增加，以下根據(jù)部分廠家的耐熱導(dǎo)線(xiàn)和普通導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

普通鋼芯鋁合金絞線(xiàn)LGJ-240/40的直流電阻不大于0.120 9贅/km，LGJ-630/45的直流電阻不大于0.046 33贅/km，間隙型耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)GTACSR-240 mm2的直流電阻大于0.117 9贅/km，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)ACCC/TW-240 mm2的直流電阻大于0.116贅/km（以上為20益時(shí)的電阻值）。

3.3.1 功率損耗計(jì)算

3.3.2 輸送容量為100 MV·A/km線(xiàn)路損耗

普通鋼芯鋁合金絞線(xiàn)LGJ-240/40功率損耗為（導(dǎo)線(xiàn)溫度按70益計(jì)算）

間隙型耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)GTACSR-240mm2功率損耗為

碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)ACCC/TW-240 mm2功率損耗為

輸送容量為160

3.3.3 輸送容量為160 MV·A/km線(xiàn)路損耗

普通鋼芯鋁合金絞線(xiàn)LGJ-630/45功率損耗為（導(dǎo)線(xiàn)溫度按70益計(jì)算）125.884 kW;間隙型耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)GTACSR-240 mm2功率損耗為（導(dǎo)線(xiàn)溫度按140益計(jì)算）369.823 kW;碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)ACCC/TW-240 mm2功率損耗為（導(dǎo)線(xiàn)溫度按140益計(jì)算）360.937 kW;110 kV架空線(xiàn)路相同輸送容量（100 MV·A）下每km線(xiàn)路普通鋼芯鋁合金絞線(xiàn)LGJ-240/40功率損耗為120.16 kW，間隙型耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)GTACSR-240 mm2功率損耗為117.19 kW，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)ACCC/TW-240 mm2功率損耗為114.54 kW，幾種導(dǎo)線(xiàn)功率損耗接近。

110 kV架空線(xiàn)路相同輸送容量（160 MV·A）下每km線(xiàn)路普通鋼芯鋁合金絞線(xiàn)LGJ-630/45功率損耗為125.884 kW，間隙型耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)GTACSR-290 mm2功率損耗為369.823 kW。碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)ACCC/TW-240 mm2功率損耗為360.937 kW，耐熱導(dǎo)線(xiàn)功率損耗是普通鋼芯鋁合金絞線(xiàn)LGJ-630/45的2.8倍。

根據(jù)以上計(jì)算的功率損耗結(jié)果，在輸送容量為160 MV·A時(shí)每千米耐熱導(dǎo)線(xiàn)功率損耗占0.225%。如果按年最大負(fù)荷利用時(shí)間為3 000 h最大負(fù)荷（160 MV·A）占30%計(jì)算，最大負(fù)荷時(shí)每千米年電能損耗為324.84 MW·h，采用普通鋼芯鋁合金絞線(xiàn)LGJ-630/45每km年電能損耗為113.30 MW·h。最大負(fù)荷時(shí)耐熱導(dǎo)線(xiàn)每km年電能多損耗211.54 MW·h，如果按每度電0.2元價(jià)格計(jì)算，最大負(fù)荷時(shí)年電能損耗增加42.308萬(wàn)元。

4 總結(jié)

1）耐熱導(dǎo)線(xiàn)主要是應(yīng)用于擴(kuò)容改造、大跨越的架空線(xiàn)路中。擴(kuò)容改造采用耐熱導(dǎo)線(xiàn)無(wú)需對(duì)現(xiàn)有鐵塔進(jìn)行改造，在保持與原線(xiàn)路（普通鋼芯鋁絞線(xiàn)）相近的弧垂情況下，成倍提高整個(gè)線(xiàn)路的載流量，并縮短整個(gè)工程施工時(shí)間。

耐熱導(dǎo)線(xiàn)在提高輸送容量的同時(shí)也提高了導(dǎo)線(xiàn)的溫度，導(dǎo)線(xiàn)溫度的提高也增大了導(dǎo)線(xiàn)電阻，相應(yīng)增加線(xiàn)路的功率損耗。因此對(duì)于長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路和長(zhǎng)期大容量輸電線(xiàn)路采用耐熱導(dǎo)線(xiàn)不經(jīng)濟(jì)。因特殊情況需要短時(shí)大容量輸送電能的輸電線(xiàn)路采用耐熱導(dǎo)線(xiàn)，可降低工程造價(jià)，增加電網(wǎng)的可靠性，對(duì)線(xiàn)路損耗增加很少。

2）對(duì)于需要增加1倍的輸送電流而采用耐熱導(dǎo)線(xiàn)，現(xiàn)階段最多的是采用殷鋼芯特耐熱鋁合金鉸線(xiàn)STACIR，其施工方法與普通導(dǎo)線(xiàn)相同，在輸電線(xiàn)路中運(yùn)行時(shí)間已久，但價(jià)格最貴。間隙型耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)GTACSR需要特殊的施工工具和施工方法，到目前為止，全國(guó)在運(yùn)行的數(shù)量不多，但其市場(chǎng)價(jià)格最低。碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)ACCC/TW需要特殊的施工工具和施工方法，它具有重量輕、導(dǎo)電率高、線(xiàn)膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)，全國(guó)已有少量線(xiàn)路安裝運(yùn)行，目前還處于試驗(yàn)階段。

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