忽 翔

(安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230022)

0 引言

輸電線路進(jìn)行增容改造，國(guó)內(nèi)在倍容導(dǎo)線未使用之前，通常都是利用原線路通道，重新新建桿塔架設(shè)大截面導(dǎo)線或保持原線路桿塔基礎(chǔ)配置不變，更換如鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線這類(lèi)傳統(tǒng)的增容導(dǎo)線。前者，由于重新新建桿塔基礎(chǔ)，建設(shè)時(shí)民事協(xié)調(diào)難度較大，往往延誤了建設(shè)工期;后者，由于傳統(tǒng)的增容導(dǎo)線的輸送容量只比同截面鋼芯鋁絞線提高約40% ～60%，［1］往往無(wú)法滿足增容要求更高的線路。近年來(lái)，隨著倍容導(dǎo)線在實(shí)際工程中的應(yīng)用，傳統(tǒng)導(dǎo)線增容方式的局限性得到了有效解決。目前，由于倍容導(dǎo)線尚沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品種類(lèi)和型號(hào)眾多，這就要求在具體工程中應(yīng)用倍容導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)對(duì)不同的倍容導(dǎo)線進(jìn)行嚴(yán)格比選，以便找出適合具體工程的倍容導(dǎo)線。

1 倍容量導(dǎo)線

行業(yè)內(nèi)把在材料及結(jié)構(gòu)上經(jīng)過(guò)特殊處理，與普通鋼芯鋁絞線相比，在外徑和重量相當(dāng)?shù)那闆r下，載流量達(dá)到同規(guī)格鋼芯鋁絞線的兩倍以上的絞線稱(chēng)為倍容導(dǎo)線。

2 倍容量導(dǎo)線種類(lèi)和特性

目前已在工程中實(shí)際使用的倍容量導(dǎo)線主要有殷鋼芯倍容導(dǎo)線、間隙型鋼芯倍容導(dǎo)線、鋁基陶瓷纖維芯鋁絞線、碳纖維復(fù)合芯軟鋁線四種類(lèi)型。

2.1 殷鋼芯倍容導(dǎo)線

殷鋼芯倍容導(dǎo)線目前主要有殷鋼芯超耐熱鋁合金絞線和殷鋼芯特耐熱鋁合金絞線，分別是由殷鋼線和超(特)耐熱鋁合金線絞制的導(dǎo)線。其導(dǎo)線剖面圖如圖1所示［2］。

圖1 殷鋼芯導(dǎo)線剖面圖

由于導(dǎo)線外層采用超(特)耐熱鋁合金線，可提高導(dǎo)線的運(yùn)行溫度至210℃，從而使導(dǎo)線載流量是相同截面的普通鋼芯鋁絞線的兩倍。［3］

殷鋼是由鐵、鎳合金材料制成，具有優(yōu)良的高溫軟化特性，由于這種材料線膨脹系數(shù)為3.7×10－6/℃，僅是普通鋼芯的1/3，［1］具有長(zhǎng)度基本不隨溫度變化的特點(diǎn)。由殷鋼線和超(特)耐熱鋁合金線絞制的導(dǎo)線，當(dāng)溫度小于等于拐點(diǎn)溫度(約100℃)時(shí)，［1］導(dǎo)線張力由殷鋼線和鋁合金線共同承擔(dān);當(dāng)溫度大于拐點(diǎn)溫度時(shí)，由于耐熱鋁合金線和殷鋼芯的線膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)線的機(jī)械荷載全部轉(zhuǎn)移到殷鋼芯上，耐熱鋁合金線不再承受導(dǎo)線的張力，此時(shí)殷鋼芯的線膨脹系數(shù)即為殷鋼芯耐熱鋁合金絞線的線膨脹系數(shù)，當(dāng)導(dǎo)線溫度繼續(xù)升高時(shí)，弧垂變化不大，起到限制弧垂增加的作用。

2.2 間隙型鋼芯倍容導(dǎo)線

間隙型鋼芯倍容導(dǎo)線目前主要有間隙型鋼芯耐熱鋁合金絞線和間隙型鋼芯超耐熱鋁合金絞線，其導(dǎo)線剖面圖如圖2所示［3］。

圖2 間隙型鋼芯倍容導(dǎo)線剖面圖

導(dǎo)線由于采用能夠耐受較高運(yùn)行溫度的耐熱鋁合金和超耐熱鋁合金，并且在鋼芯和鋁合金線層之間的間隙中填充耐熱油脂，從而可以提高導(dǎo)線的運(yùn)行溫度至210℃［3］而達(dá)到增加載流量的目的。

這種導(dǎo)線之所以能在高溫下維持低弛度，主要是因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)一種特殊的架線方式實(shí)現(xiàn)鋁部張力轉(zhuǎn)移，使導(dǎo)線的所有張力均落在鋼芯上，這樣導(dǎo)線帶電運(yùn)行時(shí)的弧垂變化即取決于鋼芯的線膨脹，鋁線的線膨脹對(duì)導(dǎo)線的弧垂變化不起作用，而鋼芯的線膨脹系數(shù)為11.5×10－6/℃，約為普通鋼芯耐熱鋁合金絞線的一半。［1］

2.3 鋁基陶瓷纖維芯鋁絞線

鋁基陶瓷纖維芯鋁絞線是一種新型復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線。其結(jié)構(gòu)與普通鋼芯鋁絞線基本相同，區(qū)別在于材料的不同。在鋼芯鋁絞線中，內(nèi)層的鋼芯被鋁基陶瓷纖維芯所代替，外層和鄰?fù)鈱拥挠蹭X線股被添加了微量鋯金屬元素的高強(qiáng)度、高耐熱的鋁絞線所代替。其導(dǎo)線剖面圖如圖3所示。［4］該種導(dǎo)線內(nèi)外層絞線同時(shí)承擔(dān)著導(dǎo)線整體電氣和機(jī)械性能。

由于導(dǎo)線外層高強(qiáng)度鋁導(dǎo)體中添加了微量鋯金屬元素，可使導(dǎo)線的外層絞線的額定持續(xù)運(yùn)行溫度達(dá)到210℃，短時(shí)運(yùn)行溫度達(dá)到240℃，從而實(shí)現(xiàn)較高的載流量，是同型號(hào)常規(guī)鋼芯鋁絞線的1～3倍。［4］

由于鋁基陶瓷纖維芯具有較低的線膨脹系數(shù)(6.3×10－6/℃)，比普通鋼芯的線膨脹系數(shù)(11.5×10－6/℃)小許多，［4］這就使鋁基陶瓷纖維芯鋁絞線整體線膨脹系數(shù)低于普通鋼芯鋁絞線，因此導(dǎo)線在高溫下具有低弧垂的特性。

圖3 鋁基陶瓷纖維芯鋁絞線剖面圖

圖4 碳纖維復(fù)合芯軟鋁線剖面圖

2.4 碳纖維復(fù)合芯軟鋁線

碳纖維復(fù)合芯軟鋁線的芯線是由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的單根芯棒，芯線外層與鄰?fù)鈱訛樘菪谓孛驿X線股，其導(dǎo)線剖面圖如圖4所示。［5］

導(dǎo)線中電能傳輸主要依靠導(dǎo)線部分鋁單線完成，與同線徑普通鋼芯鋁絞線相比，復(fù)合芯鋁絞線可以增加28%的鋁截面，由于碳纖維復(fù)合芯鋁絞線外層軟鋁線的長(zhǎng)期耐熱性，在160℃高溫下能有效運(yùn)行，［5］此時(shí)的載流量是常規(guī)鋼芯鋁絞線的兩倍。

當(dāng)碳纖維復(fù)合芯軟鋁線溫度小于等于拐點(diǎn)溫度(約80℃)時(shí)，［5］導(dǎo)線張力由內(nèi)層芯和外層絞線共同承擔(dān);當(dāng)溫度大于拐點(diǎn)溫度時(shí)，導(dǎo)線所有機(jī)械張力都將由內(nèi)層芯來(lái)承受，外層軟鋁線不再承受導(dǎo)線的張力，此時(shí)合成芯的線膨脹系數(shù)(1.6×10－6/℃)［1］即為碳纖維復(fù)合芯軟鋁線的線膨脹系數(shù)，當(dāng)導(dǎo)線溫度繼續(xù)升高時(shí)，弧垂變化不大，起到限制弧垂增加的作用。

3 倍容量導(dǎo)線在架空輸電線路上的選擇實(shí)例

3.1 增容線路概況

要求增容的輸電線路是合肥地區(qū)220kV永秋2783/2790線，兩線路分別為原220kV合肥電廠～東北郊Ⅰ、Ⅱ回線開(kāi)入永青變及秋蒲變后形成，兩回線路徑共長(zhǎng)8.0公里，導(dǎo)線為1×LGJQ-400，單回路架設(shè)，設(shè)計(jì)氣象條件為2505氣象區(qū)。

3.2 增容改造原因及方式

要求增容的永秋雙線為220kV北環(huán)網(wǎng)的一部分，隨著合肥地區(qū)負(fù)荷的迅速增長(zhǎng)及合肥電廠#5機(jī)投運(yùn)，兩線承擔(dān)潮流十分繁重。兩線在各種不同運(yùn)行方式下，潮流計(jì)算結(jié)果為:2010年正常方式永秋每回線潮流在180MW，N－1時(shí)另一回線潮流在330MW，2015年永秋線N－1時(shí)另一回線潮流達(dá)到380MW。［6］

根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果，永秋雙線原1×LGJQ-400導(dǎo)線在環(huán)境溫度40℃，最高允許工作溫度70℃時(shí)，其載流量600A，輸送容量228MVA，不能滿足N－1的要求。

由于永秋雙線位于合肥市城郊結(jié)合處，土地資源十分緊張，如果采用原線路走廊新建鐵塔架設(shè)大截面導(dǎo)線，施工建設(shè)時(shí)的民事協(xié)調(diào)難度必將很大，不利于工程建設(shè)進(jìn)度管控，為減小改造工程量，縮短工期，本次永秋雙線改造采用在不改變?cè)€路桿塔基礎(chǔ)配置的情況下，通過(guò)更換倍容導(dǎo)線方式來(lái)達(dá)到線路增容的目的。

3.3 導(dǎo)線比較分析

參照原線路導(dǎo)線1×LGJQ-400的桿塔使用條件，經(jīng)比較后選列了與LGJQ-400型導(dǎo)線荷載匹配的四種倍容量導(dǎo)線，殷鋼芯超耐熱鋁合金絞線JLHNR60/LBY10-315/50、間隙型超耐熱鋁合金絞線GZTACSR-371、鋁基陶瓷纖維芯鋁絞線ACCR-637、碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線GROSBEAK-816來(lái)進(jìn)行比較分析。四種參選導(dǎo)線參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 參選導(dǎo)線參數(shù)

3.3.1 載流量比較

依據(jù)廠家提供的各參選導(dǎo)線在不同工作溫度下的載流量，可得到各導(dǎo)線在環(huán)境溫度為40℃，當(dāng)工作溫度達(dá)到表2中的溫度值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸送容量及載流量。

表2 參選導(dǎo)線載流量

由表2可以看出，當(dāng)輸送功率因素為0.95時(shí)，上述四種倍容導(dǎo)線其輸送能力均能滿足永秋雙線在N－1運(yùn)行方式下所要求的輸送潮流380MW。

3.3.2 機(jī)械荷載及弧垂特性比較

根據(jù)表1四種參選導(dǎo)線參數(shù)，利用東北電力設(shè)計(jì)院的送電電氣軟件包計(jì)算導(dǎo)線機(jī)械荷載及弧垂，并與原導(dǎo)線機(jī)械荷載及弧垂進(jìn)行比較，見(jiàn)表3。

表3 參選導(dǎo)線與原導(dǎo)線機(jī)械荷載及弧垂特性比較

由表3可以看出，采用GZTACSR-371導(dǎo)線，檔距400m時(shí)，120℃參考弧垂(對(duì)應(yīng)于鋼芯鋁絞線70℃)，GZTACSR-371導(dǎo)線與LGJQ-400導(dǎo)線相當(dāng)，但其斷線張力大于原設(shè)計(jì)條件?？紤]到本工程建設(shè)方案中采用原線路桿塔，桿塔較單薄，因此本改造不考慮采用GZTACSR-371導(dǎo)線。

JLHNR60/LBY10-315/50導(dǎo)線、ACCR-637導(dǎo)線和GROSBEAK-816導(dǎo)線水平、垂直荷載、斷線張力均小于原設(shè)計(jì)條件，因此原線路可以直接更換導(dǎo)線進(jìn)行增容改造，不需要更換或加固原來(lái)的桿塔和基礎(chǔ)。同時(shí)三種導(dǎo)線在檔距400m時(shí)，各自工作溫度下參考弧垂(對(duì)應(yīng)于鋼芯鋁絞線70℃)，均比LGJQ-400導(dǎo)線小，因此不需要對(duì)檔內(nèi)導(dǎo)線對(duì)地距離做校核，可以滿足對(duì)地距離要求。

3.3.3 導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)比較

永秋雙線在正常運(yùn)行方式下每回路要求輸送容量為180MW，當(dāng)輸送功率因素為0.95時(shí)，正常運(yùn)行方式下相應(yīng)輸送電流為497A，年損耗小時(shí)取3200小時(shí)，全年電能損失計(jì)算如下:

式中:PZ為電能損失(萬(wàn)度/km);I為線路正常運(yùn)行方式下輸送電流;k為交直流電阻比;R為導(dǎo)線直流電阻(Ω/km，20℃時(shí));τ為年損耗小時(shí)數(shù)取3200(h);N為導(dǎo)線分裂根數(shù)取1(根);CR為直流電阻隨溫度變化的增大系數(shù)，CR=1+α(θ－20)，α為導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)，θ為正常運(yùn)行方式下輸送最大電流時(shí)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線溫度，根據(jù)廠家提供的各參選導(dǎo)線在不同工作溫度下的載流量，四種參選導(dǎo)線在正常運(yùn)行方式下所對(duì)應(yīng)的工作溫度如表4。

表4 導(dǎo)線在正常運(yùn)行方式下的工作溫度

表5為各導(dǎo)線全年電阻電能損耗計(jì)算結(jié)果。

表5 導(dǎo)線在正常運(yùn)行方式下的全年電能損耗

0.09620 0.0792 0.0828 0.0627最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)τ(h) 3200 3200 3200 3200導(dǎo)線分裂數(shù)N(根) 1 1 1 1每回全年電能損耗(萬(wàn)度/km)直流電阻20℃時(shí)(Ω/km)27.45 22.64 25.98 17.83

若電價(jià)按0.4元/度考慮，根據(jù)表5計(jì)算出的每回線的全年電能損耗，將永秋雙線全年電能損失費(fèi)用及導(dǎo)線造價(jià)列于表6。

表6 導(dǎo)線全年電能損耗費(fèi)用及導(dǎo)線造價(jià)表

將3.3.2節(jié)比選后滿足工程技術(shù)要求的JLHNR60/LBY10-315/50導(dǎo)線、ACCR-637導(dǎo)線和GROSBEAK-816進(jìn)行費(fèi)用比較，由表6可以看出，ACCR-637導(dǎo)線全年電能損耗費(fèi)用比GROSBEAK-816導(dǎo)線高出26.08萬(wàn)元，比JLHNR60/LBY10-315/50導(dǎo)線少4.7萬(wàn)元，但前者導(dǎo)線造價(jià)高于后兩者較多，故本次改造對(duì)ACCR-637導(dǎo)線不予考慮。

雖然GROSBEAK-816導(dǎo)線造價(jià)比JLHNR60/LBY10-315/50導(dǎo)線造價(jià)高出348.8萬(wàn)元，但前者的電能損耗費(fèi)用要比后者少30.78萬(wàn)元，這就意味著前者經(jīng)過(guò)11.5年運(yùn)行后，就可收回導(dǎo)線差價(jià)。

因此，在技術(shù)均滿足的前提下，在本工程采用GROSBEAK-816導(dǎo)線為最經(jīng)濟(jì)，故本改造工程最終采用高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合芯鋁絞線GROSBEAK-816導(dǎo)線方案。

4 結(jié)語(yǔ)

倍容量導(dǎo)線與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線相比具有弧垂低、載流量大的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)在工程中使用倍容導(dǎo)線時(shí)，必須結(jié)合工程的實(shí)際情況，對(duì)倍容量導(dǎo)線在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)上進(jìn)行多方面比較，以便選出性?xún)r(jià)比合適的倍容導(dǎo)線，使其發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］尤傳永.增容導(dǎo)線在架空輸電線路上的應(yīng)用研究［J］.電力設(shè)備，2006，7(10):1-7.

［2］韓國(guó) LS 公司.Invar Conductor［Z］.

［3］中天科技股份有限公司.增容導(dǎo)線系列［Z］.

［4］3M中國(guó)有限公司.3M ACCR鋁基陶瓷纖維芯鋁絞線產(chǎn)品介紹［Z］.

［5］遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù)有限公司.JRLX/T碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用匯編［Z］.

［6］安徽省電力設(shè)計(jì)院.220kV永秋2783/2790線改造系統(tǒng)資料［Z］.