肖元博

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)電力的需求也大幅度攀升，為降低線(xiàn)路的損耗，提高輸送能力，有效控制工程建設(shè)和運(yùn)行成本，耐熱導(dǎo)線(xiàn)逐步在新建線(xiàn)路上應(yīng)用。對(duì)于發(fā)達(dá)地區(qū)，難以開(kāi)辟新的線(xiàn)路走廊，需對(duì)大量老舊線(xiàn)路進(jìn)行改造，利用舊桿塔擴(kuò)充線(xiàn)路容量，為能滿(mǎn)足老舊線(xiàn)路桿塔的使用條件，則需采用各種耐熱導(dǎo)線(xiàn)對(duì)老舊線(xiàn)路進(jìn)行改造。耐熱導(dǎo)線(xiàn)是在架空輸電線(xiàn)路上使用的特種導(dǎo)線(xiàn)，它是在具有相等導(dǎo)體截面積的情況下，相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線(xiàn)能輸送更多電能的若干種類(lèi)導(dǎo)線(xiàn)的總稱(chēng)，也可稱(chēng)其為“增容導(dǎo)線(xiàn)”。迄今世界上已有很多種增容導(dǎo)線(xiàn)出現(xiàn)，概括起來(lái)可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是增加導(dǎo)線(xiàn)的輸送容量，導(dǎo)線(xiàn)的溫度提高，但作為導(dǎo)電部分的材料其強(qiáng)度不降低，仍保持著常溫下相接近的總拉斷力，如耐熱鋁合金作導(dǎo)體的系列導(dǎo)線(xiàn)；另一類(lèi)，則著重于導(dǎo)電部分的節(jié)能，即有著高的導(dǎo)電率，而導(dǎo)線(xiàn)總的力學(xué)性能由承力的芯部承擔(dān)，即使在導(dǎo)線(xiàn)載流量增加，導(dǎo)線(xiàn)溫度提高以后，導(dǎo)線(xiàn)的運(yùn)行仍是安全的，如有機(jī)復(fù)合材料作為加強(qiáng)芯的系列導(dǎo)線(xiàn)。

1 增容導(dǎo)線(xiàn)主要類(lèi)別

目前，國(guó)內(nèi)廣泛使用的耐熱導(dǎo)線(xiàn)主要有碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)，軟鋁線(xiàn)，殷鋼芯耐熱鋁合金絞線(xiàn)，應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線(xiàn)(間隙型)，鋼芯耐熱鋁合金絞線(xiàn)。

碳纖維芯導(dǎo)線(xiàn)為新型復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線(xiàn)，具有很強(qiáng)的耐沖擊性、耐抗拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。價(jià)格較高，目前碳纖維芯導(dǎo)線(xiàn)價(jià)格約是鋼芯鋁絞線(xiàn)的5倍[1]。鋼芯耐熱鋁合金絞線(xiàn)與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線(xiàn)相類(lèi)似，僅是將鋁絞線(xiàn)改為鋁合金絞線(xiàn)，增強(qiáng)了導(dǎo)線(xiàn)的耐高溫能力，而張力弧垂等與鋼芯鋁絞線(xiàn)相似[2]。軟鋁線(xiàn)是一種采用1350-0型電工鋁經(jīng)熱退火處理的鋁線(xiàn)，因通過(guò)高溫退火處理，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)溫度不超200 ℃時(shí)，軟鋁線(xiàn)的強(qiáng)度不會(huì)降低。目前主要與特強(qiáng)鋼芯、特強(qiáng)鋁包鋼芯、碳纖維復(fù)合芯組合。由于耐熱鋁合金的膨脹比殷鋼芯快，且鋁包殷鋼芯與耐熱鋁合金線(xiàn)的熱膨脹系數(shù)差別很大，在一定的溫度時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)的張力全為殷鋼芯承受，此溫度稱(chēng)為張力遷移點(diǎn)溫度，殷鋼芯耐熱鋁絞線(xiàn)的張力遷移點(diǎn)溫度一般為60～100 ℃。拐點(diǎn)后的導(dǎo)線(xiàn)的弧垂由鋁包殷鋼芯來(lái)決定，因鋁包殷鋼芯膨脹系數(shù)較小，因此在增加1倍輸送容量時(shí)而不增加導(dǎo)線(xiàn)的弧垂，實(shí)現(xiàn)倍容[3]。

間隙型增容導(dǎo)線(xiàn)的增容機(jī)理是用特殊的施工工藝，使導(dǎo)線(xiàn)的張力遷移點(diǎn)在施工時(shí)就出現(xiàn)，即在一般施工溫度以下時(shí)，是鋼芯與鋁股共同承受導(dǎo)線(xiàn)張力，而高于施工溫度時(shí)，由鋼芯獨(dú)自承受導(dǎo)線(xiàn)張力，導(dǎo)線(xiàn)的弧垂變化就是鋼芯的變化。由于鋼芯的熱膨脹系數(shù)只有11.5×10-6/℃，只有普通鋼芯(20×10-6/℃)的一半，所以間隙型增容導(dǎo)線(xiàn)有增加1倍的輸送容量而不增加弧垂的優(yōu)異特性，采用間隙型增容導(dǎo)線(xiàn)輸送容量可達(dá)2倍原輸送容量。

2 增容導(dǎo)線(xiàn)特性及經(jīng)濟(jì)性比較

選擇應(yīng)用較多并有一定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的增容導(dǎo)線(xiàn)，擬選擇替換鋼芯鋁絞線(xiàn)JL/G1A-300/40，增容導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為：碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)JLRX1/F-300/35，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線(xiàn)JNRLH3/LBY-240/55，間隙型特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金絞線(xiàn)JNRLH3S/G5A-240/40，特強(qiáng)鋼芯軟鋁絞線(xiàn)JLRX/EST-300/40。各導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)見(jiàn)表1。下面對(duì)5種導(dǎo)線(xiàn)從電氣特性、機(jī)械特性以及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比對(duì)，分析各導(dǎo)線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，以便在增容改造工程中更換地使用。

2.1 導(dǎo)線(xiàn)特性比較

2.1.1 載流量比較

導(dǎo)線(xiàn)選擇的原則是導(dǎo)線(xiàn)溫度升高不超過(guò)允許值時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)的輸送容量應(yīng)滿(mǎn)足系統(tǒng)極限輸送容量(N-1或N-2)的要求。各增容導(dǎo)線(xiàn)溫度及載流量如下：

a.2×JL/G1A-300/40型號(hào)導(dǎo)線(xiàn)溫度70 ℃，載流量1 185 A；

b.JLRX1/F-300/35型號(hào)導(dǎo)線(xiàn)溫度180 ℃，載流量1 280 A；

c.JNRLH3/LBY-240/55型號(hào)導(dǎo)線(xiàn)溫度210 ℃，載流量1 390 A；

d.NRLH3S/G5A-240/40 J型號(hào)導(dǎo)線(xiàn)溫度180 ℃，載流量1 189 A；

e.JLRX/EST-300/40型號(hào)導(dǎo)線(xiàn)溫度160 ℃，載流量1 186 A。

綜上所述，所選取的增容導(dǎo)線(xiàn)均滿(mǎn)足普通300導(dǎo)線(xiàn)2倍輸送容量的要求，僅考慮載流量方面基本都能滿(mǎn)足倍容的改造需求。

2.1.2 導(dǎo)線(xiàn)對(duì)桿塔荷載的影響

5種導(dǎo)線(xiàn)對(duì)桿塔荷載的影響見(jiàn)表2。

由于改造線(xiàn)路多為老舊線(xiàn)路，甚至個(gè)別線(xiàn)路過(guò)于久遠(yuǎn)，無(wú)法收集到其設(shè)計(jì)圖紙資料，為保證線(xiàn)路運(yùn)行安全，更換導(dǎo)線(xiàn)需保證外徑與自身質(zhì)量均小于原導(dǎo)線(xiàn)，張力如大于原導(dǎo)線(xiàn)，需增大導(dǎo)線(xiàn)安全系數(shù)或減小平均運(yùn)行張力來(lái)放松使用。

表1 5種導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)

表2 5種導(dǎo)線(xiàn)對(duì)桿塔荷載的影響

2.1.3 導(dǎo)線(xiàn)的弧垂特性

弧垂特性是增容改造中關(guān)鍵的內(nèi)容，直接影響工程的可行性。增容耐熱導(dǎo)線(xiàn)弧垂之所以在高溫狀態(tài)下變化小，就是因?yàn)樵谝欢ǖ臏囟认?拐點(diǎn)溫度)，增容導(dǎo)線(xiàn)的張力將幾乎完全由鋼芯或碳纖維等特殊材質(zhì)承受，溫度繼續(xù)升高后導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)膨脹系數(shù)即為鋼芯等特殊材質(zhì)的線(xiàn)膨脹系數(shù)，大大減小了溫度對(duì)弧垂的影響，在拐點(diǎn)溫度后導(dǎo)線(xiàn)的弧垂變化將會(huì)很小。

為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，計(jì)算增容導(dǎo)線(xiàn)拐點(diǎn)溫度時(shí)不考慮導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的塑蠕性形變，并認(rèn)為導(dǎo)線(xiàn)的彈性系數(shù)保持不變。這樣假設(shè)后，由于溫度變化，導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生熱脹冷縮；在長(zhǎng)度變化過(guò)程中，整個(gè)導(dǎo)線(xiàn)、軟鋁導(dǎo)體、芯三者各自的變化伸長(zhǎng)量是相同的，即：

ΔL=ΔLa=ΔLs

(1)

式中：ΔL為導(dǎo)線(xiàn)的彈性伸長(zhǎng)及線(xiàn)膨脹伸長(zhǎng)總和；ΔLa為軟鋁型導(dǎo)體的彈性伸長(zhǎng)及線(xiàn)膨脹伸長(zhǎng)總和；Ls為芯的彈性伸長(zhǎng)及線(xiàn)膨脹伸長(zhǎng)總和[4]。

導(dǎo)線(xiàn)單位長(zhǎng)度伸長(zhǎng)量可以由式(2)求得：

(2)

式中：σ為導(dǎo)線(xiàn)的應(yīng)力；E為導(dǎo)線(xiàn)的彈性模量；α為導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)膨脹系數(shù)；t為導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行時(shí)的溫度；t0為導(dǎo)線(xiàn)的制造溫度，一般取15 ℃。

計(jì)算可知，增容導(dǎo)線(xiàn)的拐點(diǎn)溫度隨著代表檔距(張力)的變化而變化。對(duì)于JLRX1/F-300/35碳纖維導(dǎo)線(xiàn)，300 m時(shí)拐點(diǎn)溫度大約是122 ℃，400 m時(shí)大約是135 ℃。對(duì)于JNRLH3/LBY-240/55殷鋼導(dǎo)線(xiàn)，300 m時(shí)拐點(diǎn)溫度大約是90 ℃，400 m時(shí)大約是98 ℃。

間隙型導(dǎo)線(xiàn)與其他增容導(dǎo)線(xiàn)不同，其特點(diǎn)是在鋼芯與鋁線(xiàn)之間存在微量間隙，在間隙中加入潤(rùn)滑脂，保證鋼芯與鋁線(xiàn)間可以相對(duì)滑動(dòng)。利用這個(gè)特性，在導(dǎo)線(xiàn)架線(xiàn)時(shí)，張力全部由鋼芯承擔(dān)，即架線(xiàn)的時(shí)候鋁線(xiàn)就不承受張力，所以其架線(xiàn)溫度就是拐點(diǎn)溫度。各導(dǎo)線(xiàn)倍容時(shí)(代表檔距為300 m時(shí))的弧垂特性見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，由于張力較大，增容導(dǎo)線(xiàn)需要取較大的安全系數(shù)，在最高運(yùn)行溫度下，很明顯JLRX/EST-300/40特強(qiáng)鋼芯軟鋁絞線(xiàn)弧垂過(guò)大，可見(jiàn)特強(qiáng)鋼芯軟鋁絞線(xiàn)無(wú)法應(yīng)用在倍容改造工程中；而對(duì)于其他增容導(dǎo)線(xiàn)，在倍容情況下弧垂均是略大于鋼芯鋁絞線(xiàn)40 ℃弧垂，特別是在小代表檔距下；而間隙型導(dǎo)線(xiàn)弧垂則小于鋼芯鋁絞線(xiàn)70 ℃弧垂。

對(duì)于JLRX/EST-300/40特強(qiáng)鋼芯軟鋁絞線(xiàn)，只有在導(dǎo)線(xiàn)溫度僅100 ℃左右時(shí)，弧垂與鋼芯鋁絞線(xiàn)70 ℃弧垂相近，這時(shí)其載流量?jī)H有JL/G1A-300/40型導(dǎo)線(xiàn)的1.42倍左右，可見(jiàn)特強(qiáng)鋼芯軟鋁絞線(xiàn)僅適用于較低載流量的增容工程。

2.2 導(dǎo)線(xiàn)經(jīng)濟(jì)性及安全性比較

增容導(dǎo)線(xiàn)在性能滿(mǎn)足要求的情況下，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性及安全性。各導(dǎo)線(xiàn)價(jià)格比較見(jiàn)表4。由表4可知，碳纖維導(dǎo)線(xiàn)非常昂貴，殷鋼導(dǎo)線(xiàn)也較貴，而且金具均為特制，價(jià)格昂貴；間隙性導(dǎo)線(xiàn)與軟鋁導(dǎo)線(xiàn)較為便宜。

表3 各種導(dǎo)線(xiàn)倍容時(shí)的弧垂特性

表4 導(dǎo)線(xiàn)及配套金具價(jià)格比較

對(duì)各導(dǎo)線(xiàn)安全性以及運(yùn)行維護(hù)比較發(fā)現(xiàn)：碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)的運(yùn)行穩(wěn)定性較差，間隙型導(dǎo)線(xiàn)施工難度較大。具體如下：鋼芯鋁絞線(xiàn)的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)豐富，安全性較好，可應(yīng)用于“三跨”等重要交叉跨越以及舞動(dòng)區(qū)，缺點(diǎn)是容量有限；碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)較少，根據(jù)國(guó)網(wǎng)特高壓接地極線(xiàn)路等設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不能用于“三跨”等重要交叉跨越，并不宜用于舞動(dòng)區(qū)，多斷線(xiàn)等事故，運(yùn)行穩(wěn)定性差，缺點(diǎn)是不能作為跳線(xiàn)，需選用其他導(dǎo)線(xiàn)作為跳線(xiàn)；鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線(xiàn)運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)較少，安全性較好，可應(yīng)用于比較重要交叉跨越以及舞動(dòng)區(qū)，缺點(diǎn)是價(jià)格較貴；間隙型導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)較少，安全性較好，可應(yīng)用于比較重要的交叉跨越，缺點(diǎn)是施工難度較大。

3 結(jié)論

a.增容改造線(xiàn)路一般可以考慮殷鋼導(dǎo)線(xiàn)，間隙型導(dǎo)線(xiàn)；軟鋁導(dǎo)線(xiàn)僅能應(yīng)用在40%及以下的增容項(xiàng)目上；碳纖維導(dǎo)線(xiàn)由于其安全穩(wěn)定性較差，考慮到增容改造項(xiàng)目多在人口密集，交叉跨越多的地區(qū)，不推薦使用。

b.增容改造方案中，增容導(dǎo)線(xiàn)一般均可滿(mǎn)足倍容條件，但由于增容導(dǎo)線(xiàn)弧垂特性的限制，倍容改造方案僅能在原線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地裕度較大，交叉跨越較少且裕度較大的區(qū)域?qū)嵤?。一般需要考慮1～2 m的弧垂增大。

c.增容改造方案中，如系統(tǒng)采用降級(jí)倍容改造方案(如原單400導(dǎo)線(xiàn)改為2×300容量)，可考慮使用間隙型導(dǎo)線(xiàn)，此時(shí)弧垂特性較為接近。

d.增容改造方案中，如系統(tǒng)采用降級(jí)倍容改造方案的同時(shí)，原線(xiàn)路為放松架線(xiàn)(即安全系數(shù)大于2.5)，間隙型導(dǎo)線(xiàn)由于張力較大，放松后弧垂增大較多，可考慮使用殷鋼導(dǎo)線(xiàn)，此時(shí)弧垂特性較為接近。