用于資源節(jié)約型輸電線路的導(dǎo)線之二
——節(jié)能型系列導(dǎo)線的主要品種和特性

黃豪士

(上海電纜研究所，上海200093)

用于資源節(jié)約型輸電線路導(dǎo)線，共分兩大部分，第一部分導(dǎo)線特性和工作原理已在另一篇論文中論述(本刊2011年第1期)，本文論述第二部分節(jié)能型系列導(dǎo)線的品種和特性。

1 資源節(jié)約型輸電線路用節(jié)能型系列導(dǎo)線的主要品種和特性

資源節(jié)約型輸電線路用節(jié)能型導(dǎo)線，最為突出的是運(yùn)行時(shí)節(jié)能，所以往往又被稱為“節(jié)能型導(dǎo)線”。按其結(jié)構(gòu)、鋁導(dǎo)體經(jīng)處理的技術(shù)參數(shù)和導(dǎo)線的應(yīng)力轉(zhuǎn)移的不同，本產(chǎn)品主要可以分成為三個(gè)系列:(1)節(jié)能型低蠕變導(dǎo)線;(2)節(jié)能型增容導(dǎo)線;(3)節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線。

1.1 節(jié)能型低蠕變導(dǎo)線

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)常用鋼芯鋁絞線ACSR一樣，區(qū)別在于鋼芯鋁絞線用硬鋁線而節(jié)能型低蠕變導(dǎo)線用軟鋁線。

美國(guó)和加拿大于上世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)了該產(chǎn)品，并稱為SSAC(steel supported Aluminum conductor)，到80年代習(xí)慣上又稱為ACSS(Aluminum conductorsteel supported)，但ACSS對(duì)鋼線未作特殊處理。

鋼芯軟鋁絞線的蠕變量最主要是取決于鋼芯，節(jié)能型低蠕變導(dǎo)線則對(duì)鋼芯進(jìn)行預(yù)先處理，即去除了鋼芯結(jié)構(gòu)引起的初伸長(zhǎng)和蠕變前期的快速伸長(zhǎng)部分，從而獲得較低的蠕變量。因此，當(dāng)導(dǎo)線在較高的溫度運(yùn)行時(shí)，最終的弧垂已不受鋁線的影響。從制造角度而言，這種結(jié)構(gòu)制造比較容易，僅將導(dǎo)線的鋁導(dǎo)體改為軟鋁線，它與傳統(tǒng)常用的硬鋁線性能的比較，見(jiàn)表1。節(jié)能型低蠕變導(dǎo)線的截面如圖1所示。

表1 軟鋁線和硬鋁線的性能比較

圖1 節(jié)能型低蠕變導(dǎo)線(低蠕變鋼芯軟鋁絞線)的截面圖

我國(guó)目前線路中，一般由GB/T 1179—1999圓線同心絞架空導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)中選取，或仍在GB 1179—1983鋁絞線及鋼芯鋁絞線標(biāo)準(zhǔn)中選取。但不管如何選取，由于軟鋁線的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于硬鋁線，但又希望其弧垂計(jì)算值不要差異太大，所以節(jié)能型系列導(dǎo)線的鋼芯一般都采用特高強(qiáng)度鋼線(G3A、S3A)或超高強(qiáng)度鋼線(G4A、S4A)制造，這樣拉力/重量比就比傳統(tǒng)常規(guī)導(dǎo)線更接近。當(dāng)輸電線路在高溫狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，鋼芯承擔(dān)所有的力，特高強(qiáng)、超高強(qiáng)度鋼芯不會(huì)受到過(guò)大的拉應(yīng)力，使線路安全。

1.2 節(jié)能型增容導(dǎo)線

上世紀(jì)80年代，美國(guó)和加拿大在生產(chǎn)ACSS的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了新一代的鋼芯軟鋁絞線，即ACSS/TW(Aluminum conductor steel supported/trapezoidal)。它把鋁線股的截面形狀由圓形改為梯形，而鋼線仍為圓線。

節(jié)能型增容導(dǎo)線是在ACSS/TW的基礎(chǔ)上又作進(jìn)一步提高，其中的鋁線股除了可以采用T形外，主要采用S、Z形。它使導(dǎo)線更為緊密，其形狀與IEC 62219:2002(GB/T 20141—2006)型線同心絞架空導(dǎo)線相似，而鋼芯又經(jīng)過(guò)特殊處理后其蠕變量更小，應(yīng)力遷移點(diǎn)(拐點(diǎn))又能提前出現(xiàn)。

在輸電線路采用節(jié)能型增容導(dǎo)線時(shí)，鋼芯將全部承載導(dǎo)線的機(jī)械荷載，鋁線股主要是承載電流而不承載機(jī)械負(fù)荷，因此導(dǎo)線運(yùn)行的工作溫度不會(huì)由于鋁線股的軟化特性而受限制。這樣節(jié)能型增容導(dǎo)線的運(yùn)行工作溫度完全由鋼芯的軟化特性所決定。而鋼芯的再結(jié)晶溫度很高，能在較高的溫度下保持正常的機(jī)械強(qiáng)度，所以允許的運(yùn)行工作溫度比普通的鋼芯鋁絞線高很多。

如上所述，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。在整個(gè)導(dǎo)線系列中，鋁線截面可由16 mm2至1400 mm2的很大范圍，鋁層結(jié)構(gòu)有1、2、3或4層，多數(shù)結(jié)構(gòu)為2或3層。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

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)線具有更大的鋁截面積，可以提高抗電暈和無(wú)線電干擾水平。表2為鋼比13%的400 mm2鋼芯鋁絞線與相等鋁截面積或?qū)Ь€相等直徑的節(jié)能型增容導(dǎo)線的載流量的比較。

以鋼芯鋁絞線在70℃時(shí)的載流量為100%(599 A)為基準(zhǔn)，對(duì)節(jié)能型增容導(dǎo)線進(jìn)行討論。從表2中可知:

(1)鋁等截面積的節(jié)能型增容導(dǎo)線在100℃的載流量為949 A，即達(dá)150%以上;當(dāng)達(dá)到140℃時(shí)，已能輸送高至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℃時(shí)的載流量為1094 A，達(dá)180%以上;在120℃時(shí)為1282 A，達(dá)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，其總拉斷力也不增加，這對(duì)于塔桿就可以不必改變了。

表2 鋼芯鋁絞線JL/G1A與等鋁截面積或等直徑的節(jié)能型增容導(dǎo)線AOF(SZ)Gg+S4A載流量比較

節(jié)能型增容導(dǎo)線的鋁導(dǎo)體是由型線制成的，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，也即各線股之間的摩擦面積加大了。兼之，軟鋁線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，因此，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。

1.3 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，與后者的區(qū)別是在鋁導(dǎo)體與鋼芯之間存在一個(gè)間隙，在間隙中充滿耐高溫的潤(rùn)滑油脂，在210℃也不滴流(實(shí)際滴點(diǎn)達(dá)250℃以上)且起防腐蝕保護(hù)鋼芯作用。

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/℃，只有鋁的1/2。當(dāng)擴(kuò)容導(dǎo)線達(dá)140℃時(shí)，它的弧垂量與相應(yīng)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，因此，這時(shí)的載流量正好增大1倍，線路是安全的。

擴(kuò)容導(dǎo)線的力學(xué)性能與間隙型導(dǎo)線基本相同，主要由鋼芯承擔(dān)，但就具體的結(jié)構(gòu)、電氣性能、施工等均優(yōu)于間隙型導(dǎo)線，兩者特性比較見(jiàn)表3。

表3 節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線與間隙型耐熱鋁合金導(dǎo)線的特性比較

從施工方面考慮，鋁導(dǎo)體的強(qiáng)度較大為宜，參照對(duì)應(yīng)于150℃高溫下導(dǎo)線的鋁導(dǎo)體的要求，即要有足夠高的強(qiáng)度殘存率，規(guī)定了在230℃、1 h的加溫后，強(qiáng)度殘存率≥90%作為參考值。

節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線具備節(jié)能型增容導(dǎo)線幾乎所有的性能，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，在風(fēng)的微振下，它們將相互碰撞而消耗能量的結(jié)果。

2 資源節(jié)約型輸電線路用節(jié)能型系列導(dǎo)線與其它相應(yīng)的各類導(dǎo)線的特性比較

2.1 綜合性能比較

資源節(jié)約型輸電線路用節(jié)能型系列導(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4和表5。

表4 各類導(dǎo)線的綜合性能比較之一

2.2 不同溫度時(shí)各類導(dǎo)線在線路中的弧垂相對(duì)位置

如果用相同規(guī)格的各類導(dǎo)線，用相等的安裝張力和條件架設(shè)在同一檔距中，其弧垂將隨導(dǎo)線溫度變化，如圖3～圖5所示。

圖3為導(dǎo)線在40℃時(shí)的弧垂。從圖中可知，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，其他各類導(dǎo)線的弧垂基本相同，都在對(duì)地距離安全范圍內(nèi)。

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4所示。

表5 各類導(dǎo)線的綜合性能比較之二

圖3 在40℃下架線時(shí)各類導(dǎo)線的弧垂相對(duì)位置

圖4 在100℃時(shí)各類導(dǎo)線的弧垂相對(duì)位置

圖5 在150℃時(shí)各類導(dǎo)線的弧垂相對(duì)位置

由圖5可知，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)。

3 討論和建議

(1)資源節(jié)約型輸電線路用導(dǎo)線，本質(zhì)上是一種特高強(qiáng)度鋼芯的軟鋁型絞線，并需經(jīng)過(guò)應(yīng)力轉(zhuǎn)移的特殊處理，這樣使受于軟鋁型線的力能較快地轉(zhuǎn)移在鋼芯上，特高強(qiáng)度鋼芯將承擔(dān)導(dǎo)線所受的拉力。由于鋼芯的強(qiáng)度高，這時(shí)它所受到的應(yīng)力仍是在它受力的允許范圍內(nèi)，不會(huì)由于鋼芯應(yīng)力過(guò)大而影響導(dǎo)線壽命。

(2)經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明，由于應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)明顯較小，且不出現(xiàn)清晰的拐點(diǎn)(遷移點(diǎn))。從線路設(shè)計(jì)而言，在導(dǎo)線允許的工作溫度范圍內(nèi)(如150℃)。由于熱膨脹系數(shù)的數(shù)值是一個(gè)定值，所以在弧垂計(jì)量時(shí)，可以把給出的數(shù)值直接代入。

(3)對(duì)于新建的線路用導(dǎo)線而言，把允許的最高工作溫度定位為150℃是合適的，不必要用到允許的最高溫度。這是因?yàn)槲覈?guó)導(dǎo)線的允許工作溫度為70～80℃，若環(huán)境溫度為40℃時(shí)，150℃的載流量已達(dá)到70℃時(shí)載流量的200%或以上，經(jīng)應(yīng)力轉(zhuǎn)移后的這種導(dǎo)線弧垂，將與常規(guī)導(dǎo)線在80℃的弧垂量相同，這是允許的。這樣線路便蘊(yùn)藏著能增容100%的可能，即在N－1時(shí)線路也能安全運(yùn)行。

(4)軟鋁，即使在230℃下長(zhǎng)期工作(這是考核耐熱鋁合金線的溫度，即230℃、1 h的強(qiáng)度殘存率≥90%)其強(qiáng)度也不會(huì)降低，但卻有較柔軟、強(qiáng)度低、易被擦傷等缺點(diǎn)，給線路設(shè)計(jì)或是施工造成困難，應(yīng)該給予改進(jìn)提高。

(5)這種資源節(jié)約型輸電線路用節(jié)能導(dǎo)線都有別于碳纖維芯軟鋁絞線，也有別于一般的鋼芯軟鋁絞線。它作為一種新型導(dǎo)線，在制造技術(shù)突破以后，應(yīng)在線路設(shè)計(jì)和施工技術(shù)上給予完善，使它優(yōu)良的性能能獲得充分發(fā)揮，更好地為電力建設(shè)服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

建設(shè)資源節(jié)約型輸電線路，導(dǎo)線是線路建設(shè)中重要的一環(huán)。

資源節(jié)約型輸電線路用節(jié)能導(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，不必更換鐵塔而節(jié)材;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)線的主要材料鋁和鋼線有優(yōu)良的性能，而價(jià)格不高，有良好的性價(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。近幾年來(lái)我國(guó)采用多種由國(guó)外購(gòu)置的，或由國(guó)內(nèi)的工廠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)能耗加大，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。

資源節(jié)約型輸電線路用節(jié)能導(dǎo)線，將在不斷完善生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，使生產(chǎn)效率不斷提高;總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完善線路設(shè)計(jì);總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，完善施工技術(shù)，使建成的輸電線路既節(jié)約資源，又更安全可靠。

［1］黃豪士.建設(shè)資源節(jié)約型輸電線路時(shí)所使用的導(dǎo)線［C］∥2007年全國(guó)架空輸電線路技術(shù)交流研討會(huì)論文集.上海:上海電纜研究所，2007.

［2］魏士政，劉 斌.我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)對(duì)鋼芯鋁絞線制造企業(yè)的發(fā)展和機(jī)遇［J］.電線電纜，2008(5):1-3.

［3］資源節(jié)約型輸電線路用導(dǎo)線——節(jié)能型導(dǎo)線系列［Z］.江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司技術(shù)資料.

［4］黃豪士.節(jié)能擴(kuò)容導(dǎo)線［Z］.內(nèi)部技術(shù)交流資料.

［5］日本藤倉(cāng)公司.架空輸電線技術(shù)交流資料［Z］.2002.

［6］尤傳永.架空輸電線路鋼芯軟鋁絞線的應(yīng)用研究［J］.電力建設(shè)，2006(5):1-4.

［7］間隙型鋼芯耐熱鋁合金絞線［Z］.日本住友電氣技術(shù)資料.

［8］Nexans Aero-Z R新型高壓架空電纜導(dǎo)線［Z］.耐克森公司技術(shù)資料.

［9］GB/T 20141—2006 型線同心絞架空導(dǎo)線［S］.