鋁包殷鋼芯鋁合金絞線在架空線路擴(kuò)容中的應(yīng)用

翟彬

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東濟(jì)南250013）

鋁包殷鋼芯鋁合金絞線在架空線路擴(kuò)容中的應(yīng)用

翟彬

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎|濟(jì)南250013）

已建輸電線路，由于導(dǎo)線截面已經(jīng)確定，存在輸送容量的極限。隨著系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化，對(duì)已建線路提高輸送容量的需求越來(lái)越多。提高已建線路的輸送容量，有兩種技術(shù)方案，一是拆除已建線路，新建使用大截面或多分裂導(dǎo)線的線路；二是保持已建線路鐵塔不變，將已有導(dǎo)線更換為耐熱導(dǎo)線。由于取得新建輸電線路的走廊協(xié)議非常困難，而且投資巨大，因此，使用耐熱導(dǎo)線，以達(dá)到提高輸送容量的目的，在線路改造工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。結(jié)合棗莊地區(qū)的實(shí)際工程，探討耐熱導(dǎo)線，尤其是鋁包殷鋼芯超耐熱鋁合金絞線的應(yīng)用，可為以后的線路擴(kuò)容工程提供參考。

線路擴(kuò)容；輸電線路；耐熱導(dǎo)線

0 引言

棗莊地區(qū)已建220 kV興夏、興微線1～13號(hào)段，長(zhǎng)2.364 km，為同塔四回路鋼管桿架設(shè)，上層2回220 kV，下層為2回110 kV。原220 kV導(dǎo)線為1×JL／G1A-400型鋼芯鋁絞線。由于已建線路需要與新建線路相連接形成新的輸電通道，而新建線路的導(dǎo)線采用2×JL/G1A-400/35導(dǎo)線，因此，新老線路存在輸送容量不匹配的問(wèn)題。

由于已建同塔四回路，于2007年建成，位于棗莊市新城區(qū)，靜態(tài)投資在400萬(wàn)元／km，如果拆除重建，不僅投資巨大，而且新取得規(guī)劃部門的協(xié)議也非常困難。因此，可以考慮采用新型耐熱導(dǎo)線，在不超過(guò)原有桿塔荷載的前提下，通過(guò)更換導(dǎo)線提高線路的輸送容量，滿足系統(tǒng)輸送容量的要求［1-2］。

1 耐熱導(dǎo)線的選型

目前可供選擇的耐熱導(dǎo)線，有碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線、殷鋼芯超耐熱鋁合金導(dǎo)線、間隙型導(dǎo)線和普通耐熱鋁合金導(dǎo)線。由于220 kV興夏、興微線更換導(dǎo)線后，輸送容量要求提高1倍，普通耐熱鋁合金導(dǎo)線無(wú)法滿足要求。另外，間隙性導(dǎo)線在鋼芯和鋁導(dǎo)體之間存在間隙，制造及施工難度比較大，本工程暫不比選間隙性導(dǎo)線。

因此，只對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（以下簡(jiǎn)稱碳纖維導(dǎo)線）、殷鋼芯超耐熱鋁合金導(dǎo)線（以下簡(jiǎn)稱殷鋼導(dǎo)線）進(jìn)行比較。

1.1 耐熱導(dǎo)線選型原則

耐熱導(dǎo)線是通過(guò)提高導(dǎo)線耐受長(zhǎng)期運(yùn)行溫度來(lái)提高導(dǎo)線單位截面的輸送容量。將增容導(dǎo)線應(yīng)用于老線路改造工程中，應(yīng)滿足以下要求：載流量滿足2×JL/G1A-400導(dǎo)線的要求；滿足老線路鐵塔使用條件；更換耐熱導(dǎo)線后仍滿足對(duì)下面兩回110 kV線的電氣距離要求。

1）耐熱導(dǎo)線載流量應(yīng)不小于2×JL/G1A-400導(dǎo)線。根據(jù)導(dǎo)線載流量計(jì)算結(jié)果，2×JL/G1A-400導(dǎo)線在環(huán)境溫度40℃，長(zhǎng)期運(yùn)行溫度80℃時(shí)，允許載流量為2×733=1 466 A。依此要求，耐熱導(dǎo)線在環(huán)境溫度40℃時(shí)，長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度下的載流量需不小于1 466 A。

2）220 kV興夏、興微線1～13號(hào)段鐵塔按1×JL／G1A-400/35導(dǎo)線設(shè)計(jì)，安全系數(shù)為4.5，最大使用張力為21 934 N。更換耐熱導(dǎo)線后，最大使用應(yīng)力、覆冰條件下垂直荷載、大風(fēng)條件下水平荷載應(yīng)不超過(guò)原鐵塔所用1×JL／G1A-400／35導(dǎo)線。

3）由于原線路為同塔四回路，上面2回220 kV線，下面2回110 kV線，因此，更換為耐熱導(dǎo)線后，需滿足對(duì)下面兩回110 kV線的電氣距離要求，即耐熱導(dǎo)線的弧垂在正常運(yùn)行時(shí)和因系統(tǒng)短路線路短期過(guò)載時(shí)，均不大于對(duì)應(yīng)條件下原線路1×JL／G1A-400／35導(dǎo)線的弧垂。

1.2 碳纖維導(dǎo)線

碳纖維導(dǎo)線為新型導(dǎo)線，它由輕型的復(fù)合芯、外層纏繞高性能的梯形鋁線組成，有以下特點(diǎn)［3］。

1）強(qiáng)度為普通導(dǎo)線的2倍。普通鋼絲的抗拉強(qiáng)度為1 240～1 410 MPa，而碳纖維導(dǎo)線采用碳纖維混合固化芯棒，抗拉強(qiáng)度是前者的2倍。

2）碳纖維導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線導(dǎo)線相比具有顯著的低弛度特性，在高溫條件下弧垂不到鋼芯鋁絞線的1／2，能有效減少架空線的絕緣空間走廊，提高了導(dǎo)線運(yùn)行的安全性和可靠性。

3）碳纖維導(dǎo)線比傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線增加了28%的用鋁量，從而增加了導(dǎo)電面積，增大了輸送容量。其長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度為165℃，進(jìn)一步提高了導(dǎo)線的載流能力。

4）碳纖維導(dǎo)線的鋁部分采用退火軟鋁線，利用退火軟鋁線耐高溫特性，導(dǎo)線短時(shí)允許溫度可達(dá)到200℃以上。

5）碳纖維導(dǎo)線的比重約為鋼的1／4，在相同的外徑下，其鋁截面積為常規(guī)鋼芯鋁絞線的1.29倍。其單位長(zhǎng)度重量比常規(guī)鋼芯鋁絞線導(dǎo)線輕10%～20%，顯示了這種導(dǎo)線重量輕的優(yōu)點(diǎn)。

6）碳纖維導(dǎo)線材料與環(huán)境親和，同時(shí)避免了導(dǎo)體在通電時(shí)鋁線與鍍鋅鋼線之間的電化腐蝕問(wèn)題，有效地延緩導(dǎo)線的老化，使用壽命高于普通導(dǎo)線的2倍。

目前碳纖維導(dǎo)線已在山東泰安市220 kV天園線、園汶線改造工程中使用，運(yùn)行狀況良好。

1.3 殷鋼導(dǎo)線

殷鋼是由鐵和鎳等元素組成的合金，在高溫階段具有良好的高溫弧垂特性。殷鋼膨脹系數(shù)只有普通鋼材的1／3。用殷鋼作為導(dǎo)線鋼芯，殷鋼耐熱鋁合金導(dǎo)線（TACIR）可以在150℃下運(yùn)行；殷鋼超耐熱鋁合金導(dǎo)線（ZTACIR）和殷鋼特耐熱鋁合金導(dǎo)線（XTACIR）可以在210℃和230℃下運(yùn)行?？梢栽跐M足低弧垂的要求下，更好的利用耐熱鋁合金的耐高溫性能，從而提高輸送容量［4-5］。

殷鋼導(dǎo)線雖然在材料上發(fā)生了變化，但其實(shí)質(zhì)仍然屬于金屬類產(chǎn)品，和普通鋼芯鋁絞線具有相同的結(jié)構(gòu)、重量，物理特性也基本相同，只是由于殷鋼芯線的線性膨脹系數(shù)比較小，弧垂變化較普通導(dǎo)線小，從而使其弧垂在高溫時(shí)得到有效抑制［6-7］。因此，殷鋼導(dǎo)線施工時(shí)較為簡(jiǎn)單方便，與其配套的金具也是常規(guī)的耐熱金具。

目前殷鋼導(dǎo)線已在山東聊城尚店變電站配套送電工程中已投入運(yùn)行。

1.4 兩種耐熱導(dǎo)線對(duì)比選型

將碳纖維導(dǎo)線JRLX／T455／52、殷鋼導(dǎo)線JNRLH3／LBY-360／55與JL／G1A-400／35載流量、荷載和弧垂比較如表1所示。

表1 3種導(dǎo)線的載流量、荷載和弧垂比較

由表1可以看出，碳纖維導(dǎo)線和殷鋼導(dǎo)線兩種導(dǎo)線在安全系數(shù)取值5.99和4.33的情況下，均能滿足張力不超鋼芯鋁絞線的要求；而且兩種導(dǎo)線的覆冰垂直荷載和大風(fēng)水平荷載均小于原1×JL／G1A-400／35導(dǎo)線，因此滿足原線路鐵塔設(shè)計(jì)條件，可以直接更換。

表2 碳纖維導(dǎo)線和殷鋼導(dǎo)線的參數(shù)及投資比較

在滿足2×JL／G1A-400導(dǎo)線載流量的前提下，碳纖維導(dǎo)線能滿足弧垂特性不超過(guò)原JL／G1A-400／35導(dǎo)線的要求（規(guī)律檔距200 m時(shí)弧垂小0.5 m）。而殷鋼導(dǎo)線由于運(yùn)行溫度較高，殷鋼芯的線性膨脹系數(shù)較碳纖維略大，因此在規(guī)律檔距為200 m時(shí)的弧垂比原JL／G1A-400／35導(dǎo)線大0.2 m。本工程更換耐熱導(dǎo)線段為同塔四回路架設(shè)（上面兩回220 kV線，下面兩回110 kV線），弧垂較小的碳纖維導(dǎo)線在弧垂方面略有優(yōu)勢(shì)。

1.5 投資比較

導(dǎo)線參數(shù)及投資比較如表2所示。

以往我國(guó)碳纖維復(fù)合芯原材料一直依賴進(jìn)口，且極少有廠家能夠生產(chǎn)加工碳纖維導(dǎo)線，造成碳纖維導(dǎo)線的價(jià)格較為昂貴。但目前國(guó)內(nèi)已有多家廠家具備碳纖維導(dǎo)線的生產(chǎn)能力，再加上國(guó)際市場(chǎng)上碳纖維復(fù)合芯價(jià)格有下降的趨勢(shì)，因此碳纖維導(dǎo)線的造價(jià)已大幅下降。

1.6 耐熱導(dǎo)線選型結(jié)論

綜上所述，在滿足載流量和已建鐵塔使用條件的前提下，兩種導(dǎo)線在荷載、載流量、弧垂特性、經(jīng)濟(jì)特性的差別不大。綜合兩種導(dǎo)線在山東的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合運(yùn)行部門的意見(jiàn)，最終本工程推薦選擇JNRLH3／LBY-360／55殷鋼導(dǎo)線。

2 結(jié)語(yǔ)

用耐熱導(dǎo)線替換常規(guī)的鋼芯鋁絞線，不僅可以達(dá)到增容或擴(kuò)容的目的，而且避免了對(duì)原線路的拆除新建，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

殷鋼導(dǎo)線采用基于鋁鋯合金基體的超耐熱鋁合金獲得雙倍的輸送容量，采用鋁包殷鋼來(lái)抑制導(dǎo)線由于高溫導(dǎo)致的弧垂增加，從而實(shí)現(xiàn)相同截面的導(dǎo)線傳輸雙倍容量，可廣泛應(yīng)用于線路的改造增容工程。

耐熱導(dǎo)線的張力弧垂計(jì)算理論與鋼芯鋁導(dǎo)線基本一致，但需要區(qū)別對(duì)待。倍容量導(dǎo)線由于導(dǎo)線的本身特性決定其存在溫度遷移點(diǎn)，在遷移點(diǎn)溫度前導(dǎo)線鋼芯和鋁線共同承受張力負(fù)荷，在遷移點(diǎn)溫度后導(dǎo)線張力荷載由鋼芯承擔(dān)，因此可以獲得低弧垂特性。

耐熱導(dǎo)線的載流量計(jì)算方法與普通鋼芯鋁絞線一致。倍容量導(dǎo)線作為架空導(dǎo)線大類中的一種，其熱傳導(dǎo)機(jī)理與通常鋼芯鋁絞線相同，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的算法獲得載流量數(shù)值。

耐熱導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)倍容并可以替換老導(dǎo)線必須遵循“安全為先”的前提。倍容量導(dǎo)線應(yīng)選擇強(qiáng)度與原導(dǎo)線基本一致、單位重量略輕的結(jié)構(gòu)，綜合校驗(yàn)導(dǎo)線的安全余度，在不影響導(dǎo)線的安全的條件下合理使用。

［1］GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］王賢燦，林徑.新型耐熱增容導(dǎo)線在220kV線路增容改造中的選型應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2011，29（3）：79-81.

［3］何州文，陳新，王秋玲，等.國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研究和應(yīng)用綜述［J］.電力建設(shè)，2010，31（4）：90-93.

［4］邵天曉.架空送電線路的電線力學(xué)計(jì)算［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［5］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［5］張穎璐.倍容量導(dǎo)線的張力弧垂特性分析計(jì)算［J］.電力建設(shè)，2006，27（9）：7-9.

［7］竇飛，喬黎偉.架空線路輸電能力計(jì)算［J］.電力建設(shè)，2010，31（12）：23-25.

Application of Aluminum Clad Invar Core Aluminum Alloy Wire for Expanding the Capacity of Overhead Transmission Line

The existing transmission lines，because the conductor has been determined，the transmission capacity is determined. With the change of system operation mode，improving the transportation capacity of existing line is more and more important.To increase the transmission capacity of the line which has been built，there are two schemes，one is the reconstruction，the new use of large cross-section or multi conductor lines；the other is the replacement for the heat-resisting wire.Due to the huge investment and Difficulties for obtain the new transmission line corridor agreement，heat-resistant wire is more and more widely used in line reconstruction project.Combined with practical engineering in Zaozhuang，the heat-resisting wire is discussed.The application of aluminum clad steel core super heat-resistant aluminum alloy wire can provide some reference for the future project.

expanding the capacity of line；transmission line；heat-resistant wire

TM75

：B

：1007-9904（2014）03-0037-03

2014-02-18

翟彬（1982—），男，工程師，從事高壓輸電線路設(shè)計(jì)和管理工作。