基于原桿塔導(dǎo)線更換為耐熱導(dǎo)線的研究

向 鵬，馬文錦，譚新玉，林 玉，鄭 偉，孔 秋

（1.三峽大學(xué) 材料與化工學(xué)院，湖北宜昌443000；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443000；3.新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心（三峽大學(xué)），湖北 宜昌443000；4.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌443000；5.國家電網(wǎng)襄陽供電公司經(jīng)濟技術(shù)研究所，湖北襄陽441000）

0 引 言

從20世紀40年代起，國際上一些國家開始研究新型導(dǎo)線［1-3］。當時變電站出線至數(shù)公里外的角鋼塔四周為空地，如今伴隨城市建設(shè)的發(fā)展，出站附近線路周圍已建滿了房屋，新建線路需要繼續(xù)采用原有線路通道才能出線，加上變電站周圍已再無新的通道可走線。這是一個在線路設(shè)計過程中常遇到的問題。隨著導(dǎo)線技術(shù)的不斷發(fā)展，如今線路可以利用舊的桿塔掛新型的增容導(dǎo)線避免線路桿塔的推倒重建，只需要更換線路導(dǎo)線。

耐熱導(dǎo)線是利用導(dǎo)線在較高的溫度下正常運行，從而提高導(dǎo)線傳輸電流密度，達到提高導(dǎo)線的傳輸容量，同時又具有低弧垂的特點。采用耐熱導(dǎo)線可有效緩解電力供需矛盾，緩和輸電線路建設(shè)上的困難。耐熱導(dǎo)線在全國電網(wǎng)建設(shè)中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

本文詳細介紹了間隙型耐熱導(dǎo)線、殷鋼耐熱導(dǎo)線、碳纖維導(dǎo)線、鋁基陶瓷纖維芯軟鋁絞線四種導(dǎo)線的增容比較以及其他參數(shù)，并通過襄陽市某幾條線路的實際情況來分析使用耐熱導(dǎo)線的優(yōu)勢，從而使此次整改的經(jīng)濟效益達到最優(yōu)，并為日后耐熱導(dǎo)線的選擇與應(yīng)用奠定了理論與實際基礎(chǔ)。

1 耐熱導(dǎo)線的比較

1.1 各類增容導(dǎo)線比較

增容導(dǎo)線是在架空輸電線路上使用的特種導(dǎo)線，它是在具有相等導(dǎo)體截面積的情況下，相對于傳統(tǒng)的鋼筋鋁絞線ACSR（Aluminum Conductor Steel Reinforced）能輸送更多電能的若干種類導(dǎo)線的總稱?！霸鋈輰?dǎo)線”目前尚不能作為專有術(shù)語，而是一種習(xí)慣稱謂，行業(yè)內(nèi)也有人將其俗稱為“倍容量導(dǎo)線”或“高溫導(dǎo)線”。

目前國內(nèi)存在的增容導(dǎo)線主要有間隙型耐熱導(dǎo)線GTACSR（Gap-Type Aluminum Conductor Steel Reinforced）、殷鋼耐熱導(dǎo)線Invar（Invar heat resistant wires）、碳纖維導(dǎo)線 ACCC（Aluminum Conductor Composite Core）、鋁基陶瓷纖維芯軟鋁絞線ACCR（Aluminum Conductor Ceramic Reinforced）四種［4-5］，分別如圖1～圖4所示。

圖1 間隙型耐熱導(dǎo)線(GTACSR)

圖2 殷鋼耐熱導(dǎo)線(Invar)

圖3 碳纖維導(dǎo)線(ACCC)

圖4 鋁基陶瓷纖維芯軟鋁絞線(ACCR)

由于增容導(dǎo)線主要是靠提高導(dǎo)線的溫度來提高導(dǎo)線的載流量，從而提高輸送容量。所以增容導(dǎo)線一般都是耐高溫的，也稱為耐熱導(dǎo)線［6］。

一般導(dǎo)線LGJ鋼芯鋁絞線連續(xù)工作溫度極限工作溫度為70℃～100℃，而增容導(dǎo)線連續(xù)工作溫度與極限工作溫度為150℃～240℃［7-8］。

下面就這幾種導(dǎo)線進行比較，列舉同等截面積下的導(dǎo)線進行比較。例如一條線路原來所掛的導(dǎo)線是LGJ-400的，現(xiàn)在需要更換耐熱導(dǎo)線。具體參數(shù)如表1所示。

表1 幾種導(dǎo)線的參數(shù)對比

由此表可以看出重量最輕的是陶瓷纖維導(dǎo)線（ACCR），抗拉能力最強的是碳纖維芯導(dǎo)線（ACCC）。

1.2 ACCR與其他增容導(dǎo)線的比較

（1）ACCR與間隙型導(dǎo)線（GTACSR）比較：間隙型導(dǎo)線線脹系數(shù)以及重量均比ACCR大；載流量比ACCR小。結(jié)論：a.GTACSR弧垂不能滿足要求，需要新建部分桿塔。b.載流量增容較小。c.抗腐蝕性比ACCR差。d.由于拐點溫度低，安裝比ACCR要復(fù)雜。

（2）ACCR與殷鋼導(dǎo)線（ACSS／XTACI）比較：殷鋼導(dǎo)線重量比ACCR大；殷鋼導(dǎo)線拉斷力比ACCR小。結(jié)論：a.雖然ACSS／XTACI線脹系數(shù)小，但由于其重量大、張力小，導(dǎo)致弧垂不能滿足要求，需要新建部分桿塔。b.殷鋼導(dǎo)線抗腐蝕性差，ACCR不會發(fā)生腐蝕。c.殷鋼導(dǎo)線載流量比ACCR小。

（3）ACCR與碳纖維導(dǎo)線（ACCC）比較：①同等直徑情況下，ACCR比ACCC輕12%。ACCC使桿塔承受力過大，縮短桿塔使用壽命；ACCR可減少桿塔受力，延長桿塔使用壽命。②ACCC復(fù)合芯是有機物，運行過程容易老化；ACCR復(fù)合芯是無機物，性能穩(wěn)定。③ACCC復(fù)合芯不導(dǎo)電，在短路大電流下，鳥籠現(xiàn)象嚴重；ACCR均可以導(dǎo)電，能夠承受較大的短路電流。④ACCC結(jié)構(gòu)和組合方式完全顛覆了對架空裸導(dǎo)線的導(dǎo)電認識。ACCC容易出現(xiàn)高溫下的裂紋和“竹節(jié)”現(xiàn)象，經(jīng)過實驗分析發(fā)現(xiàn)碳纖維耐熱導(dǎo)線運行溫度不宜超過160℃，且僅在N-1狀態(tài)下運行［9-11］。

對比總結(jié)如表2所示。

表2 ACCR與幾種導(dǎo)線性能對比

通過表2可以看出幾種導(dǎo)線中，陶瓷纖維導(dǎo)線ACCR的性能更加穩(wěn)定。在條件允許的前提下，工程應(yīng)用中可以優(yōu)先使用此種導(dǎo)線。

2 實際工程應(yīng)用

2.1 韓崗-鹿頭110 kV線路工程

由于110 k V韓孫線建于1990年，當時從韓崗變出線時韓崗變四周為空地，而現(xiàn)在韓孫線靠近韓崗變附近約4公里的線路完全成為市區(qū)。該線路始建時考慮出站口附近的雙回塔靠近房屋側(cè)，由于房屋離塔太近已不能掛線。且線路始建時選用的桿塔僅能掛LGJ-150的導(dǎo)線，新建至鹿頭的線路必須對該段線路進行改造，利用原走廊，原本采用架設(shè)單回導(dǎo)線為LGJ-240的鋼管桿線路，與新建的角鋼塔線路相接，這樣形成韓崗至鹿頭導(dǎo)線為LGJ-240的單回線路。然而LGJ-240和LGJ-150導(dǎo)線選用的桿塔不一樣，在城區(qū)拆除舊塔采用鋼管桿實施非常麻煩，且工程投資大，施工周期長。在考慮到各種情況的前提下，該工程決定采用耐熱導(dǎo)線替換原導(dǎo)線。

根據(jù)負荷情況及輸送容量需求，本次架空導(dǎo)線新建部分選擇為LGJ-240／30導(dǎo)線，在經(jīng)濟電流密度取1.15 A／mm2情況下，單導(dǎo)線輸送電力容量為52.5 MVA，最大輸送容量為88.6 MVA；改造部分選擇ACCR-150型耐熱導(dǎo)線，在120℃運行溫度下載流量可達582 A，150℃溫度下可達678 A，大于 LGJ-240／30導(dǎo)線在70℃時445 A的載流量，可滿足鹿頭變的輸送容量需求。

該雙回桿塔建設(shè)前，周圍的房屋還未形成，現(xiàn)在面向大號側(cè)右側(cè)橫擔已不能掛導(dǎo)線，不能滿足風(fēng)偏情況下導(dǎo)線對房屋的安全距離要求，如今解決辦法為更換左側(cè)橫擔導(dǎo)線。更換成耐熱導(dǎo)線后，線路運行正常，輸送容量得到了1.5～2倍的提高。此次更換滿足了輸送容量的要求，且線路施工周期短，大大節(jié)省了工程投資。

2.2 襄樊電廠-余嶺Ⅱ回(原線路增容改造)

（1）設(shè)計原則：①根據(jù)系統(tǒng)要求，余襄線中LGJQ-400 mm2導(dǎo)線線路需要進行增容改造，使其最大輸送功率達到400 MW。②遵守原線路的設(shè)計氣象條件和桿塔使用條件，導(dǎo)線選擇盡量與原導(dǎo)線參數(shù)相當。③桿塔校驗執(zhí)行《架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（SDJ3-1979）。④針對本線路已投運多年，桿塔和基礎(chǔ)老化嚴重，而本線路段尚有38基拉線塔，其桿塔在建設(shè)時均按最大風(fēng)速25 m／s設(shè)計，其桿塔情況尚需評估。為了確保線路運行安全，在投資允許的范圍內(nèi)建議逐步更換拉線塔為自立塔。

（2）換線段導(dǎo)線選型根據(jù)系統(tǒng)要求，對余襄線進行增容改造后，使其最大輸送功率達到400 MW，對應(yīng)換線導(dǎo)線極限輸送容量時的載流量為1 000 A。根據(jù)上述要求，本工程初選鋁包鋼芯耐熱鋁合金絞線和碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線兩種增容導(dǎo)線進行比選。①換線所選導(dǎo)線計算條件：a.在環(huán)境溫度40℃，風(fēng)速0.5 m／s，輻射系數(shù)0.9，日照強度1 000 W／m2條件下，導(dǎo)線載流量為1 000 A時的相應(yīng)溫度下弧垂與LGJQ-400型鋼芯鋁絞線70℃相當；b.導(dǎo)線最大使用張力接近原LGJQ-400型導(dǎo)線最大使用張力；c.導(dǎo)線水平荷載和垂直荷載不超過原桿塔設(shè)計使用條件；d.導(dǎo)線最大弧垂按實際升溫考慮?；〈箤Φ匕踩嚯x非居民區(qū)取6 m，居民區(qū)取7 m。e.滿足電暈要求，導(dǎo)線截面不小于400 mm2。②載流量比較：比較結(jié)果為陶瓷纖維導(dǎo)線更加耐高溫、載流量相對來說更大。③導(dǎo)線弧垂校核。比較更換導(dǎo)線在載流量達到1 000 A時溫度下的弧垂和原線路導(dǎo)線在高溫70℃時的弧垂。

表3為導(dǎo)線弧垂對比。從表3可以看出：本工程線路更換ACCR型導(dǎo)線后，導(dǎo)線溫度為105℃，導(dǎo)線載流量為1 000 A時，代表檔距400 m時ACCR比LGJQ-400型鋼芯鋁絞線70℃最大弧垂小0.3 m左右，500 m時ACCR型導(dǎo)線最大弧垂比LGJQ-400型鋼芯鋁絞線70℃減小更多。采用ACCR型導(dǎo)線可滿足弧垂要求。若采用ACCR型導(dǎo)線需根據(jù)斷面情況，局部增加桿塔以滿足導(dǎo)線對地對新建房屋距離的要求。

表3 導(dǎo)線弧垂對比表

（3）成本比較：若將原220 k V線路更換更換為2×LGJ-300導(dǎo)線及其對應(yīng)的桿塔，單公里造價在109.61～118.96萬元，而更換為ACCR-400型導(dǎo)線，明顯比推到重建桿塔和導(dǎo)線便宜。

（4）風(fēng)險與建議：由于建成時間較長，原線路已經(jīng)運行多年，鐵塔鋼材基礎(chǔ)鋼筋可能發(fā)生了一定程度的銹蝕，混凝土可能發(fā)生了一定程度的碳化，為保證工程的可靠度，應(yīng)對原有線路桿塔構(gòu)件及基礎(chǔ)的力學(xué)性能等有關(guān)參數(shù)進行檢測并進行專題研究。

3 總 結(jié)

耐熱導(dǎo)線主要應(yīng)用于擴容改造、大跨越的架空線路中。其技術(shù)主要是通過提高導(dǎo)線允許溫度，在溫度增高的同時增大了導(dǎo)線電阻，從而增加了線路的功率損耗，進而提高了線路的輸送容量。但是與此同時，由于溫度的增高，也必然會增加線路損耗，增加運行費用；并且還需使用耐熱金具來解決溫度升高對線路的弧垂和金具的影響，必要時還要加大線路對地的高度。因此在采用耐熱導(dǎo)線技術(shù)時要權(quán)衡利弊，合理使用。

在本文中，由于特殊的地理位置原因，在城區(qū)拆除舊塔采用鋼管桿實施非常麻煩，且工程投資大，施工周期長。通過兩個工程實例可以看出，采用耐熱導(dǎo)線使線路的輸送能力得到了提高，大大縮短了工期，且經(jīng)濟效益達到了最佳化。從上述研究可以看出，耐熱導(dǎo)線長期運行溫度在110℃～130℃時，單位輸送容量所需費用最少，經(jīng)濟效益最好。

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