增容導(dǎo)線選型邊界條件的選擇

韓志軍，李顯鑫，何 健，陳 光，陳大斌

（1.中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100052）

目前我國的輸電線路主要采用鋼芯鋁絞線，隨著電網(wǎng)升級發(fā)展，對架空導(dǎo)線的輸送能力、工程應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)效益提出了更高要求。作為電力輸送載體的導(dǎo)線應(yīng)具備在線路運行時降低損耗而節(jié)能，在增容的狀況下又可以減少改造費用。用電需求的增加使輸電線路上需要輸送更多的電能，可采用提高導(dǎo)線運行溫度的方法來增加線路輸送容量。隨著科技的高速發(fā)展，碳纖維導(dǎo)線、殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線和應(yīng)力轉(zhuǎn)移型特強(qiáng)鋼芯軟鋁型線絞線等增容導(dǎo)線應(yīng)運而生，并均在線路上得到了廣泛應(yīng)用。

1 3種增容導(dǎo)線簡介

1.1 碳纖維芯導(dǎo)線

碳纖維芯導(dǎo)線為新型復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線，它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，外層與鄰?fù)鈱愉X線股可根據(jù)不同要求制成型線，材質(zhì)可為耐熱鋁合金或軟鋁等。由于芯棒的外表面為絕緣體的玻璃纖維層，芯棒與鋁股之間不存在接觸電位差，保護(hù)鋁導(dǎo)線免受電腐蝕。該導(dǎo)線具有良好的機(jī)械和電氣特性，特別是驗證了高溫條件下的低弛度特性。與常規(guī)的鋼芯鋁絞線相比，在相同的外徑時，碳纖維芯導(dǎo)線外層允許纏繞超過29%的導(dǎo)電鋁型線；在相同鋁截面時，成品質(zhì)量與常規(guī)的鋼芯鋁絞線相比輕10%～15%；梯形鋁最里層運行的溫度可達(dá)180 ℃，長期連續(xù)運行溫度可達(dá)165 ℃；碳纖維芯導(dǎo)線導(dǎo)電部分軟型鋁的電導(dǎo)率達(dá)到63%IACS以上，相同溫度運行時與常規(guī)的鋼芯鋁絞線相比綜合減少線路損耗6.3%。

1.2 殷鋼芯耐熱鋁合金絞線

殷鋼芯耐熱鋁合金絞線的鋼芯采用鍍鋅殷鋼芯或鋁包殷鋼芯，殷鋼芯采用鐵鎳（鎳約占36%～40%）合金材料制成。由于這種材料的線膨脹系數(shù)比普通鋼芯的線膨脹系數(shù)低很多，具有長度基本上不隨溫度變化的特點。殷鋼芯的線膨脹系數(shù)為3.7×10－6/℃。殷鋼芯耐熱鋁合金絞線的遷移點溫度約為80～100 ℃，在工作溫度位于遷移點溫度以下時，殷鋼芯耐熱鋁合金絞線的線膨脹系數(shù)約為18×10－6/℃；當(dāng)工作溫度位于遷移點溫度以上時，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)，因此，殷鋼芯耐熱鋁合金絞線在較高的溫度狀態(tài)下工作時，其弛度的增加量很小，是一種低弛度導(dǎo)線。

1.3 應(yīng)力轉(zhuǎn)移型特強(qiáng)鋼芯軟鋁型線絞線

應(yīng)力轉(zhuǎn)移型特強(qiáng)鋼芯軟鋁型線絞線是由鋁線和鋼芯構(gòu)成并經(jīng)應(yīng)力轉(zhuǎn)移處理的組合導(dǎo)線。它在制造時人為預(yù)先把應(yīng)由鋁線承擔(dān)的應(yīng)力，部分或全部轉(zhuǎn)移給鋼芯，使鋼芯承擔(dān)導(dǎo)線大部或全部應(yīng)力的一種節(jié)能增容導(dǎo)線，其結(jié)果改善了導(dǎo)線機(jī)械力學(xué)性能和弛度特性。該導(dǎo)線具有損耗小和增容的優(yōu)點。導(dǎo)線的導(dǎo)體為軟型鋁線，其導(dǎo)電率62.5%～63.0%IACS，比電工鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電率61.0%IACS高，因此在輸電時減少能耗，達(dá)到節(jié)能的效果；導(dǎo)線是由特高強(qiáng)度鋼絞線作為承力件，導(dǎo)體則為軟型鋁導(dǎo)體，經(jīng)采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)處理，使導(dǎo)線在高溫下運行時，因?qū)Ь€的熱膨脹系數(shù)較小，應(yīng)力遷移點的溫度提前，弛度的增量較少，當(dāng)增容50%～80%，甚至100%時，導(dǎo)線的弛度仍能滿足要求。

2 增容導(dǎo)線型式選擇

2.1 增容導(dǎo)線參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)輸電線路導(dǎo)線應(yīng)用情況，本文對常見的300mm2截面、400mm2截面和630mm2截面進(jìn)行分析，其中220kV 線路采用2×300mm2系列，500kV 線路采用4×400mm2系列及4×630mm2系列。參加比選的增容導(dǎo)線參數(shù)見表1，其中JL/G1A 為鋼 芯 鋁 絞 線；JLRX/T 為 碳 纖 維 芯 導(dǎo) 線；TACIR 為殷鋼芯耐熱鋁合金絞線；AF（SZ）＋S4A為應(yīng)力轉(zhuǎn)移型特強(qiáng)鋼芯軟鋁型線絞線。

2.2 增容導(dǎo)線的電氣性能比較

從載流量、極限輸送功率以及電磁環(huán)境比較結(jié)果來看，環(huán)境溫度為35 ℃時，在截面相同情況下增容導(dǎo)線的極限輸送容量基本為鋼芯鋁絞線的2倍以上，其中殷鋼芯耐熱鋁合金絞線的最高允許溫度最高，為210℃，因此其極限輸送容量最大，碳纖維導(dǎo)線及應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線次之。各導(dǎo)線方案的電磁環(huán)境指標(biāo)相當(dāng)，均滿足GB 50545—2010《110kV～750 kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》的要求，但與400mm2截面導(dǎo)線和630 mm2截面導(dǎo)線等容量的增容導(dǎo)線不滿足500kV 電磁環(huán)境的要求。同截面的各導(dǎo)線方案電暈損失基本相同，300mm2截面導(dǎo)線中等截面增容導(dǎo)線的電阻損耗均低于鋼芯鋁絞線，等容量增容導(dǎo)線的電阻損耗均高于鋼芯鋁絞線，其中碳纖維導(dǎo)線的電阻損耗最??；400mm2截面導(dǎo)線中殷鋼芯導(dǎo)線的電阻損耗高于鋼芯鋁絞線，碳纖維導(dǎo)線的電阻損耗最??；630mm2截面導(dǎo)線中殷鋼芯導(dǎo)線的電阻損耗高于鋼芯鋁絞線，應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線的電阻損耗最小。

表1 導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)

2.3 增容導(dǎo)線的機(jī)械性能比較

各種導(dǎo)線按平均檔距L0＝400 m 計算的機(jī)械性能見表2和表3。

水平荷載方面：300mm2和400mm2增容導(dǎo)線的水平荷載均低于所對應(yīng)鋼芯鋁絞線的水平荷載，其中碳纖維導(dǎo)線的水平荷載最小。

垂直荷載方面：300mm2和400mm2增容導(dǎo)線的垂直荷載均低于所對應(yīng)鋼芯鋁絞線的垂直荷載，其中碳纖維導(dǎo)線的垂直荷載最小。

弛度特性及塔高方面：300mm2和400mm2增容導(dǎo)線的弛度特性均優(yōu)于所對應(yīng)鋼芯鋁絞線的弛度特性，其中碳纖維導(dǎo)線的弛度特性好，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線和應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線的弛度特性次之。

2.4 增容導(dǎo)線的主要特性比較

各種增容導(dǎo)線的特性對比列于表4。

3 3 種增容導(dǎo)線全壽命周期費用的經(jīng)濟(jì)比較

a.電能網(wǎng)損計算的輸送容量：2×300 mm2（等容量）導(dǎo)線的輸送容量取250 MW；2×300mm2（等截面）導(dǎo)線的輸送容量取500 MW；4×400mm2導(dǎo)線的輸送容量取1 800 MW。

b.年損耗時間：300 mm2導(dǎo)線、400 mm2導(dǎo)線取3 200h；630mm2導(dǎo)線取4 350h。

c.運行維護(hù)費用：取工程本體投資的1.4%。

d.導(dǎo)線壽命：導(dǎo)線壽命期30年。

e.回收率取10%。

f.導(dǎo)線價格：根據(jù)詢價普通鋼芯鋁絞線在1.7萬元/t左右，碳纖維導(dǎo)線在5.9萬元/t左右，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線在8.5萬元/t左右，應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線（特強(qiáng)鋼芯軟鋁絞線）在2.5萬元/t左右。

表2 220kV線路雙分裂導(dǎo)線機(jī)械性能比較

表3 500kV線路四分裂導(dǎo)線機(jī)械性能比較

表4 各種增容導(dǎo)線主要特性比較

對于本次參選的導(dǎo)線，3 種增容導(dǎo)線分別按普通鋼芯鋁絞線價格的1.0～5.5倍進(jìn)行比較。上網(wǎng)電價按0.30、0.40、0.50元/（kW·h）計算。

3.1 輸送容量250MW 時2×300mm2（等容量）導(dǎo)線全壽命周期費用比較

經(jīng)計算，可以得出輸送容量為250 MW 時2×300mm2（等容量）導(dǎo)線年費用與導(dǎo)線價格的關(guān)系：碳纖維導(dǎo)線、鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線和應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線的年費用均高于鋼芯鋁絞線；3種增容導(dǎo)線等價時，碳纖維導(dǎo)線年費用最小，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線年費用最大；按市場詢價考慮，應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線年費用最小，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線年費用最大。

3.2 輸送容量500MW 時2×300mm2（等截面）導(dǎo)線全壽命周期費用比較

經(jīng)計算，可以得出輸送容量為500 MW 時2×300mm2（等截面）導(dǎo)線年費用與導(dǎo)線價格的關(guān)系：碳纖維導(dǎo)線、鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線和應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線的年費用均高于鋼芯鋁絞線；3種增容導(dǎo)線等價時，碳纖維導(dǎo)線年費用最小，應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線年費用最大；按市場詢價考慮，應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線年費用最小，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線年費用最大。

3.3 輸送容量1 800MW 時4×400mm2 導(dǎo)線全壽命周期費用比較

經(jīng)計算，可以得出輸送容量為1 800MW 時4×400mm2導(dǎo)線年費用與導(dǎo)線價格的關(guān)系：碳纖維導(dǎo)線、鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線和應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線的年費用均高于鋼芯鋁絞線；3種增容導(dǎo)線等價時，碳纖維導(dǎo)線年費用最小，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線年費用最大；按市場詢價考慮，應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線年費用最小，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線年費用最大。

4 結(jié)論

碳纖維導(dǎo)線、鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線和應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線的年費用均高于鋼芯鋁絞線；3種增容導(dǎo)線等價時，碳纖維導(dǎo)線年費用最小，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線年費用最大；按市場詢價考慮，應(yīng)力轉(zhuǎn)移型導(dǎo)線年費用最小，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線年費用最大。