配網(wǎng)用高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線與傳統(tǒng)導(dǎo)線的比較研究

趙永生 姚 輝 何 衛(wèi) 廖 晶

（1.國家電網(wǎng)公司，北京100031；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢430070）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求和供應(yīng)之間的不匹配不斷加劇，許多地區(qū)由于用電負(fù)荷的快速增長，原有配電網(wǎng)已不堪承受快速擴(kuò)容的需求，因過負(fù)荷造成的斷電故障頻頻發(fā)生，這使得長期薄弱的配電網(wǎng)建設(shè)日益受到重視，需要在提高電力輸送容量、降低線損等方面加大研究投入，然而在我國城市化建設(shè)的高速進(jìn)程下，土地資源越來越緊張，線路走廊的選擇受到極大制約［1-4］；為了將配電網(wǎng)線路進(jìn)行有效增容和降低線路改造成本，解決現(xiàn)階段配電網(wǎng)因線路走廊狹窄難以增容的難題，采用高導(dǎo)鋁材料研制高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線，使其導(dǎo)電率超過了62%IACS。

1 高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線的特點(diǎn)

1.1 高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線是使用最新研制的高導(dǎo)全鋁材料單絲絞合而成，其主要特點(diǎn)是該導(dǎo)線并沒有承重芯，這就要求高導(dǎo)全鋁材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。高導(dǎo)全鋁材料利用單壁碳納米管優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能特點(diǎn)，對純鋁基體進(jìn)行改性，提高純鋁基體的導(dǎo)電率和力學(xué)性能，同時保持純鋁基體良好的塑性和低密度的特性，并采用其研制適用于配電網(wǎng)的高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線，使其導(dǎo)電率≥62%IACS，抗拉強(qiáng)度≥300MPa。

1.2 高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線特性

1.2.1 比重輕

其線密度比相同外徑鋼芯鋁絞線減小約20%。

1.2.2 電阻小

其電阻比相同外徑鋼芯鋁絞線減小約12.6%。

圖1 高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3 強(qiáng)度高

其抗拉斷力比相同外徑的鋼芯鋁絞線提高約1倍。

1.2.4 無渦流損耗

高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線不需要承重芯線，避免了線路運(yùn)行時帶來的渦流損耗。

1.2.5 安裝方便

高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線安裝所需的附件和安裝工藝與鋼芯鋁絞線相同。而與碳纖維復(fù)合芯鋁絞線［5-6］相比，高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線的研制可以擺脫國外的壟斷控制，同時更加有利于導(dǎo)線的運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行維護(hù)。

1.2.6 連接附件要求低

相較于耐熱鋁合金導(dǎo)線［7-9］，高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線具備更高的導(dǎo)電性能，同時避免因?qū)Ь€溫度升高對連接附件提出更高要求的難題。

圖2 兩種導(dǎo)線的高溫弧垂特性曲線

2 新型高強(qiáng)鋁合金芯鋁絞線與傳統(tǒng)導(dǎo)線的比較

2.1 高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線與普通鋼芯鋁絞線的材料性能比較

選取直徑相近的2種導(dǎo)線，鋼芯鋁絞線（JL/G1A-630/45）和高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線（GQLHA4-675）進(jìn)行對比，2種導(dǎo)線主要材料性能見表1。

從表1中可以看出，兩種導(dǎo)線在外徑相同的情況下，高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線其鋁線截面積、直流電阻、彈性模量、計算抗拉斷力均高于鋼芯鋁絞線，且導(dǎo)線重量要降低10%以上。高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線材料的機(jī)械性能和電學(xué)性能數(shù)據(jù)均優(yōu)于普通鋼芯鋁絞線，這對于配網(wǎng)的增容和節(jié)能均有極大幫助。

2.2 高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線與普通鋼芯鋁絞線的高溫弧垂特性比較

表1 JL/G1A-630/45和GQLHA41-675主要材料性能比較

圖2為在三種不同檔距不同冰厚情況下所測得的兩種導(dǎo)線的高溫弧垂數(shù)據(jù)，從圖（a）（b）中都可以看出，高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線在相同檔距下和相同冰厚的前提下弧垂都要小于鋼芯鋁絞線，且隨著檔距的增加弧垂也隨之增大。

表2 不同檔距不同冰厚下兩種導(dǎo)線的弧垂差

表2為不同檔距不同冰厚下兩種導(dǎo)線的弧垂差，是對圖2的一種直觀細(xì)致的補(bǔ)充。從表2中可以看出，在相同冰厚不同檔距下，兩種導(dǎo)線的弧垂差隨著檔距的增加而逐漸增大。且在相同檔距不同冰厚的情況下，弧垂差也有增大趨勢。這是由于導(dǎo)線本身負(fù)載增加的緣故，也正好說明了隨著檔距增大或冰厚增加，高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線比鋼芯鋁絞線能發(fā)揮更大的優(yōu)勢。導(dǎo)線弧垂的大小是關(guān)系到電力線路能否安全運(yùn)行的重要因素，如果弧垂過大，為了保證帶電導(dǎo)線的對地安全距離，在檔距相同的條件下，就必須增加桿塔高度或在相同桿塔高度的條件下縮小檔距，結(jié)果使得線路建設(shè)投資成倍增加，同時在線間距離不變的條件下，增加弧垂也就增加了運(yùn)行中發(fā)生混線短路事故的概率。而高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線由于其弧垂比鋼芯鋁絞線小，能夠降低桿塔高度或者增加檔距，在一定程度上能夠縮小投資成本。高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線弧垂小，是由于材料的性能所引起的，導(dǎo)線的弧垂特性與導(dǎo)線的計算拉斷力、鋁芯截面比、自重等因素有關(guān)，而這些性能從表1中可以看出。

2.3 高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線與普通鋼芯鋁絞線的載流量對比

在事故運(yùn)行方式下，交流輸電線路可能出現(xiàn)的最大容量由系統(tǒng)的過負(fù)荷能力所決定。導(dǎo)線載流量與導(dǎo)線所處氣象條件（環(huán)境溫度、風(fēng)速、日照強(qiáng)度）有關(guān)，在計算導(dǎo)線載流量時，應(yīng)使導(dǎo)線不超過某一溫度，目的在于使導(dǎo)線在長期運(yùn)行或在事故條件下，由于導(dǎo)線的溫升，不致影響導(dǎo)線強(qiáng)度，以保證導(dǎo)線的使用壽命。

本文計算中的環(huán)境溫度為最高氣溫月的平均氣溫，計算導(dǎo)線載流量的環(huán)境溫度取25℃，日照強(qiáng)度1000w/m2，風(fēng)速0.5m/s，導(dǎo)線表面輻射、吸熱系數(shù)均取0.9，根據(jù)《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB50545-2010）條文說明5.0.6公式計算，兩種導(dǎo)線在系統(tǒng)輸送功率為1 200W的載流量如表3所示。

表3中數(shù)據(jù)顯示高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線在同等情況下載流量數(shù)據(jù)要明顯優(yōu)于鋼芯鋁絞線，提高約4.8%。而電線電纜的導(dǎo)體材料及截面積大小是載流量的決定性因素，導(dǎo)體的外徑、結(jié)構(gòu)形式、直流電阻都會影響載流量。顯然，在相同條件下，導(dǎo)體外徑越大，其輸送容量就越大。從表1中可以看出，同樣直徑大小的兩種導(dǎo)線，高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線要比鋼芯鋁絞線輕10%以上，在不更換輸電桿塔的情況下，可以至少增加10%質(zhì)量的高導(dǎo)電率鋁導(dǎo)體在高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線上，從而更有效的提升其載流量。20℃直流電阻越?。ǜ邔?dǎo)電材料），導(dǎo)體上的損耗越小，電線電纜載流量越大。同樣從表1中可知，高導(dǎo)全鋁材料要比鋼芯鋁絞線所用材料20℃直流電阻降低8%以上，也就是說，在同樣的情況下高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線載流量必然要高于普通鋼芯鋁絞線，正好與表2中數(shù)據(jù)相符。雖然電線電纜導(dǎo)體的直流電阻與其截面成反比，但對于普通鋼芯鋁絞線來說，由于其截面增加一倍，存在集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、渦流損耗的影響，電線電纜載流量的平方并沒有隨之增加一倍。而高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線由于其完全采用高導(dǎo)鋁材料絞合而成，不存在渦流損耗等影響，其截面增加與鋼芯鋁絞線相同倍數(shù)后，載流量增加幅度比鋼芯鋁絞線更大。載流量對于增容來說具有重要的意義，故高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線在配網(wǎng)中使用具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線與普通鋼芯鋁絞線的電阻損耗對比

根據(jù)本文的系統(tǒng)條件，各種導(dǎo)線組合分別按照最大負(fù)荷損失小時2 500h、3 500h和4 500h計算，同種導(dǎo)線的電阻損耗隨輸送功率的增大而增加；在不同的輸送功率下，全鋁合金導(dǎo)線的電阻損耗相對較小，每千米電阻損耗相較于普通鋼芯鋁絞線降低9%左右。

線損率是供電企業(yè)一項(xiàng)重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，也是衡量綜合管理水平的重要標(biāo)志。電網(wǎng)的線損按性質(zhì)可分為技術(shù)線損和管理線損兩大類，拋開管理線損不談，技術(shù)線損主要表現(xiàn)在電網(wǎng)元件，如導(dǎo)線、變壓器、開關(guān)設(shè)備等發(fā)熱，電能變成熱能散發(fā)到周圍空氣中。而目前的狀況是導(dǎo)線本來電阻很高，在輸送負(fù)荷不變的情況下，基本都采用更換導(dǎo)線截面來減少線路電阻，達(dá)到降損節(jié)電效果。

表3 兩種導(dǎo)線載流量數(shù)據(jù)對比

圖3 不同輸送容量下兩種導(dǎo)線電阻損耗曲線

從圖3分析來看，高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線每千米電阻損耗降低約9%左右，如果配網(wǎng)將鋼芯鋁絞線更換為此類導(dǎo)線，在不增加導(dǎo)線截面積的情況下將在原來每千米線損的基礎(chǔ)上降低9%的線路損耗，如果更換更大截面的高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線，在保持與鋼芯鋁絞線重量一致的情況下，線路損耗的降低幅度更大。配電網(wǎng)線路遍及全國各地，分布廣、線路長，全國目前110kV配電線路達(dá)到5萬km以上，10kV線路達(dá)到20萬km以上。如果把眼光放大到全局上來考量，則發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線對于節(jié)能環(huán)保具有巨大的優(yōu)勢。

3 結(jié)語

利用納米改性純鋁基體制備得到高導(dǎo)全鋁材料，經(jīng)后續(xù)加工成絲材，絞合成高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線。此類導(dǎo)線相較于目前常用的鋼芯鋁絞線，具有比重輕、電阻小、強(qiáng)度高和無渦流損耗等特點(diǎn)。由于其安裝和普通導(dǎo)線的安裝并無太大區(qū)別，相較于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線更為便捷。

經(jīng)過對高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線計算和檢測發(fā)現(xiàn)，高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線在高溫弧垂特性、載流量和電阻損耗等方面均要優(yōu)于普通鋼芯鋁絞線。在配網(wǎng)線路增容、節(jié)能環(huán)保等方面均具有重要的意義，符合目前我國所提倡的綠色節(jié)能環(huán)保要求。隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展，高導(dǎo)全鋁導(dǎo)線的應(yīng)用和推廣將邁上一個新的臺階。

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