輸電線路節能型增擴容導線的特性

黃豪士

（上海電纜研究所，上海市，200093）

隨著我國國民經濟的持續高速發展，電力需求大幅度攀升，已經滿負荷運行的輸電線路，不能滿足日益增長的電力需求。為了解決此矛盾，我國不斷加強輸電網的建設及老舊線路的增容改造。目前，世界各國的輸電導線都以鋼芯鋁絞線為主，在傳輸電能的同時也不可避免地消耗一部分能量[1-10]。我國的電源大部分都集中在西部，而用電的負荷中心卻集中在東部沿海一帶，這樣長距離的大規模送電，對導線的節能、降耗性能要求很高。

目前，我國每年用于輸電線路建設和改造的導線約為100萬t。國家電網公司明確指示在建設輸電線路時，要建設“資源節約型，環境友好型，新技術，新材料，新工藝”（即兩型三新）輸電線路，其中建設資源節約型輸電線路是重中之重。因此，探索新型導線線種，以求高效、低耗地傳輸電能是科技工作者、制造廠、電力部門共同目標。按照資源節約型輸電線路對導線的要求，研制了輸電線路節能型增（擴）容導線，并提供給電力系統用戶試用。已試運行的線路包括：2008年遼寧朝陽輸電線路架設并試運行節能型擴容導線，2009年江蘇省試運行節能型增容導線于110 kV線路，2009年福建省試運行節能型增容導線于500 kV線路，2009年湖南省試運行節能型增容導線于220 kV線路。

1 增加線路輸送容量的方案

增加線路輸送容量的方案如圖1所示。

新增輸電線路將可輸送更多的電能，但新增輸電線路需要新增用地和投資，在用地十分緊缺的今天，特別是我國東部沿海和大中城市的用地更為緊缺，這方法只能在十分必要的線路才會建設。

圖1 增加線路輸送容量的解決方案Fig.1 Solution for transmission capacity upgrading

對于老舊線路的改造，可在原有線路增大導線的截面積而增加輸送電能容量，但因導線截面增大，就需要增加塔頭高度和強度，甚至更換鐵塔。此種方法雖然可以增加線路輸送容量，利用原有線路路徑，但仍有較大的投資，一般須經嚴格的計算后，在其他方法難以解決時才使用。

不改變原輸電線路路徑，也不必增強或改造鐵塔，只需要更換導線就可以增加線路輸送容量。這種導線幾乎與原線路用導線有著相同或十分相近的型號和主要參數，更換新的導線后，便能達到線路增容和擴容的目的。顯然這種方法是最具吸引力的。

2 輸電線路增加輸送容量的導線

2.1 導線的主要特性

理想的輸電線路用導線應具有：（1）輸送某一容量的電能時，所占有的輸電線路走廊小，所需的桿塔、導線、金具等材料以及施工建設的費用比較節省，即初次投資的費用比較低；（2）在輸電線路運行時，導線能耗較少，即線路是節能的。輸電線路建設過程中，需要考慮輸電工程設計、導線選型、建設和運行等各個方面，特別對于建設節能型輸電線路，其節能、節約土地，抗故障能力都比目前線路有更高的要求，而正確選用導線非常重要。

理想的輸電線路用導線應具備5項特征：

（1）輸電時節能，或者說輸電時減少能耗。在所有輸電線路中所用的鋼芯鋁絞線，不論國外或是國內，導線的鋁導體導電率，在20℃時均為61％IACS，即28.264 nΩ·m。節能型導線的導電率就應該優于61％IACS，例如，為62.5％IACS以上至63％IACS，此時導線在輸電時能耗可以減少2.5％～3％。

（2）線路改造建設時節材。對于老舊線路改造，一般均要求不要更換桿塔，只需更換導線。若按一般方法，則增容時應加大導線截面積，從而增加材料，桿塔也應加高增強。采用研制的節能型導線之后，線路輸電時可增容50％以上，甚至能增容80％～100％。

（3）新建線路采用節能型導線可以節約線路走廊的用地。在相同鋁導線截面積情況下，節能型導線具有能輸送常規導線2倍容量的能力，即建設1條節能型導線線路，可以有2條常規線路的送電能力，這樣可節省建設第2條線路的用地和投資。

（4）長的使用壽命。節能型導線的鋁導體被制作成S、Z狀的型線，結構比常規導線緊密；另外，其型線間的接觸面積大，自阻尼性能強，具有更強耐振性能。此外，SZ型線的緊湊排列，解決了導線的化學腐蝕和電化學腐蝕問題，同時也大大地減少了縫隙腐蝕的產生，使導線的壽命大大延長。

（5）優良的性價比。當考慮被更換導線的特性、節能、低弧垂和足夠長的壽命條件下，新型導線具有優良的性能和適當的價格。如果其價格大約是相同規格的鋼芯鋁絞線2倍時，由于它可以增加100％的輸送容量，可視為其價格與鋼芯鋁絞線持平，而它可以節約金具和施工費用，還節約材料和土地。

2.2 國外增（擴）容導線

為使輸電線路能增加輸送容量，可采用增大導線的導體截面積或者提高導線的運行溫度。采用提高導線運行溫度來增加輸送容量，現在國際上有2大流派的導線。

（1）以日本的導線為代表。導線的導體采用耐熱鋁合金，這種耐熱鋁合金是在鋁中添加鋯、釔等元素，使其在導線提高溫度時，耐熱鋁合金的強度降低值在允許的范圍內。

采用這種耐熱鋁合金線制作的導線能在150℃及以下溫度安全使用，但遺憾的是，其導電率較低，在線路輸電時增加了能耗，與我國的“節能降耗”國情不符。當它與鋼芯組合成導線時，其弧垂特性與相同規格的鋼芯鋁絞線相同。當導線提高溫升，增大輸送容量時，弧垂量往往超出允許范圍而無法提高較大的溫升。為改善其弧垂特性，采用殷鋼（INVAR）芯代替普通的鋼芯，但殷鋼含鎳（高達36％～40％）導致其使用價格高昂，一般很難選用。

（2）以美國、加拿大的導線為代表。導體采用經處理的軟鋁線，導電率達63％IACS，強度較低，只有59～76MPa，但其延伸率達20％～30％，這樣當導線的溫度升高時，軟鋁線的強度并不會降低。這類導線的芯線，可能為鍍鋅鋼絞線，碳纖維或鋁基陶瓷纖維芯，它們的延伸率均較軟鋁低，約6％或以下，因此當導線受到較大外力拉伸時，首先破壞芯線。

除了采用上述2種流派的材料以外，國外還從導線的結構上進行改善，日本的間隙型導線便是重要的代表。它采用耐熱鋁合金作為導電材料，承力件仍為鋼芯，導線架設時人為地使鋼芯受力。當線路送電時，導線溫度升高，其弧垂的增量取決于熱膨脹系數較小的鋼芯，這樣在輸送更大容量的電流時，弧垂也在允許范圍內，但這種導線仍避免不了有較大的能損。

美國開發并采用的自阻尼導線，幾乎與間隙型導線有相同的力學性能。它采用電工鋁線作為導體，改善了導電性能，然而它并未被采納為使用至150℃的線種，因為電工鋁線在溫度升高后強度降低，從而導致電力部門沒有認可。自阻尼導線的抗振能力將在線路的建設中發揮其獨特作用。

不管是間隙型導線或是自阻尼導線，為發揮其獨特的技術性能，都必須通過特殊的架設方法來完成。

2.3 國內研制的節能型導線

2.3.1 工作原理

節能型增（擴）容導線的特性，首先是節能。增（擴）容導線為了要比原有的導線輸送更多的電能，其方法是增加輸送電流的容量，提高導線的溫升。當導線的溫度升高后，線路中導線的弧垂便增加，溫度提升得越高，弧垂增加得越大，然而對于線路，特別是已架設好的線路，弧垂量是預先設計確定的，不能隨便變動增加，然而又要求輸送更大的電流容量。因此，應采取新的措施，通過特殊的加工方法，使導線的溫度—弧垂曲線的拐點（應力轉移點）向較低的溫度移動，抑制導線弧垂的較快增加。

2.3.2 節能型增容導線

節能型增容導線的鋁線股制成SZ形或T形的結構，它與普通的鋼芯鋁絞線相比，結構就更緊密了。圖2為2層式結構的節能型增容導線截面圖。

圖2 2層式結構的節能型增容導線截面圖Fig.2 2-layer structuralenergy-saving upgraded conductor section

這種節能型增容導線與相同鋁截面的鋼芯鋁絞線相比，直徑更小，可以使導線減少覆冰和風載，較小的直徑和平滑的外表面能減少空氣動力系數，降低微風振動和舞動的危害。在直徑相同的情況下，增容導線相比鋼芯鋁絞線具有更大的鋁截面積，可以提高電暈和無線電干擾水平。鋼比為13％的400mm2鋼芯鋁絞線與節能型增容導線的載流量比較如表1所示。

從表1中可見：（1）鋁等截面積的節能型增容導線在100℃的載流量為949A，即達鋼芯鋁絞線70℃時的載流量150％以上；當達到140℃時，已能輸送高至鋼芯鋁絞線70℃時的載流量2倍的容量；（2）當節能型增容導線與鋼芯鋁絞線等直徑時，100℃的載流量為1.094 kA，達鋼芯鋁絞線70℃時的載流量180％以上；在120℃時，載流量為1.282 kA，達鋼芯鋁絞線70℃時的載流量214％；（3）盡管導體溫度達100℃或120℃，節能型增容導線的弧垂仍不超過鋼芯鋁絞

表1 鋼芯鋁絞線與節能型增容導線載流量比較Tab.1 Currentcarrying comparison of ASCR to energy-saving upgraded conductor

線在70℃時的弧垂量，因此線路是安全的。

采用等直徑的節能型增容導線，其總拉斷力不增加，此時塔桿就可以不改變了。

節能型增容導線的鋁導體由型線制成，各線股間的接觸面積比常用導線的圓鋁線接觸面積大得多，即各線股之間的摩擦面積加大了。另外，節能型增容導線軟鋁線所受張力與工作溫度已超過遷移點，鋁線呈現出一定的松弛，這時導線的自阻尼特性比相應的鋼芯鋁絞線更好，對線路的安全更有利。

2.3.3 節能型擴容導線

擴容導線的結構與增容導線大致相似，區別是擴容導線在鋁導體與鋼芯之間存在一定間隙，在間隙中充滿耐高溫的潤滑油脂，這種油脂在210℃不滴流（實際滴點達250℃以上）且起防腐蝕保護鋼芯作用。圖3是典型的節能型擴容導線截面示意圖。

圖3 節能型擴容導線截面示意圖Fig.3 Energy-saving expanded conductor section

在鋼芯受力狀態下，導線弧垂特性將完全取決于鋼芯特性，鋼芯的熱膨脹系數11.5×10-6/℃，為鋁的1/2。當擴容導線達140℃時，它的弧垂量與相適合的鋼芯鋁絞線在環境溫度為40℃工作溫度為70℃時基本一致，這時的載流量正好增大1倍，線路是安全的。

節能型擴容導線幾乎具備節能型增容導線所有的性能，不同的只是直徑略大些，但卻有更為優良的自阻尼特性，這是由于鋁線和鋼芯的固有頻率不同，在微風的振動下，它們相互碰撞而消耗能量。

2.3.4 高導電耐熱鋁導線

為了要增加線路的輸送容量，提高導線運行溫度是一個行之有效的方法。鋼芯耐熱鋁合金導線、殷鋼芯或鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導線雖可以通過提高導線運行溫度增大載流量且控制線路導線弧垂的問題，但它們的電阻率較差，線路運行線損增加。另外含有殷鋼的導線，價格高昂，影響其使用。以軟鋁導線為代表的系列，包括碳纖維軟鋁導線等線種，施工的困難與價格昂貴阻礙其使用。

高導電耐熱鋁導線是由導電率大于62％IACS的耐熱鋁作為導體，它比耐熱鋁合金導體提高2％IACS以上的導電率。在線路運行時，減少能耗約3％，耐熱鋁能夠在150℃的高溫下運行，而強度降低很小。在230℃×1 h加熱后的強度殘存率大于95％，優于耐熱鋁合金的強度殘存率90％的水平。

高導電耐熱鋁導線的截面圖如圖4所示。

圖4 高導電耐熱鋁導線的截面圖Fig.4 High-conductive heat resistantalum inum conductor

高導電耐熱鋁導線的高導電耐熱鋁導體在導線的外層為S或T型，其他各層則均為圓線，經預應力處理的特高強度鍍鋅鋼線作為芯線。此種把導線的應力遷移點提前，導線的熱膨脹系數變小，改善了導線的弧垂特性。這種性能優良的導線與相同規格的鋼芯鋁絞線導線相比，至少可以增大50％的輸送容量。用于新建線路時，可按相同規格的導線設計線路，不僅在運行時節能，還蘊藏可增容50％的可能。對于老舊線路增容改造也十分有益。

3 節能型增（擴）容導線與其他導線的比較

3.1 不同溫度時各類導線的弧垂

如果用相同規格的各類導線，用相等的安裝張力和條件架設在同一檔距中，導線弧垂將隨導線溫度變化。圖5是導線在40℃時候的弧垂，因碳纖維芯強度大、自重小且熱膨脹系數小，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，其他各類導線的弧垂基本相同，都在對地距離安全范圍內。

圖5 40℃時各類導線的弧垂相對位置圖Fig.5 Conductors’sag relative positionsat40℃

當導線溫度升至90～100℃時，此時的載流量相當于70℃時150％，常規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地安全距離允許值，如圖6所示。

圖6 100℃時各類導線的弧垂相對位置圖Fig.6 Conductors’sag relative positionsat100℃

如圖7所示，當導線溫度升至140～150℃時，此時的載流量已達70℃時的200％，即N-1狀態。常規鋼芯鋁絞線、鋼芯耐熱鋁合金絞線和鋼芯軟鋁絞線的弧垂均超出了對地安全距離允許值，而節能型擴容導線的弧垂仍在安全范圍內。

圖7 150℃時各類導線的弧垂相對位置圖Fig.7 Conductors’sag relative positionsat150℃

3.2 綜合性能比較

節能型增（擴）容系列導線與耐熱鋁合金型導線、軟型鋁導線等的綜合性能比較，見表2。

表2 各類導線的綜合性能比較Tab.2 Generalper for mancecomparison of conductors

4 結語

為增加線路的輸送容量，節能增（擴）容導線在線路建設時采用，它在輸電時節能；用于線路改造增大輸送容量時，可不必更改輸電線路，不必更換鐵塔；對于新建線路由于它蘊藏著可增大50％～100％的輸電能力，可以節約土地；導線由型線絞成，結構十分緊密，抗振耐蝕壽命長；導線的主要材料是性能優良的鋁和鋼線，而價格不高，有良好的性價比。

由于我國每年對導線的需求量很大，約100萬t之多。近年來，我國采用多種由國外購置的或由國內仿造的耐熱鋁合金系列導線，如鋼芯耐熱鋁合金絞線、殷鋼芯耐熱鋁合金絞線等線種，它們由于導電率偏低，在運行時能耗較大，且弧垂并不能減小，或能減小而價格高昂。從節能的觀點出發，不推薦采用此類導線。鋼芯軟鋁絞線、碳纖維芯軟鋁絞線等都有著很好的導線性能運行時節能，但施工技術還需要完善，價格是使用與否的重要因素，所以使用時應詳細作經濟核算才能決定。

致謝

本文編寫和導線試制時獲得江蘇通光強能輸電線科技有限公司黃俊華、陸國欽、江建華、王國忠、李錫華、朱浩亮、張志華等同志的幫助，在此一并致謝。

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