鋁包鋼絞線最高允許運(yùn)行溫度研究

胡吉磊，徐建國(guó)，姚耀明，宋剛，吳欣

（1.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州市，310012；2.浙江省電力公司，杭州市，310007）

0 引言

鋁包鋼絞線強(qiáng)度高，弧垂特性大，對(duì)于降低跨越塔高效果明顯，而且產(chǎn)品規(guī)格齊全，可以選擇的余地大。國(guó)內(nèi)外已有不少大跨越工程采用了該種導(dǎo)線，如日本中四干線[1]、我國(guó)早期的220 kV廣東黃埔、南京燕子磯等大跨越工程，以及近年來(lái)的±500 kV龍政直流王家灘漢江大跨越（JLB30-510），110 kV舟山—岱山聯(lián)網(wǎng)工程的灌門(mén)、龜山、高亭3處大跨越（JLB30-420），220 kV甌江三跨（JLB30-300）等。但是，由于鋁包鋼絞線鋁截面小、交流電阻大，按照我國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定計(jì)算，載流能力相對(duì)較差。因此，當(dāng)工程需要較大輸送容量時(shí)，往往只能選擇弧垂特性相對(duì)較差的特高強(qiáng)度鋼芯鋁合金絞線，造成跨越塔高度增加，造價(jià)昂貴。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)線溫度從70℃提高到80℃后，載流量可提高24%～27%[2]。因此，對(duì)鋁包鋼絞線進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以提高其最高運(yùn)行溫度，從而增加線路的輸送能力。

1 國(guó)內(nèi)外有關(guān)規(guī)程規(guī)定

控制導(dǎo)線允許載流量的主要依據(jù)是導(dǎo)線的最高允許溫度，后者主要由導(dǎo)線經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后的強(qiáng)度損失和接續(xù)金具的發(fā)熱而定。我國(guó)在導(dǎo)線最高允許溫度確定時(shí)相對(duì)保守，長(zhǎng)期以來(lái)都規(guī)定鋼芯鋁絞線的允許溫度為70℃[3-4]，2010年最新頒布的國(guó)標(biāo)將其提高到了80℃[5-7]。而對(duì)于鋁包鋼絞線，一直以來(lái)我國(guó)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定，一般線路可采用80℃，而大跨越線路可采用100℃，或經(jīng)試驗(yàn)決定[4，7-8]。根據(jù)國(guó)外的有關(guān)資料，日本等國(guó)家規(guī)定的鋁包鋼導(dǎo)線最高允許溫度值達(dá)到了200℃。因此，我國(guó)對(duì)于鋁包鋼絞線的應(yīng)用，尚有很大的潛力可以發(fā)掘。

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)線允許溫度可以通過(guò)單絲的熱強(qiáng)度損失試驗(yàn)進(jìn)行選擇[7]。測(cè)定時(shí)依據(jù)IEC 61232：1993要求的試驗(yàn)方法進(jìn)行[9]，其中單絲的烘制溫度范圍考慮絞線在運(yùn)行時(shí)可能達(dá)到的上限溫度。

為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在每個(gè)規(guī)格的試驗(yàn)絞線中，隨機(jī)選取7根單絲，每根單絲再均分7段以備用。

試驗(yàn)時(shí)，將試樣置入烘箱，溫度控制在設(shè)定值±5℃，持續(xù)100 h，從烘箱中取出，在實(shí)驗(yàn)室常溫下靜置24 h后，再分別進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（3根）、1%伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力試驗(yàn)（1根）和扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)（3根）。烘制溫度為100～200℃，間隔為20℃。

3 試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果及分析

通過(guò)試驗(yàn)（試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為100 h），各型號(hào)絞線單絲機(jī)械性能如表1～2。各型號(hào)絞線在不同溫度下的單絲扭轉(zhuǎn)次數(shù)均大于20。

表1 經(jīng)不同溫度后單絲抗拉強(qiáng)度Tab.1 The tensile strength of monofilament under different temperatures MPa

表2 經(jīng)不同溫度后單絲1%伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力Tab.2 The stress of the monofilament at an elongation of 1% under different temperatures MPa

從上述試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著單絲溫度的增加，單絲機(jī)械性能不但沒(méi)有下降，反而略有提高。究其原因，由于鋁包鋼單絲主要由耐熱良好的鋼芯組成，可以認(rèn)為雖然其烘制溫度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的退火溫度，但由于時(shí)間累積效應(yīng)，在一定程度上有調(diào)質(zhì)的作用，所以烘后的鋁包鋼單絲抗拉強(qiáng)度均較常溫時(shí)的要高。

因此可以看出，鋁包鋼絞線的最高允許運(yùn)行溫度，可以較規(guī)程規(guī)定的100℃的要求有較大程度的提高，甚至可以提升至200℃。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 螺頭水道大跨越工程情況

螺頭水道大跨越是舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)工程的最核心部分，是我國(guó)第一個(gè)完全自主設(shè)計(jì)、自主加工、自主施工的具有世界第一高度的特大型輸電跨越工程。

大跨越北起舟山市大貓山島，南至寧波市外峙島，按照500 kV線路設(shè)計(jì)建設(shè)。大跨越全長(zhǎng)6 215 m，采用“耐—直—直—直—耐”跨越方式，跨越螺頭國(guó)際水道的最大跨距為2 756 m，采用2基全高370 m的跨越高塔，分別位于舟山的大貓山和寧波的涼帽山上，另一基199 m跨越高塔位于外神馬島東側(cè)約450 m的海中，如圖1～2所示。

圖1 螺頭水道大跨越段線路示意圖Fig.1 The sketch of the large crossing line over the Luo Tou

圖2 螺頭水道大跨越斷面示意圖Fig.2 The profile of the large crossing line over the Luo Tou Watercourse

4.2 導(dǎo)線選型分析

對(duì)于特大檔距跨越而言，導(dǎo)線的弧垂特性直接影響到跨越塔高度和工程投資。

設(shè)計(jì)初選弧垂特性大于15 km以上的導(dǎo)線型號(hào)。鋁包鋼絞線在滿(mǎn)足制造長(zhǎng)度6.5 km的條件下，單根導(dǎo)線截面不能突破420 mm2，故在滿(mǎn)足輸送容量的前提下，需采用4分裂子導(dǎo)線布置。結(jié)合幾次專(zhuān)家評(píng)審意見(jiàn)，鋁包鋼絞線的型號(hào)選擇時(shí)著重對(duì)導(dǎo)電率在20%～27%范圍內(nèi)的導(dǎo)線進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。高強(qiáng)度鋼芯鋁合金絞線方面，以江陰大跨越導(dǎo)線AASCR-500/225作為比較方案，在滿(mǎn)足輸送容量的前提下，采用雙分裂布置；另外又增選日本大跨越選用過(guò)的導(dǎo)線AASCR-220/150和中南電力設(shè)計(jì)院最近開(kāi)始應(yīng)用于漢江、湘江、沅水大跨越的導(dǎo)線AASCR-640/290，弧垂特性達(dá)16 km以上。

同時(shí)，受大跨越耐張段長(zhǎng)度的限制，要求導(dǎo)線單根長(zhǎng)度不小于6.5 km，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)導(dǎo)線的制造能力，采用鋼芯鋁合金絞線時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)整根制造。

經(jīng)過(guò)篩選論證，最終螺頭水道大跨越導(dǎo)線采用JLB23-380鋁包鋼絞線，4分裂正方形布置，導(dǎo)線設(shè)計(jì)最高允許溫度取130℃。

JLB23-380鋁包鋼絞線在不同溫度下的載流量及弧垂變化情況和與其他導(dǎo)線型號(hào)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比結(jié)果如表3、4所示。

表3 JLB23-380鋁包鋼絞線在不同溫度下的載流量及弧垂變化Tab.3 The variation of ampacity and sag of JLB23-380 under different temperatures

表4 JLB23-380鋁包鋼絞線與其他導(dǎo)線型號(hào)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比Tab.4 Technical and economic comparison of JLB23-380 and other conductors

從表3和表4可以看出，采用JLB23-380鋁包鋼絞線后，有效減小了導(dǎo)線弧垂，降低跨越塔高度（較江陰大跨越的導(dǎo)線方案降低塔高近77 m），從而有效降低了工程投資和年費(fèi)用。而且，JLB23-380導(dǎo)線運(yùn)行溫度為130℃，尚有較大提升空間。隨著舟山經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)電力需求增加時(shí)，只要提高導(dǎo)線運(yùn)行溫度，就可增加線路輸送能力。以提升至180℃為例，可增加線路輸送能力21.7%，而導(dǎo)線弧垂只增加3.55 m，只要設(shè)計(jì)時(shí)稍微預(yù)留高度，即可滿(mǎn)足增容要求。

5 結(jié)論

目前，螺頭水道大跨越已經(jīng)于2010年7月建成投運(yùn)，大跨越導(dǎo)線運(yùn)行正常。從螺頭水道大跨越導(dǎo)線的試驗(yàn)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，可以認(rèn)為：

（1）鋁包鋼絞線的最高運(yùn)行溫度較規(guī)程規(guī)定可以有較大程度的提高。從目前的使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，提升至130℃是可行的；從試驗(yàn)結(jié)果分析，甚至可以提升至200℃。

（2）由于導(dǎo)線最高允許溫度的提升，對(duì)于特大型跨越工程，采用鋁包鋼絞線作為導(dǎo)線將是一種較好的選擇。

（3）由于本次研究只對(duì)局部種類(lèi)的鋁包鋼單絲進(jìn)行了試驗(yàn)，為更好地總結(jié)，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更多的試驗(yàn)驗(yàn)證。

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