輸電線路節能增效技術發展

張俊嶺

（廣東電網公司惠州供電局，廣東 惠州 516001）

電力系統的電力管理以及能源管理新技術是為達成包括輸電線路節能增效在內的一項新技術，是國家電網在響應國家在電力系統中大力推廣使用新產品、新材料、新技術、新工藝、新思路的號召，為堅持科學發展觀努力建成我國的能源節約、環境友好型的智能型、高效型、節能型電網的目標而應用的一項新技術。輸電線路是電力血液的血管，電力系統的載波通信也要依賴輸電線路才能得以完成。我國的電網密度雖然已經較大，但是仍然無法滿足高峰時的用電需求。新建線路雖然可以滿足需求，但是對于電力系統而言，卻面臨著兩方面的問題，一方面是比較現實的大規模投資問題，另一方面就是環保的問題，雖然電網施工只是點線結合的施工，占地較少，比較不占空間，然而，以整條線路計算，總占地面積就非常可觀，在我國土地資源變得非常寶貴的情況下，如果能有其他的方法解決輸電線路的容量問題就可以既避免了巨額的投資，又為國家節約了寶貴的土地資源，并且還達到了保護環境的目的，就可以既解決上述問題，又實現了電網輸送能力的保障，可謂較為完美的解決方案。因此，采用較為先進、較為實用的新技術解決我國的電網的線路輸送能力就成了擺在電力系統面前的一個大問題，基于此，我國的電力系統在借鑒國外發達國家的輸電經驗、輸電方法上提出了提高導線能力的節能擴容、節能增效的戰略思路。我國的現有的電網系統目前普遍存在著一個在用電高峰時的潮流輸電能力不足的較為嚴重的問題，并且，在線路出現故障時，這種短時的輸電能力不足就尤為明顯，這種現象不但已經嚴重地影響了我國城市居民的用電舒適體驗，而且也影響了電力系統的長期穩定安全的運營，因此，在經濟效益與社會效益的雙重壓力之下，我國的電力系統開始對增容技術進行了深入的研究，并在近年來進行了應用方面的實驗。

1 輸電線路節能增效應用技術現狀

擴大電網輸電線路的輸送能力的方法較多，比如能過抑制電力系統的低頻率的振蕩波，就可以將電網中超高壓的交流輸電線路的輸送電力的能力提高；此外還有柔性緊湊型輸電法等以及改變導線增容法、導線動態增容法、超高壓特高壓法等。不論采用哪種方法都受制于導線的載流量，通過物理學常識可知，導線的溫度有兩個決定因素，一個是電阻的阻值，電阻的阻值與導線的溫度成正比，同時還有另一個因素，就是通過導線的電流強度，電流強度也與導線的溫度成正比。因此，為了增加導線的載流量，也就是通過導線的電流強度，同時又要抑制導線的溫度，使之不能過熱，就只能從導線的電阻阻值與導線的性質上下工夫。一方面降低導線的電阻阻值，一方面使用新材料新工藝提高導線的耐熱程度。

我國目前的增容方式已經在某些較為發達的地區開始率先進行使用，其中的主要方法是對現有線路的導線進行更換使用新型的溫度穩定性更好的電力線路導線以及在輸電線路上應用較為先進的自動化技術等。目前已經進入實用化階段的主要電力系統輸電線路增容方法有:動態增容法、同塔多回路輸電法、緊湊輸電法、新型導線法、柔性交流輸電法、特高壓法、大截面導線法等。其中的同塔多回路輸電法在應用中最為簡單易行，其方法就是在同一輸電線路鐵塔上架設多回線路，既解決了重復建設鐵塔、浪費土地資源的問題又提高了輸電能力。而其中的緊湊型電力線路輸電法則是對輸導線路的導線進行優化排列提高電力線路的輸送能力。大截面導線技術就是更換現有導線，使用比現有導線更大的截面積的導線提高導線的載流量。這些新式的節能增容技術絕大多數是從線路以及線路的設計方面進行改變從而達到節能增容的目的。其中的某些節能增容方法尚需設備與軟件的后續開發的支持，這些方法包括特高壓法、柔性交流輸電法、動態增容法、多導體法、高溫低弧垂法等。其實，對于國家電網的長距離輸送電力，其輸送電能的能力直接取決于導線的穩定極限，超過這個穩定極限將會對導線造成致命的傷害。超高壓與特高壓法也可以使電力系統的輸電線路效能得到有效的提升，因為，從物理學上看，電壓越高，電流強度越低，這樣就可以在同樣的電力線路上輸送更高的功率的電力。隨著新材料的出現，殷鋼線材、碳纖維導復合材料線材、鋁合金線材也應運而生，這些線材通過提高其物理性質達到了更高的工作溫度，從而保證了可以允許更大功率的電流通過，進而達到了節能增容的效果。我國蓬勃發展的與電力系統相關的產業正在繼續為電力系統的節電增容進行著理論與實踐的研究，相信隨著這些能源研發產業的興起，我國的電力系統的節能增容之路會更加寬廣，會有一個更加光明的未來。下面就對相關的節能增容方法分別說明。

1.1 應用多分裂、大截面導線替換原有線路實現節能增容

國外發達國家的節能增容現狀是許多國家都已經實現了超高壓、特高壓同時配合使用八分裂大截面導線的節能增容輸電方式。下面就對這些國家的應用現狀進行一一列舉。通過這些國家所采用的較為先進的技術方法了解我國目前與世界發達國家之間的差距。

1.1.1 俄羅斯的重工業一直處于世界領先的水平，其電力系統的發展也已經達到了世界的頂尖水平。俄羅斯的電力系統的輸電線路采用的是1150kV特高壓輸電技術，其電力線路使用的是八分裂300-400平方的鋼芯鋁絞線。

1.1.2 日本是僅次于美國的世界經濟最為發達的國家，日本的工業品的制造水平一直居于世界先進水平，其電力系統也非常發達，電力系統的輸電技術方法也十分先進。日本的輸電線路使用的是1000kV特高壓輸電技術，其電力線路使用的是五種較為先進的八分裂導線。這五種八分裂導線分別是:低噪聲鋼芯鋁絞線、鋼芯耐熱鋁合金絞線、高強鋼芯鋁合金絞線、高強鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁絞線。

表1 中國部分多分裂、大截面導線使用情況

表2 不同類型增容導線的含義與性能

表3 等直徑JL/G1A、JL/LHA1及JLHA3的技術參數對比

1.1.3 韓國不僅是亞洲四小龍之一而且也是世界上僅有的七個國民人均收入超過二萬美元的國家，我國在這方面與韓國的差距可謂是天壤之別。韓國的電力系統的輸電線路采用的是765kV特高壓的輸電技術，其電力線路使用的是六分裂480平方的鋼芯鋁絞線。

1.1.4 美國765kV輸電線路設計采用過3代分裂導線。第1代和第2代導線結構均為4分裂；第3代設計使用6分裂“Tern”ACSR（795kcm ACSR 45/7，直徑 27 mm）導線，導線總截面積增加了15%，增加的兩根子導線明顯減少可聽噪聲和電暈現象。

我國目前采用4分裂導線。子導線截面也由300～400mm2增至630～720mm2。隨著1000kV、±800kV和±660kV輸電線路的建設，中國開始使用900mm2和1000mm2大截面導線（見表1）。

中國交流輸電線路最大導線截面是720mm2，直流輸電線路最大導線截面達到1000mm2，絕大部分是鋼芯鋁絞線。

1.2 老舊線路采用增容導線進行大容量節能改造

使用增容導線（也稱高溫低弧垂導線）對老舊線路進行大容量改造，增加負荷輸送能力，是節能增效技術之一。

充分利用原有走廊和鐵塔，將原有導線更換為增容導線。表2是不同類型鋁合金與加強芯組合形成的不同類型增容導線的含義與性能。

2 輸電線路新型節能增效技術

在傳統的輸電線路導線及地線節能增效技術的基礎上，通過應用新材料、新設計思路和光纖技術，產生了許多新型導線及地線節能增效技術。

2.1 新型節能輸電導線的研究和應用

2.1.1 鋁合金芯鋁絞線（ACAR或JL/LHA1）

ACAR 以高強度鋁合金（6201）作為芯線，與硬拉1350鋁線同心絞合而成。在某些結構中，鋁合金線還要分布于鋁層中（見圖1）。中國近年也開始關注并試用該產品技術。

圖1 鋁合金芯鋁絞線截面

2.1.2 中強度鋁合金絞線（JLHA3）

JLHA3全部采用58.5%～59%導電率中強度鋁合金材料，與等直徑條件下的ACSR相比，電阻要小3.4%，無磁滯損耗，在輸送相同負荷的條件下，因電阻較低，能夠減少輸電線路損耗。

表3是等直徑 J L/G1A-630/45、JL/LHA1-465/

210及JLHA3-660導線的技術參數對比。

2.1.3 型線導線

型線同心絞架空導線是將型線結構的鋁導體和圓線結構的鋼絞線同心絞合形成。型線導線主要是成型鋁絞線系列，其基本結構有SZ型和T型（見圖2）。

2.1.4 小直徑特高強度鋼芯導線

圖2 SZ型和T型型線導線截面

目前，鋁包鋼芯鋁絞線的加強芯一般采用D2.6～4.8mm的鋼線，鍍鋅鋼線最大抗拉強度是1770MPa，鋁包鋼線最大抗拉強度是1340MPa（20%導電率）。

（1）提高鋼線強度性能。研究發現鋼線的線徑和抗拉強度近似于反比關系。日本技術人員特別開發了小直徑特高強度鋼線（SST），其基本性能如表4所示。

表4 小直徑特高強度鋼線（SST）性能

（2）改善導線基本特性。利用特別開發的小直徑特高強度鋼線（SST）制成鋼芯耐熱鋁合金絞線TACSR/SST-590平方。

2.2 輸電線路地線節能技術研究和應用

盡管地線損耗只占系統損耗的一小部分，但減小它也能帶來可觀的收益。最常用減小地線損耗的技術是分段和換位。

2.2.1 光纖復合架空地線分段絕緣接地方式

光纖復合架空地線(OPGW)一般采用逐塔接地的運行方式。

以一條長為115km的500kV超高壓同塔雙回線路為例，經理論計算，4種不同接地方式下OPGW和分流地線單位長度所消耗的電能如表5所示。

表5 地線不同接地方式下的電能損耗

分流地線和OPGW 均采用分段絕緣單點接地或全線絕緣方式，可大大降低電能損耗，是輸電線路節能降損的優選技術之一（見圖3）。

圖3 OPGW分段絕緣方案

2.2.2 開環地線新技術

美國電力公司（AEP）開發了一種開環地線技術，每個開環由2個相鄰的換位鐵塔和它們之間的地線構成（見圖4）[6]。

圖4 開環地線

2.3 輸電導線的光纖溫度、應力監測技術

利用光纖技術實現輸電導線溫度、應力等運行狀態監測是一種先進技術。通過光纖在線測溫，可提高線路的輸電能力；可起到預警作用；可作為實施融冰的基礎。OPPC在線監測系統界面如圖5所示。

圖5 基于光纖光柵的OPPC監控系統界面

2.3.1 基于光纖光柵的OPPC在線溫度監測

從原理上而言，電網線路的輸送能力取決于線路聽三種狀況，這三種狀況就是線熱穩定狀況、線路的暫態穩定狀況、線路的動態穩定狀況。我國的輸電線路輸電能力目前尚低于西方發達國家的線路輸送水平，但是，對于我國電力系統而言，基于我國的線路質量等方面的原因，絕對不能盲目追求西方發達國家的輸電能力，否則將給我國的電網造成線路不可恢復性損壞。因為持續的過熱并保持相當長的時間就必然引起導線的永久變形。

利用各檔距中不同波長的光柵對各個溫度監測點溫度變化的靈敏性感知信息。

OPPC在線溫度監測系統如圖6所示。

圖6 基于光纖光柵的OPPC在線溫度監測系統示意

圖7 基于光纖光柵的OPPC在線應力監測系統

2.3.2 基于光纖光柵的OPPC在線應力監測

應力監測系統采用光纖光柵應力傳感器以及相應軟件，可實現對架空線的弧垂和覆冰的監測。

結語

大力推進輸電導線和地線產品的升級換代，進行材料更新、結構更新和性能更新。同時，中國設計和使用部門也應適時轉變觀念，推動新型輸電導線和地線的應用實踐，以實現輸電線路節能增效和提高能源利用率。對于我國國家電網的一個告誡就是輸電線路的溫度保持在80攝氏度以下的水平是較為適宜的，一旦超過80攝氏度就非常容易出現導線的永久性故障。

[1]萬啟發，谷莉莉，萬保權，等.特高壓交流輸電工程導線截面及分裂形式研究[C]//北京特高壓輸電國際會議論文集.北京:2006:496-501.

[2]SUNKLE D.Results of the questionnair e concerning high temperature conductors fittings[R].Paris:Cigre SCB2 WG12 Tas k Force B2.11.03，2002.

[3]李林，侯長健.鋁合金成型（Z 型）鋁絞線應用前景探討 [C].新型輸導線的綠色創造，中國電力企業聯合會.北京，2011:26-30.

[4]葉鴻聲.中強度鋁合金導線在輸電線路中的應用[J].電力建設，2010，12（1）:12-19.

[5]王勇剛，劉仲全.大截面鋼芯成型鋁合金絞線在重冰區的應用[C].中國電力企業聯合會.北京，2011:31-35.

[6]BERGER J，BHATT N，CHAU M，et al.American electric power experience with 765 kV transmission[C].Beijing UHV Tran smission International Conference Proceedi ngs.Beijing，2006:11-17.