輸電線路新型導線應用及推廣

陳浪蛟 馬志方

輸電線路新型導線應用及推廣

國網天府新區供電公司 ?陳浪蛟 ?馬志方

【摘要】在新型導線與普通導線特性對比基礎上，結合工程實例及運行經驗，指明運用新型導線的優點及缺點;并從輸電網新型導線運行角度出發提出新型導線推廣應用意見和建議。

【關鍵詞】新型導線;特性對比;殷鋼導線;復合材料芯導線

一、前言

近年，很多城市在迎峰度夏期間輸電線路出現輸送容量受限，導致城區在高負荷期間不得不采取拉閘限電的措施避免線路過負荷跳閘;去年成都電網最大負荷達829萬kW，創歷史新高，其中成都電網多條220千伏及110千伏主干網架出現斷面超限，重要線路超載運行的局面;為緩解成都電網因線路截面小導致的輸電斷面熱穩定性差，輸送容量不足帶來的成都電網“卡脖子”問題，同時有效利用現有通道資源節約成本，引進一種輸送容量更大同時又能耐高溫的新型導線勢在必行。

二、超耐熱鋁合金導線與普通導線性能對比

從常規型與新型導線角度導線可分為：鋼芯鋁絞線、耐熱鋁合金導線、鋼芯軟鋁絞線、復合材料芯導線，由于成都電網于2011年7月引進耐熱鋁合金導線（殷鋼導線），開始邁出探索新型導線應用的步伐，耐熱鋁合金導線安全運行周期已超過3年，也為成都電網在新型導線推廣應用上積累了一定的經驗，本論文將以耐熱鋁合金導線為論述重點，并以復合材料芯導線（碳纖維芯導線及鋁基陶瓷纖維芯導線）為輔助，說明新型導線推廣應用的重要意義。

1.鋼芯鋁絞線

我國輸電的架空輸電線路以LGJ系列鋼芯鋁絞線為主，在國際上，這類導線的應用歷史已超過了100年;鋼芯鋁絞線中的硬鋁導體的長期使用溫度設計為70～90℃（我國目前設計為70℃），導電率在20℃下為61%IACS，輸電容量受到了限制并且線損較大。

2.耐熱鋁合金導線

鋼芯耐熱鋁合金絞線，它的導電部分用耐熱鋁合金線（TA1）代替了傳統鋼芯鋁絞線中的硬鋁線（HA1），把連續使用溫度提高至150℃，從而使線路的輸送容量大增，達到擴容的目的。

鋼芯耐熱鋁合金絞線中的耐熱鋁合金線主要有導電率為58%IACS（58TA1）和60%IACS（60TA1）兩種，制成的絞線分別稱為58TACSR和60TACSR。

在耐熱鋁合金導線系列中還有導體部分用超耐熱鋁合金線（UTA1和ZTA1）的鋼芯超耐熱鋁合金絞線（UTACSR和ZTACSR）、用高強度耐熱鋁合金線（KTA1）的鋼芯高強度耐熱鋁合金絞線（KTACSR）等線種。幾種耐熱鋁合金材料與硬鋁線的主要性能列于表1。

表1 幾種耐熱鋁合金材料與硬鋁線的主要性能

線種 導體

型號 導電率

（%IACS） 抗拉強度

（MPa） 允許使用溫度（℃）

連續 短時 瞬時

耐熱鋁合金線 TAl ≥58 158?183 150 180 260

60TAl ≥60 158?183 150 180 260

超耐熱鋁合金線 UTAl ≥57 158?183 200 230 260

ZTAl ≥60 158?183 210 240 280

高強度耐熱鋁合金線 KTAl ≥55 218?262 150 180 260

硬鋁線 HAl ≥61 158?183 90 120 180

從表1對比結果可知：

①所有耐熱鋁合金線的允許使用溫度比硬鋁線要高得多，即使是最低的TAl，其允許的連續、短時和瞬時使用溫度分別要比硬鋁線高60℃～80℃;

②所有耐熱鋁合金線的抗拉強度與硬鋁線相當，其中的高強度耐熱鋁合金線除了允許的連續、短時和瞬時使用溫度分別要高（60～80）℃外，抗拉強度還高了60MPa左右;

③但是，所有耐熱鋁合金線的導電率均低于硬鋁線，而且隨使用溫度的增加或抗拉強度的提高其導電率反而下降。

把耐熱鋁合金導線系列中的鋼芯改為鋁包鋼芯后，就分別成為鋁包鋼芯耐熱鋁合金絞線、鋁包鋼芯超耐熱鋁包鋼絞線和鋁包鋼芯高強度耐熱鋁合金絞線;因鋁包鋼具有一定的導電率，可在提供強度的同時可適當彌補鋼芯耐熱鋁合金絞線產品導電率的不足;在應用中提高了使用溫度后，因鋼和鋁的線膨脹系數較大，上述各種鋼芯耐熱鋁合金絞線都存在弛度增大的問題，限制了在某些場合的應用。

殷鋼具有鋼的基本性能且線膨脹系數很小，用殷鋼芯制成的耐熱鋁合金絞線在高溫狀態工作時弛度增量很小，如殷鋼芯超耐熱鋁合金絞線和殷鋼芯特耐熱鋁合金絞線等是綜合性能接近理想的線種。

但是，因殷鋼組份中含有大量的（約36～40%）稀貴金屬鎳，故價格高昂導致性價比較差。而且，超耐熱鋁合金和特耐熱鋁合金的導電率低于普通硬鋁，在增容的同時卻無法彌補地損失了大量電能。

3.復合材料芯導線

利用二十一世紀最新技術的有機復合材料（碳纖維或鋁基陶瓷纖合導電維）替代導線的金屬材料（如鍍鋅鋼線、鋁包鋼線等）承力部分、即作為導線的芯線是一大進步。這種新型復合材料芯具有重量輕、強度大、耐高溫、耐腐蝕、蠕變小、線膨脹系數小的一系列優點。

有機復合材料芯（碳纖維或鋁基陶瓷纖合導電維）可以做成象傳統鋼芯一樣的多根絞合芯（一般為7根），若用這樣的碳纖維芯，在外層絞合導電率為61%IACS的硬鋁線，成為碳纖維芯鋁絞線（ACFR）;在外層絞合導電率為（58～60）%IACS的耐熱鋁合金線，成為碳纖維芯耐熱鋁合金絞線（TACFR）。

碳纖維也可以做成直徑稍大的單芯，在外層絞合導電率為63%的梯型軟鋁線，成為碳纖維芯軟鋁絞線（ACCC）。

碳纖維芯軟鋁絞線發揮了復合材料的優點，具有重量輕、強度大、弧垂小、線損少的優點，從理論上說是一種性能接近完善的理想線種，目前還處于試驗階段，主要是碳纖維棒材的壽命還需要在實際運行中得到進一步驗證。美中不足的是目前ACCC的價格十分驚人地昂貴，在一般線路上應用的性價比不理想。

各類導線的綜合性能比較列表，見表2。

表2 各類導線的綜合性能比較表

結構 常用的

鋼芯鋁絞線 鋼芯耐熱

鋁合金絞線 殷鋼芯耐熱

鋁合金絞線 碳纖維芯

軟鋁絞線

導電性能 61%IACS （58?60）%IACS （58?60）%IACS 63%IACS

使用溫度 70?90℃ 150℃ 150℃ 150℃以上

弧垂特性 標準值 90℃超標準值 滿足標準值 小于標準值

能耗 標準值 增加 增加 減小

線損 標準值 增加 增加 減小

載流量 標準值 增（20?25）% 增100% 增100%

外徑 標準值 相同 相同 減小

單重 標準 相同 相同 輕15%?20%

拉斷力 標準值 相同 略小些 略大些

金具 標準金具 耐150℃金具 耐150℃金具 耐150℃金具

結構復雜

三、成都輸電網新型導線典型應用實例

220KV東郊變電站是成東片區的主供電源，為了充分發揮東郊變電站在迎峰度夏期間的作用，緩解成東電網運行的緊張局面;2011年6月，成都電業局決定充分利用停運的220千伏成昭東、西線（同塔雙回），并通過增容改造后的110千伏青郊線137#-147#，實現從220KV昭覺站供電到220KV東郊站的目的。

由于110kV青郊線137#-147#段塔型設計荷載有限，只能承載不超過LGJ-240/30的重量，且該工程要求工期短（從定方案到投運結束不超過一個月）屬于典型的搶建工程; 同時220千伏成昭東、西線雙回并單回后經單回110千伏線路輸送到東郊變電站過程中，大容量、大電流與110千伏線路塔型、線徑之間的矛盾是實施該工程的主要難點。

本工程通過改造110kV青郊線137#-147#橫擔后將原來型號為LGJ-240/30的導線更換為STACIR/AW 200?鋁包殷鋼線，實現單回110千伏線路帶雙回220千伏負荷的目的，成功解決成都城區建設用地難、電力通道輸送瓶頸等現實問題的同時大大降低了工程建設成本;成為成都輸電網首次使用新型導線解決實際問題的典型案例，也為成都輸電網應用科技成果探索新型導線推廣應用之路邁出了堅實一步。

表3 成品導線的結構和特性

Item 名稱 Unit單位 Specification 參數

Cable designation 導線名稱 - STACIR/AW 200?

Minimum rated tensile strength ?最小抗張強度 kN 86.12

Calculated cross section area ?計算斷面積

Super thermal-resistant aluminum-alloy wire ?超耐熱鋁合金線

Aluminum-clad invar wire ?鋁包殷鋼線

Complete conductor ?成品導線

?

?

?

199.21

55.60

254.81

Overall diameter *） ? 直徑

Aluminum-clad invar wire ? 鋁包殷鋼線

Complete conductor ?成品導線

mm

mm

9.54

20.70

Standard weight *） ?標稱重量 kg/km 920

Coefficient of linear expansion *） ?線性膨脹系數

Up to transition point temperature ? 到轉移點溫度

From transition point temperature to 230℃ 從轉移點溫度到230℃

Above 230℃ ? 230℃以上

1/℃

1/℃

1/℃

15.1 x10-6

3.7 x10-6

10.8 x10-6

Maximum Operating temperature

最高運行溫度 Continuous ? ?長期 ℃ 210

for emergency ?短時 ℃ 240

Calculated current carrying capacity *）

計算持續載流量 Continuous ? ?長期 A 1，144

for emergency ?短時 A 1，239

表4 STACIR/AW 200?鋁包殷鋼芯超耐熱鋁合金線傳輸容量

導線溫升（℃） 導線溫度（℃） 載流量（A） 交流電阻（Ω/km）

80 120 793 0.1937

90 130 840 0.1992

100 140 885 0.2047

110 150 927 0.2103

120 160 966 0.2158

130 170 1，004 0.2213

140 180 1，041 0.2268

150 190 1，076 0.2324

160 200 1，110 0.2379

170 210 1，144 0.2434

后續案列：成都電網110千伏侯西、沙西以及110千伏侯紅線等重要線路均使用了鋁包殷鋼導線，大大提高了城區輸電網輸電能力;同時于2013年9月在220千伏金侯一、二線及220千伏圣石一、二線分別引入了碳纖維芯導線及呂基陶瓷纖維芯導線;新型導線越來越多的應用在各大城市輸電網絡中，為它的推廣應用積累施工運行經驗。

型號為STACIR/AW 200?鋁包殷鋼線及普通導線特性對比。

該導線材質是一種鎳鐵合金及均勻連續附著在其表面的鋁層構成，具體特性如表3所示。

從表3看出殷鋼導線有以下優點：（1）計算持續載流量大：型號為STACIR/AW 200?的殷鋼導線（計算質量及截面與LGJ-240相當）長期持續載流量達到1144 A;（2）運行溫度高：長期最高運行溫度達到210℃;（3）殷鋼具有鋼的基本性能且線膨脹系數很小，用殷鋼芯制成的耐熱鋁合金絞線在高溫狀態工作時弛度增量很小，當運行溫度在230℃以下時弧垂受溫度變化影響小。

STACIR/AW 200?鋁包殷鋼芯超耐熱鋁合金線傳輸容量如表4所示。

裸導線的安全載流量（持續容許負荷，A）如表5所示。

從表5不難看出：當殷鋼導線運行在210℃時載流量達到1144A，輸送容量接近雙回LGJ-400的輸送容量;而導線截面僅為254.81?，比LGJ-240/30的計算總截面275.96?還要小，計算質量為920 kg/km比LGJ-240/30的計算質量922.2kg/km還輕。

以上數據對比不難發現，在不改變輸電線路路徑，也幾乎不必改造增強鐵塔，只需要更換新型導線，線路就能輸送更多的電能，達到線路增容的目的。

四、新型導線實際運行中存在的幾點問題

一是由于新型導線與傳統導線相比，在結構上及材料上均有不同，導致新型導線在特性參數發生了較大的變化，以殷鋼導線為列，該導線在不同溫度下有不同的線性膨脹系數，導致該類導線在應力弧垂計算過程中不能使用軟件計算，增加了理論分析計算難度。

二是新型導線的各種金具均要求能耐高溫的特殊金具，且施工過程也有一系列特殊要求施工工藝較為復雜，不利于推廣應用。

三是運行經驗及技術標準缺乏且新型導線出現缺陷后沒有與之配套的防護金具進行修補，不利于開展檢修工作。四是由于新型導線價格昂貴，運行單位一般不單獨準備備品備件，遇到緊急情況后，各項搶修工作受廠家供貨周期因素影響大。

五、結束語

近年，城市發展日新月異，城區電力負荷供需矛盾日漸成為不可忽視的矛盾，因此為解決城市用地難，新建輸電通道阻擋多等現實問題，大力推廣應用新型導線刻不容緩。但就以上分析情況看廣泛推廣新型導線還存在一定的困難，只有繼續研制成本低廉、性能優良、施工簡便的新型增容導線才能大范圍推廣使用，充分發揮新型導線的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]孟遂民.架空輸電線路設計[M].北京：中國電力出版社，2001.

[2]陳祥和，田啟華.輸電桿塔設計[M].北京：中國電力出版社，2001.

[3]華東電力設計院，DL/ 5092-1999110～500kV架空送電線路設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，1999.

作者簡介：

陳浪蛟（1986—），男，四川成都人，大學本科，國網天府新區供電公司輸電運檢專責。

馬志方（1985—），女，四川成都人，大學本科，四川省電力公司檢修公司輸電檢修中心帶電作業專責。