淺談電力線路結構及導線的截面選擇

摘要：電力線路主要由導體（線芯）、絕緣層、保護層等構成。導線是電力線路的主要元件，正確地選擇導線截面對電力網的經濟和技術指標有很大影響。對35kV及以上架空線路，首先按經濟電流密度選擇導線截面，然后按允許截流量、電暈和機械強度進行校驗。對于35kV以下的電力網一般按允許電壓損耗率選擇導線截面，按允許載流量和機械強度進行校驗。

關鍵詞：電力線路結構；導線截面；電流密度；電壓損耗

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）26-0123-02

電力線路按結構可分為架空線路和電纜線路兩大類。架空線路的導線及避雷線等架設在露天的桿塔上。電纜線路一般直接埋設在地下或敷設在電纜溝道中。由于架空線路的建設費用比電纜線路低得多，且架空線路具有施工周期短、檢修維護方便等優點，因此，輸、配電線路絕大多數采用架空線路。只有在負荷密度大、人口稠密的中心城市的繁華地段，發電廠和變電所內部或附近，以及嚴重污穢區不宜采用架空線路時，才采用電纜線路。

其中導線是電力線路的主要元件，正確選擇導線截面對電力網的經濟和技術指標有很大影響。導線截面選擇得過大將增加投資及有色金屬的消耗量；導線截面選擇得過小，運行時將產生較大的電能消耗，既浪費資源也不經濟，同時，在線路上產生過大的電壓損耗，供電電壓不能滿足要求。因此，在導線截面的選擇上，必須兼顧技術和經濟兩個方面。從技術上講，在正常運行時，線路不應發生全面電暈；在正常和事故情況下導線通過的電流應在導線允許發熱的載流量范圍之內，電壓損耗也應在容許的范圍之內；應保證導線截面有一定的機械強度。在技術條件滿足的情況下，應使所選導線的經濟性最佳，即按經濟電流密度選擇導線截面。綜合考慮經濟和技術上的條件，導線截面應滿足上述條件，但并非所有導線都同時要滿足上述條件，一般地講，35kV及以上的線路要按經濟電流密度選擇導線截面，然后再校驗其他技術條件。對于中低壓配電網，一般按照電壓損耗條件選擇導線截面，再校驗其他條件。

一、電力線路結構

架空線路主要包括桿塔、絕緣子、導線、避雷線、橫擔及金具等。它們的作用分別如下所述：導線用來傳輸電流、輸送電能。避雷線用來把雷電流引入大地，保護線路絕緣，使其免遭大氣過電壓的破壞。桿塔用來支持導線和避雷線，并使帶電體之間、帶電體與接地體之間保持必要的安全距離。絕緣子用來使導線與桿塔之間保持絕緣，它應能承受線路最高運行電壓和各種過電壓，而不致擊穿。金具用來固定、懸掛、連接和保護以上各主要元件的金屬件。

電力線路主要由導體（線芯）、絕緣層、保護層等構成。它們的主要作用是，導電線芯用來傳輸電能；絕緣層用來使線芯與線芯、線芯與保護層間互相隔離，并要求絕緣性能和耐熱性能良好；包護層用來包護絕緣層，使電纜在運輸、儲存、敷設和運行時，絕緣層不受外力損傷和防止水分浸入。在油浸紙絕緣電纜中，保護層還具有防止絕緣油外流的作用。

架空線路各元件暴露在大氣之中，導線及避雷線不僅受到風吹、履冰和氣溫變化等的影響較大，而且承受的張力也比較大，同時還受到空氣及各種有害物質的侵蝕。因此，對導線的要求是：具有良好的導電性能、必要的機械強度和抗腐蝕性能，且制造工藝簡單，質輕，價廉。

導線的材料主要是銅、鋁、鋼等。銅是理想的導線材料，但由于銅的用途廣，價格高，只在負荷較大的配電線路上使用；鋁的導電率僅次于銅，但成本比銅低得多，所以目前導線多采用鋁材料。為了提高鋁導線的強度，鋁中加少量的鎂、硅等元素，可制成強度較高的鋁合金絞線；鋼的導電率較差，但由于其強度高且價格低廉，故避雷線一般采用鋼絞線。

為了充分利用鋁和鋼的優點，把兩者結合制成鋼芯鋁絞線。由于交流電的趨膚效應，外部的鋁在導電方面的優點得到了充分利用，而鋼芯僅承受機械張力。鋼芯鋁絞線被廣泛應用于35kV及以上的線路上。

鋼芯鋁絞線按鋁、鋼截面比的不同，又分為普通型、輕型和加強型三種形式。一般地區的架空線路常采用普通型和輕型鋼芯鋁絞線，重冰區和大跨越檔距、采用加強型鋼芯鋁絞線。

為了防止電暈并減少線路感抗，220kV及以上電壓等級線路多采用擴徑或分裂導線。分裂導線多有2～4根鋼芯鋁絞線作為次導線（或稱子導線）組成一相導線，次導線之間用金屬間隔棒支撐。

二、導線必須滿足的基本條件

一是按允許載流量校驗導線截面。允許載流量是指通過在熱平衡條件下，由導線的允許溫度確定的導線長期允許通過的電流。因此，所有導線都必須根據可能出現的運行情況進行允許載流量校驗。規程規定，按允許載流量校驗時，鋼芯鋁絞線的允許溫度一般為70攝氏度。按此規定，并取導線環境溫度為25攝氏度。如果最高氣溫月的最高平均溫度不等于25攝氏度，還應允許載流量進行修正；事故情況下（如環網在電源端線路斷開或雙回路斷開一回時），導線的溫度允許到90攝氏度，導線的允許載流量將有所增加。

二是按機械強度校驗導線截面。導線在運行時可能突然增加一些偶然的外界機械負載，因而應保證導線在運行中有一定的機械強度。為此，對于跨越鐵塔、通航河流的運河、公路、通信線路、居民區的線路，規定導線截面不得小于35平方毫米。

三是按電暈校驗導線截面。所謂電暈現象，就是架空導線帶有高電壓的情況下，導線表面的電場強度超過空氣的擊穿強度時，導線表面的空氣分子被游離所產生的放電現象，同時發出“嗤嗤”的放電聲，并產生臭氧，夜間還可以看見藍紫色熒光，此即為電暈現象。電暈要消耗電能，電暈放電所產生的脈沖電磁波對無線電和高頻通信有干擾，放電所產生的臭氧對導線及金屬元件有腐蝕作用。因此，線路在設計運行時，不允許全面電暈發生。為了避免電暈，導線截面不能過小。

由試驗和運行經驗得知，一般110kV以下的架空線路和35kV以下的電纜線路，由于電壓低，不會發生全面電暈，因此，也不必驗算電暈損耗和絕緣介質損耗。110kV線路的導線截面小于9.6平方毫米，220 kV線路的導線截面小于21.4平方毫米，就應加大導線截面或采用分裂導線。

三、按經濟電流密度選擇導線截面

如前所述，為了降低線路的電能損耗，導線截面愈大愈有利，但從減少投資和節約有色金屬的角度來看，導線截面愈小愈好。因此，在一定的使用條件下，可能存在一個從經濟上看是最為有利的導線截面積。

為求得經濟上最有利的截面積，必須進行經濟計算，經濟計算應包括線路的投資和年運行費用兩個方面。

線路的投資包括兩部分：一部分與導線截面積成正比，一部分與導線截面積無關。有關設計部門已將各類導線的投資預算制定如下：

如35kV的LGJ型截面35平方毫米架空導線綜合投資1.1萬元；35kV的LGJ型截面50平方毫米架空導線綜合投資1.25萬元；35kV的LGJ型截面70平方毫米架空導線綜合投資1.45萬元；35kV的LGJ型截面95平方毫米架空導線綜合投資1.65萬元；35kV的LGJ型截面120平方毫米架空導線綜合投資1.85萬元；35kV的LGJ型截面150平方毫米架空導線綜合投資2.1萬元；35kV的LGJ型截面185平方毫米架空導線綜合投資2.35萬元；35kV的LGJ型截面240平方毫米架空導線綜合投資2.7萬元。

110kV的LGJ型截面70平方毫米架空導線綜合投資1.95萬元；110kV的LGJ型截面95平方毫米架空導線綜合投資2.1萬元；110kV的LGJ型截面120平方毫米架空導線綜合投資2.25萬元；110kV的LGJ型截面150平方毫米架空導線綜合投資2.45萬元；110kV的LGJ型截面185平方毫米架空導線綜合投資2.7萬元；110kV的LGJ型截面240平方毫米架空導線綜合投資2.95萬元；110kV的LGJQ型截面300平方毫米架空導線綜合投資3.4萬元；110kV的LGJQ型截面400平方毫米架空導線綜合投資4.3萬元。

輸電線路的年運行費用包括以下幾個方面：一是折舊費。隨著運行時間的延長，電力網中的所有元件都會老化，為了繼續運行，需要在一定時間內更換設備。因此，每年要按線路一次投資（初始投資）的百分比提取一定的資金，以備更換設備，這個百分數就是設備的折舊率。

二是維護費。為保證輸電線路安全可靠運行，使線路的技術質量保證在應有的水平上，必須由維護人員定期對線路進行檢查和維護。維護人員的工資和維護線路所需的資金也按線路一次投資的百分比提取。此維護費中不包括大修的資金，因大修一般需要更換設備，其費用應從折舊費中提取。一般電纜線路使用年限為40年，殘值占原價5%，每年折舊率為3.4%，其中基本折舊2.4%，大修折舊1%；維護及小修率為2.6%；折舊維修率為6%。一般鐵塔線路使用年限為50年，殘值占原價10%，每年折舊率為2.6%，其中基本折舊1.8%，大修折舊0.8%；維護及小修率為1.4%；折舊維修率為4%。一般水泥桿線路使用年限為40年，殘值占原價4%，每年折舊率為3.4%，其中基本折舊2.4%，大修折舊1%；維護及小修率為1.6%；折舊維修率為5%。一般架空配電線路使用年限為30年，殘值占原價4%，每年折舊率為3.2%；維護及小修率為3.8%；折舊維修率為7%。

三是電能損耗費。線路在傳輸電能時必然產生電能損耗，因而也增加了輸電成本，在進行經濟計算時必須予以考慮。

我國頒布的經濟密度如下：鋁線、鋼芯鋁線在最大負荷小時3000以下，其經濟密度應為每平方毫米1.65安；3000～5000小時，其經濟密度應為每平方毫米1.15安；5000小時以上，其經濟密度應為每平方毫米0.9安。銅線在最大負荷小時3000以下，其經濟密度應為每平方毫米3.0安；3000～5000小時，其經濟密度應為每平方毫米2.25安；5000小時以上，其經濟密度應為每平方毫米1.75安。鋁芯電纜在最大負荷小時3000以下，其經濟密度應為每平方毫米1.92安；3000～5000小時，其經濟密度應為每平方毫米1.73安；5000小時以上，其經濟密度應為每平方毫米1.54安。銅芯電纜在最大負荷小時3000以下，其經濟密度應為每平方毫米2.5安；3000～5000小時，其經濟密度應為每平方毫米2.25安； 5000小時以上，其經濟密度應為每平方毫米2.0安。

四、按容許電壓損耗選擇導線截面

一般中低壓配電網沒有特殊調壓設備，為了保證用電設備電壓偏移不超過容許范圍，應按容許電壓損耗選擇導線截面。線路中的低壓損耗與導線的電阻和電抗有關，而導線的電阻與截面有直接關系。在導線截面未定之前，導線型號未知，導線電抗也未知，直接按容許電壓損耗求導線截面是困難的，可以導線電阻率、線路長度、負荷有功功率、線路額定電壓等量化關系進行近似方式計算，即導線截面與導線電阻率、線路長度、負荷有功功率成正比，與線路額定電壓成反比。

綜上所述，對35kV及以上架空線路，首先按經濟電流密度選擇導線截面，然后按允許截流量、電暈和機械強度進行校驗。對于35kV以下的電力網一般按允許電壓損耗率選擇導線截面，按允許載流量和機械強度進行校驗。應當指出，選擇導線截面時應當考慮電力網絡的發展，在計算中必須采用穩定的經常重復的最大負荷，特別當系統發展還不是很明確的情況下，應注意不要將導線截面定得太小。

（責任編輯：王祝萍）