基于原桿塔導線更換為耐熱導線的研究

向 鵬，馬文錦，譚新玉，林 玉，鄭 偉，孔 秋

（1.三峽大學 材料與化工學院，湖北宜昌443000；2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌443000；3.新能源微電網湖北省協同創新中心（三峽大學），湖北 宜昌443000；4.三峽大學 土木與建筑學院，湖北宜昌443000；5.國家電網襄陽供電公司經濟技術研究所，湖北襄陽441000）

0 引 言

從20世紀40年代起，國際上一些國家開始研究新型導線［1-3］。當時變電站出線至數公里外的角鋼塔四周為空地，如今伴隨城市建設的發展，出站附近線路周圍已建滿了房屋，新建線路需要繼續采用原有線路通道才能出線，加上變電站周圍已再無新的通道可走線。這是一個在線路設計過程中常遇到的問題。隨著導線技術的不斷發展，如今線路可以利用舊的桿塔掛新型的增容導線避免線路桿塔的推倒重建，只需要更換線路導線。

耐熱導線是利用導線在較高的溫度下正常運行，從而提高導線傳輸電流密度，達到提高導線的傳輸容量，同時又具有低弧垂的特點。采用耐熱導線可有效緩解電力供需矛盾，緩和輸電線路建設上的困難。耐熱導線在全國電網建設中將得到越來越廣泛的應用。

本文詳細介紹了間隙型耐熱導線、殷鋼耐熱導線、碳纖維導線、鋁基陶瓷纖維芯軟鋁絞線四種導線的增容比較以及其他參數，并通過襄陽市某幾條線路的實際情況來分析使用耐熱導線的優勢，從而使此次整改的經濟效益達到最優，并為日后耐熱導線的選擇與應用奠定了理論與實際基礎。

1 耐熱導線的比較

1.1 各類增容導線比較

增容導線是在架空輸電線路上使用的特種導線，它是在具有相等導體截面積的情況下，相對于傳統的鋼筋鋁絞線ACSR（Aluminum Conductor Steel Reinforced）能輸送更多電能的若干種類導線的總稱。“增容導線”目前尚不能作為專有術語，而是一種習慣稱謂，行業內也有人將其俗稱為“倍容量導線”或“高溫導線”。

目前國內存在的增容導線主要有間隙型耐熱導線GTACSR（Gap-Type Aluminum Conductor Steel Reinforced）、殷鋼耐熱導線Invar（Invar heat resistant wires）、碳纖維導線 ACCC（Aluminum Conductor Composite Core）、鋁基陶瓷纖維芯軟鋁絞線ACCR（Aluminum Conductor Ceramic Reinforced）四種［4-5］，分別如圖1～圖4所示。

圖1 間隙型耐熱導線(GTACSR)

圖2 殷鋼耐熱導線(Invar)

圖3 碳纖維導線(ACCC)

圖4 鋁基陶瓷纖維芯軟鋁絞線(ACCR)

由于增容導線主要是靠提高導線的溫度來提高導線的載流量，從而提高輸送容量。所以增容導線一般都是耐高溫的，也稱為耐熱導線［6］。

一般導線LGJ鋼芯鋁絞線連續工作溫度極限工作溫度為70℃～100℃，而增容導線連續工作溫度與極限工作溫度為150℃～240℃［7-8］。

下面就這幾種導線進行比較，列舉同等截面積下的導線進行比較。例如一條線路原來所掛的導線是LGJ-400的，現在需要更換耐熱導線。具體參數如表1所示。

表1 幾種導線的參數對比

由此表可以看出重量最輕的是陶瓷纖維導線（ACCR），抗拉能力最強的是碳纖維芯導線（ACCC）。

1.2 ACCR與其他增容導線的比較

（1）ACCR與間隙型導線（GTACSR）比較：間隙型導線線脹系數以及重量均比ACCR大；載流量比ACCR小。結論：a.GTACSR弧垂不能滿足要求，需要新建部分桿塔。b.載流量增容較小。c.抗腐蝕性比ACCR差。d.由于拐點溫度低，安裝比ACCR要復雜。

（2）ACCR與殷鋼導線（ACSS／XTACI）比較：殷鋼導線重量比ACCR大；殷鋼導線拉斷力比ACCR小。結論：a.雖然ACSS／XTACI線脹系數小，但由于其重量大、張力小，導致弧垂不能滿足要求，需要新建部分桿塔。b.殷鋼導線抗腐蝕性差，ACCR不會發生腐蝕。c.殷鋼導線載流量比ACCR小。

（3）ACCR與碳纖維導線（ACCC）比較：①同等直徑情況下，ACCR比ACCC輕12%。ACCC使桿塔承受力過大，縮短桿塔使用壽命；ACCR可減少桿塔受力，延長桿塔使用壽命。②ACCC復合芯是有機物，運行過程容易老化；ACCR復合芯是無機物，性能穩定。③ACCC復合芯不導電，在短路大電流下，鳥籠現象嚴重；ACCR均可以導電，能夠承受較大的短路電流。④ACCC結構和組合方式完全顛覆了對架空裸導線的導電認識。ACCC容易出現高溫下的裂紋和“竹節”現象，經過實驗分析發現碳纖維耐熱導線運行溫度不宜超過160℃，且僅在N-1狀態下運行［9-11］。

對比總結如表2所示。

表2 ACCR與幾種導線性能對比

通過表2可以看出幾種導線中，陶瓷纖維導線ACCR的性能更加穩定。在條件允許的前提下，工程應用中可以優先使用此種導線。

2 實際工程應用

2.1 韓崗-鹿頭110 kV線路工程

由于110 k V韓孫線建于1990年，當時從韓崗變出線時韓崗變四周為空地，而現在韓孫線靠近韓崗變附近約4公里的線路完全成為市區。該線路始建時考慮出站口附近的雙回塔靠近房屋側，由于房屋離塔太近已不能掛線。且線路始建時選用的桿塔僅能掛LGJ-150的導線，新建至鹿頭的線路必須對該段線路進行改造，利用原走廊，原本采用架設單回導線為LGJ-240的鋼管桿線路，與新建的角鋼塔線路相接，這樣形成韓崗至鹿頭導線為LGJ-240的單回線路。然而LGJ-240和LGJ-150導線選用的桿塔不一樣，在城區拆除舊塔采用鋼管桿實施非常麻煩，且工程投資大，施工周期長。在考慮到各種情況的前提下，該工程決定采用耐熱導線替換原導線。

根據負荷情況及輸送容量需求，本次架空導線新建部分選擇為LGJ-240／30導線，在經濟電流密度取1.15 A／mm2情況下，單導線輸送電力容量為52.5 MVA，最大輸送容量為88.6 MVA；改造部分選擇ACCR-150型耐熱導線，在120℃運行溫度下載流量可達582 A，150℃溫度下可達678 A，大于 LGJ-240／30導線在70℃時445 A的載流量，可滿足鹿頭變的輸送容量需求。

該雙回桿塔建設前，周圍的房屋還未形成，現在面向大號側右側橫擔已不能掛導線，不能滿足風偏情況下導線對房屋的安全距離要求，如今解決辦法為更換左側橫擔導線。更換成耐熱導線后，線路運行正常，輸送容量得到了1.5～2倍的提高。此次更換滿足了輸送容量的要求，且線路施工周期短，大大節省了工程投資。

2.2 襄樊電廠-余嶺Ⅱ回(原線路增容改造)

（1）設計原則：①根據系統要求，余襄線中LGJQ-400 mm2導線線路需要進行增容改造，使其最大輸送功率達到400 MW。②遵守原線路的設計氣象條件和桿塔使用條件，導線選擇盡量與原導線參數相當。③桿塔校驗執行《架空送電線路設計技術規程》（SDJ3-1979）。④針對本線路已投運多年，桿塔和基礎老化嚴重，而本線路段尚有38基拉線塔，其桿塔在建設時均按最大風速25 m／s設計，其桿塔情況尚需評估。為了確保線路運行安全，在投資允許的范圍內建議逐步更換拉線塔為自立塔。

（2）換線段導線選型根據系統要求，對余襄線進行增容改造后，使其最大輸送功率達到400 MW，對應換線導線極限輸送容量時的載流量為1 000 A。根據上述要求，本工程初選鋁包鋼芯耐熱鋁合金絞線和碳纖維復合芯導線兩種增容導線進行比選。①換線所選導線計算條件：a.在環境溫度40℃，風速0.5 m／s，輻射系數0.9，日照強度1 000 W／m2條件下，導線載流量為1 000 A時的相應溫度下弧垂與LGJQ-400型鋼芯鋁絞線70℃相當；b.導線最大使用張力接近原LGJQ-400型導線最大使用張力；c.導線水平荷載和垂直荷載不超過原桿塔設計使用條件；d.導線最大弧垂按實際升溫考慮。弧垂對地安全距離非居民區取6 m，居民區取7 m。e.滿足電暈要求，導線截面不小于400 mm2。②載流量比較：比較結果為陶瓷纖維導線更加耐高溫、載流量相對來說更大。③導線弧垂校核。比較更換導線在載流量達到1 000 A時溫度下的弧垂和原線路導線在高溫70℃時的弧垂。

表3為導線弧垂對比。從表3可以看出：本工程線路更換ACCR型導線后，導線溫度為105℃，導線載流量為1 000 A時，代表檔距400 m時ACCR比LGJQ-400型鋼芯鋁絞線70℃最大弧垂小0.3 m左右，500 m時ACCR型導線最大弧垂比LGJQ-400型鋼芯鋁絞線70℃減小更多。采用ACCR型導線可滿足弧垂要求。若采用ACCR型導線需根據斷面情況，局部增加桿塔以滿足導線對地對新建房屋距離的要求。

表3 導線弧垂對比表

（3）成本比較：若將原220 k V線路更換更換為2×LGJ-300導線及其對應的桿塔，單公里造價在109.61～118.96萬元，而更換為ACCR-400型導線，明顯比推到重建桿塔和導線便宜。

（4）風險與建議：由于建成時間較長，原線路已經運行多年，鐵塔鋼材基礎鋼筋可能發生了一定程度的銹蝕，混凝土可能發生了一定程度的碳化，為保證工程的可靠度，應對原有線路桿塔構件及基礎的力學性能等有關參數進行檢測并進行專題研究。

3 總 結

耐熱導線主要應用于擴容改造、大跨越的架空線路中。其技術主要是通過提高導線允許溫度，在溫度增高的同時增大了導線電阻，從而增加了線路的功率損耗，進而提高了線路的輸送容量。但是與此同時，由于溫度的增高，也必然會增加線路損耗，增加運行費用；并且還需使用耐熱金具來解決溫度升高對線路的弧垂和金具的影響，必要時還要加大線路對地的高度。因此在采用耐熱導線技術時要權衡利弊，合理使用。

在本文中，由于特殊的地理位置原因，在城區拆除舊塔采用鋼管桿實施非常麻煩，且工程投資大，施工周期長。通過兩個工程實例可以看出，采用耐熱導線使線路的輸送能力得到了提高，大大縮短了工期，且經濟效益達到了最佳化。從上述研究可以看出，耐熱導線長期運行溫度在110℃～130℃時，單位輸送容量所需費用最少，經濟效益最好。

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