配網用高導全鋁導線與傳統導線的比較研究

趙永生 姚 輝 何 衛 廖 晶

（1.國家電網公司，北京100031；2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢430070）

隨著社會經濟的發展，電力需求和供應之間的不匹配不斷加劇，許多地區由于用電負荷的快速增長，原有配電網已不堪承受快速擴容的需求，因過負荷造成的斷電故障頻頻發生，這使得長期薄弱的配電網建設日益受到重視，需要在提高電力輸送容量、降低線損等方面加大研究投入，然而在我國城市化建設的高速進程下，土地資源越來越緊張，線路走廊的選擇受到極大制約［1-4］；為了將配電網線路進行有效增容和降低線路改造成本，解決現階段配電網因線路走廊狹窄難以增容的難題，采用高導鋁材料研制高導全鋁導線，使其導電率超過了62%IACS。

1 高導全鋁導線的特點

1.1 高導全鋁導線的結構特點

高導全鋁導線是使用最新研制的高導全鋁材料單絲絞合而成，其主要特點是該導線并沒有承重芯，這就要求高導全鋁材料具有優異的力學性能。高導全鋁材料利用單壁碳納米管優異的電學和力學性能特點，對純鋁基體進行改性，提高純鋁基體的導電率和力學性能，同時保持純鋁基體良好的塑性和低密度的特性，并采用其研制適用于配電網的高導全鋁導線，使其導電率≥62%IACS，抗拉強度≥300MPa。

1.2 高導全鋁導線特性

1.2.1 比重輕

其線密度比相同外徑鋼芯鋁絞線減小約20%。

1.2.2 電阻小

其電阻比相同外徑鋼芯鋁絞線減小約12.6%。

圖1 高導全鋁導線結構示意圖

1.2.3 強度高

其抗拉斷力比相同外徑的鋼芯鋁絞線提高約1倍。

1.2.4 無渦流損耗

高導全鋁導線不需要承重芯線，避免了線路運行時帶來的渦流損耗。

1.2.5 安裝方便

高導全鋁導線安裝所需的附件和安裝工藝與鋼芯鋁絞線相同。而與碳纖維復合芯鋁絞線［5-6］相比，高導全鋁導線的研制可以擺脫國外的壟斷控制，同時更加有利于導線的運輸、安裝、運行維護。

1.2.6 連接附件要求低

相較于耐熱鋁合金導線［7-9］，高導全鋁導線具備更高的導電性能，同時避免因導線溫度升高對連接附件提出更高要求的難題。

圖2 兩種導線的高溫弧垂特性曲線

2 新型高強鋁合金芯鋁絞線與傳統導線的比較

2.1 高導全鋁導線與普通鋼芯鋁絞線的材料性能比較

選取直徑相近的2種導線，鋼芯鋁絞線（JL/G1A-630/45）和高導全鋁導線（GQLHA4-675）進行對比，2種導線主要材料性能見表1。

從表1中可以看出，兩種導線在外徑相同的情況下，高導全鋁導線其鋁線截面積、直流電阻、彈性模量、計算抗拉斷力均高于鋼芯鋁絞線，且導線重量要降低10%以上。高導全鋁導線材料的機械性能和電學性能數據均優于普通鋼芯鋁絞線，這對于配網的增容和節能均有極大幫助。

2.2 高導全鋁導線與普通鋼芯鋁絞線的高溫弧垂特性比較

表1 JL/G1A-630/45和GQLHA41-675主要材料性能比較

圖2為在三種不同檔距不同冰厚情況下所測得的兩種導線的高溫弧垂數據，從圖（a）（b）中都可以看出，高導全鋁導線在相同檔距下和相同冰厚的前提下弧垂都要小于鋼芯鋁絞線，且隨著檔距的增加弧垂也隨之增大。

表2 不同檔距不同冰厚下兩種導線的弧垂差

表2為不同檔距不同冰厚下兩種導線的弧垂差，是對圖2的一種直觀細致的補充。從表2中可以看出，在相同冰厚不同檔距下，兩種導線的弧垂差隨著檔距的增加而逐漸增大。且在相同檔距不同冰厚的情況下，弧垂差也有增大趨勢。這是由于導線本身負載增加的緣故，也正好說明了隨著檔距增大或冰厚增加，高導全鋁導線比鋼芯鋁絞線能發揮更大的優勢。導線弧垂的大小是關系到電力線路能否安全運行的重要因素，如果弧垂過大，為了保證帶電導線的對地安全距離，在檔距相同的條件下，就必須增加桿塔高度或在相同桿塔高度的條件下縮小檔距，結果使得線路建設投資成倍增加，同時在線間距離不變的條件下，增加弧垂也就增加了運行中發生混線短路事故的概率。而高導全鋁導線由于其弧垂比鋼芯鋁絞線小，能夠降低桿塔高度或者增加檔距，在一定程度上能夠縮小投資成本。高導全鋁導線弧垂小，是由于材料的性能所引起的，導線的弧垂特性與導線的計算拉斷力、鋁芯截面比、自重等因素有關，而這些性能從表1中可以看出。

2.3 高導全鋁導線與普通鋼芯鋁絞線的載流量對比

在事故運行方式下，交流輸電線路可能出現的最大容量由系統的過負荷能力所決定。導線載流量與導線所處氣象條件（環境溫度、風速、日照強度）有關，在計算導線載流量時，應使導線不超過某一溫度，目的在于使導線在長期運行或在事故條件下，由于導線的溫升，不致影響導線強度，以保證導線的使用壽命。

本文計算中的環境溫度為最高氣溫月的平均氣溫，計算導線載流量的環境溫度取25℃，日照強度1000w/m2，風速0.5m/s，導線表面輻射、吸熱系數均取0.9，根據《110kV～750kV架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）條文說明5.0.6公式計算，兩種導線在系統輸送功率為1 200W的載流量如表3所示。

表3中數據顯示高導全鋁導線在同等情況下載流量數據要明顯優于鋼芯鋁絞線，提高約4.8%。而電線電纜的導體材料及截面積大小是載流量的決定性因素，導體的外徑、結構形式、直流電阻都會影響載流量。顯然，在相同條件下，導體外徑越大，其輸送容量就越大。從表1中可以看出，同樣直徑大小的兩種導線，高導全鋁導線要比鋼芯鋁絞線輕10%以上，在不更換輸電桿塔的情況下，可以至少增加10%質量的高導電率鋁導體在高導全鋁導線上，從而更有效的提升其載流量。20℃直流電阻越小（高導電材料），導體上的損耗越小，電線電纜載流量越大。同樣從表1中可知，高導全鋁材料要比鋼芯鋁絞線所用材料20℃直流電阻降低8%以上，也就是說，在同樣的情況下高導全鋁導線載流量必然要高于普通鋼芯鋁絞線，正好與表2中數據相符。雖然電線電纜導體的直流電阻與其截面成反比，但對于普通鋼芯鋁絞線來說，由于其截面增加一倍，存在集膚效應、鄰近效應、渦流損耗的影響，電線電纜載流量的平方并沒有隨之增加一倍。而高導全鋁導線由于其完全采用高導鋁材料絞合而成，不存在渦流損耗等影響，其截面增加與鋼芯鋁絞線相同倍數后，載流量增加幅度比鋼芯鋁絞線更大。載流量對于增容來說具有重要的意義，故高導全鋁導線在配網中使用具有明顯的技術優勢和經濟效益。

2.4 高導全鋁導線與普通鋼芯鋁絞線的電阻損耗對比

根據本文的系統條件，各種導線組合分別按照最大負荷損失小時2 500h、3 500h和4 500h計算，同種導線的電阻損耗隨輸送功率的增大而增加；在不同的輸送功率下，全鋁合金導線的電阻損耗相對較小，每千米電阻損耗相較于普通鋼芯鋁絞線降低9%左右。

線損率是供電企業一項重要的經濟技術指標，也是衡量綜合管理水平的重要標志。電網的線損按性質可分為技術線損和管理線損兩大類，拋開管理線損不談，技術線損主要表現在電網元件，如導線、變壓器、開關設備等發熱，電能變成熱能散發到周圍空氣中。而目前的狀況是導線本來電阻很高，在輸送負荷不變的情況下，基本都采用更換導線截面來減少線路電阻，達到降損節電效果。

表3 兩種導線載流量數據對比

圖3 不同輸送容量下兩種導線電阻損耗曲線

從圖3分析來看，高導全鋁導線每千米電阻損耗降低約9%左右，如果配網將鋼芯鋁絞線更換為此類導線，在不增加導線截面積的情況下將在原來每千米線損的基礎上降低9%的線路損耗，如果更換更大截面的高導全鋁導線，在保持與鋼芯鋁絞線重量一致的情況下，線路損耗的降低幅度更大。配電網線路遍及全國各地，分布廣、線路長，全國目前110kV配電線路達到5萬km以上，10kV線路達到20萬km以上。如果把眼光放大到全局上來考量，則發現高導全鋁導線對于節能環保具有巨大的優勢。

3 結語

利用納米改性純鋁基體制備得到高導全鋁材料，經后續加工成絲材，絞合成高導全鋁導線。此類導線相較于目前常用的鋼芯鋁絞線，具有比重輕、電阻小、強度高和無渦流損耗等特點。由于其安裝和普通導線的安裝并無太大區別，相較于碳纖維復合芯導線更為便捷。

經過對高導全鋁導線計算和檢測發現，高導全鋁導線在高溫弧垂特性、載流量和電阻損耗等方面均要優于普通鋼芯鋁絞線。在配網線路增容、節能環保等方面均具有重要的意義，符合目前我國所提倡的綠色節能環保要求。隨著我國電力行業的發展，高導全鋁導線的應用和推廣將邁上一個新的臺階。

［1］許長樂.農村配電網建設與改造問題探究［J］.通訊世界，2014，4（2）:76-77.

［2］曹杰.淺談現在城市配電網的規劃現狀及存在的問題［J］.電源技術應用，2013，11（5）:310-310.

［3］吳寶良，李闖，龔主.淺談城市配電網規劃現狀及問題［J］.電力技術資訊，2013，12（3）:76-77.

［4］徐琴，柳勁松，韓偉福，等.配電網建設現狀及發展趨勢分析［J］.華東電力，2013，12（41）:2532-2535.

［5］余海明，孟憲彬，張五洲，等.淺談碳纖維復合芯導線的施工器具［J］.光纖與電纜及其應用技術，2013，5（20）:45-46.

［6］黃澎，陽鐵強.碳纖維復合芯導線施工研究及應用［J］.中國科技成果，2012，12（11）:57-59.

［7］徐大成，黃欲成，韓鵬飛，等.耐熱鋁合金導線在實際工程中的應用［J］.電力科學與工程，2011，11（27）:68-71.

［8］劉真云，馬立群，丁毅.新型耐熱鋁合金架空導線的發展和應用［J］.電線電纜，2008，3（9）:5-27.

［9］萬建成，朱寬軍，劉勝春，等.國產耐熱導線的機電性能研究［J］.電力建設，2008，12（29）:37-40.