兩種增容導(dǎo)線的性能及應(yīng)用研究

蔡 鴻，朱本玉，魯修學(xué)

（1.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031；2.中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330046）

0 引言

隨著十八大生態(tài)文明建設(shè)的提出，環(huán)保、水保要求的提高，采用增容導(dǎo)線替換原鋼芯鋁絞線成為老舊線路提升輸送能力的主要手段之一。目前，增容導(dǎo)線主要機(jī)理是減緩導(dǎo)線高溫下的弧垂增長(zhǎng)來(lái)提升導(dǎo)線運(yùn)行溫度，以提高線路輸送能力。常見(jiàn)增容導(dǎo)線主要有鋁包殷鋼芯、間隙型增容導(dǎo)線、鋁基陶瓷復(fù)合芯導(dǎo)線和碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線四種。

鋁包殷鋼芯導(dǎo)線最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)80年代[1]，該導(dǎo)線內(nèi)層芯為鋁包殷鋼，其熱膨脹系數(shù)為3.7×10-6/℃，僅為普通鋼芯的1/3、鋁線的1/5。外層耐熱鋁合金的膨脹伸長(zhǎng)量比殷鋼芯大，耐熱鋁合金所受張力逐漸轉(zhuǎn)移至內(nèi)層殷鋼芯上，在一定的溫度時(shí)，導(dǎo)線的張力全由殷鋼芯承擔(dān)，該溫度稱為拐點(diǎn)溫度。拐點(diǎn)溫度后導(dǎo)線特性表現(xiàn)為殷鋼芯特性，具有高溫低弧垂特性。當(dāng)外層采用耐熱鋁合金時(shí)（長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度150 ℃），輸送容量可達(dá)普通鋼芯鋁絞線的1.6 倍，當(dāng)外層采用超耐熱鋁合金時(shí)（長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度210 ℃），輸送容量可達(dá)普通鋼芯鋁絞線的2 倍[2]。該導(dǎo)線施工工藝簡(jiǎn)單，具有較好的應(yīng)用前景。

間隙型增容導(dǎo)線于1971年由日本首次研制成功[3]，其增容機(jī)理是利用特殊的施工工藝在安裝時(shí)將導(dǎo)線張力全部落在內(nèi)層鋼芯上，外層鋁部處于非受力狀態(tài)，導(dǎo)線特性表現(xiàn)為鋼芯特性，其熱膨脹系數(shù)僅有11.5×10-6/℃，為普通鋼芯鋁絞線芯的1/2，該導(dǎo)線同樣具有高溫低弧垂特性[4-5]，輸送容量可達(dá)普通鋼芯鋁絞線的2 倍。但其獨(dú)特的增容機(jī)理同樣加大了施工運(yùn)維的難度。

鋁基陶瓷復(fù)合芯導(dǎo)線于2001年由美國(guó)3M 公司研制成功，其內(nèi)層芯線是上萬(wàn)根極細(xì)的高強(qiáng)度陶瓷纖維軸向嵌入純鋁而制成[6]，外層絞線為耐高溫鋁鋯合金。該導(dǎo)線熱膨脹系數(shù)為6.3×10-6/℃，僅為普通鋼芯鋁絞線的1/3~1/4，因此高溫低弧垂特性同樣明顯，輸送容量可達(dá)普通鋼芯鋁絞線的2~3 倍。但因其特殊的材料、制造工藝，價(jià)格相當(dāng)昂貴。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線增容原理與鋁包殷鋼芯導(dǎo)線相同，拐點(diǎn)溫度后導(dǎo)線特性表現(xiàn)為碳纖維復(fù)合芯特性，碳纖維復(fù)合芯熱膨脹系數(shù)為1.6×10-6/℃，小于鋁包殷鋼芯的1/2，弧垂特性比殷鋼芯導(dǎo)線更優(yōu)越，增容效果更好。具有強(qiáng)度大、耐高溫、弧垂小、質(zhì)量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)[7]，但因碳纖維復(fù)合芯本身抗扭、抗彎、徑向耐壓性能較差[8-9]，對(duì)施工要求相對(duì)高，因此目前使用較為謹(jǐn)慎，絞合型碳纖維導(dǎo)線的出現(xiàn)及其金具的研究[10]，慢慢緩解了人們對(duì)碳纖維脆性的顧慮，該類導(dǎo)線的應(yīng)用前景也變得越來(lái)越好。

在常見(jiàn)的幾種增容導(dǎo)線中，鋁包殷鋼芯導(dǎo)線和碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線增容機(jī)理相同且增容效果好，施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，常作為線路增容改造的優(yōu)先選項(xiàng)。文中利用斜拋物線公式結(jié)合拐點(diǎn)溫度計(jì)算方法，搭建了適用于鋁包殷鋼芯導(dǎo)線和碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的張力弧垂計(jì)算模型，從機(jī)械特性、弧垂特性、拐點(diǎn)溫度、載流量情況、覆冰過(guò)載能力等方面對(duì)比了鋁包殷鋼芯導(dǎo)線和碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線性能差異，分析總結(jié)了兩種導(dǎo)線的優(yōu)劣性，對(duì)輸電線路線路增容改造導(dǎo)線選型具有一定的參考意義。

1 導(dǎo)線應(yīng)力弧垂模型的建立

1.1 狀態(tài)方程

輸電線路斜拋物線模型下檔內(nèi)最大弧垂和線長(zhǎng)計(jì)算公式如下：

上式中：fm為導(dǎo)線弧垂，m；L為線長(zhǎng)，m；l為檔距，m；p 為電線荷載，N/m；T為導(dǎo)線最低點(diǎn)水平張力，N；β為高差角；A為電線截面，mm2。

由（2）式計(jì)算出已知檔內(nèi)導(dǎo)線線長(zhǎng)L，減去導(dǎo)線彈性伸長(zhǎng)和溫度伸長(zhǎng)可得檔內(nèi)導(dǎo)線的原始長(zhǎng)度即制造長(zhǎng)度L0，如式（3）。

其中，E為電線彈性系數(shù)，N/mm2；為電線熱膨脹系數(shù)，1/℃；t為某工況下導(dǎo)線溫度，℃；t0為電線制造時(shí)的溫度，℃。

已知某一工況下的導(dǎo)線張力，利用導(dǎo)線初始線長(zhǎng)不變的原則，可得式（4），將式（1）、式（2）帶入式（4）簡(jiǎn)化可得導(dǎo)線狀態(tài)方程式（5）。導(dǎo)線各工況下比載可分別求得，則已知以工況1 下的張力T1，根據(jù)式（5）即可求得工況2下的張力T2。

1.2 拐點(diǎn)溫度計(jì)算

計(jì)算鋁包殷鋼芯導(dǎo)線和碳纖維張力弧垂時(shí)，假定導(dǎo)線彈性系數(shù)不變，同時(shí)不計(jì)較扭絞影響，氣象條件變化時(shí)導(dǎo)線整體伸長(zhǎng)量、加強(qiáng)芯（殷鋼芯、碳纖維，下文統(tǒng)稱加強(qiáng)芯）伸長(zhǎng)量和外層鋁股伸長(zhǎng)量三者相等，即：

其中，Ts、Ta分別為加強(qiáng)芯和外層鋁張力，N；Es、Ea分別為加強(qiáng)芯和鋁部彈性系數(shù)，N/mm2；αs、αa分別為加強(qiáng)芯和鋁部熱膨脹系數(shù)，1/℃；As、Aa分別為芯截面和鋁截面，mm2。

加強(qiáng)芯熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于外層耐熱鋁，在導(dǎo)線溫升過(guò)程中外層耐熱鋁合金伸長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于內(nèi)層加強(qiáng)芯，外層耐熱鋁合金分配的張力在溫升過(guò)程中逐漸向加強(qiáng)芯上轉(zhuǎn)移，當(dāng)導(dǎo)線達(dá)到某一溫度時(shí)導(dǎo)線張力完全由加強(qiáng)芯承擔(dān)，外層鋁部分配的張力為零，這一溫度稱為拐點(diǎn)溫度ti。將Ta=0 代入式（6），可得拐點(diǎn)溫度計(jì)算公式（7）。

式中Ti為拐點(diǎn)溫度下導(dǎo)線張力，N。

已知控制工況下導(dǎo)線張力Tk、荷載pk，將式（7）代入式（5）整理得式（8），如下：

式中pi為拐點(diǎn)溫度下導(dǎo)線荷載。

令：

代入式（8）得：

a、b、c均為可求參數(shù)，代入式（9）中，采用牛頓迭代法或Excel 單變量求解法可求得拐點(diǎn)處導(dǎo)線水平張力Ti，進(jìn)而由式（9）求得檔距l(xiāng)下的拐點(diǎn)溫度ti。

1.3 鋁包加強(qiáng)芯導(dǎo)線的張力弧垂計(jì)算

當(dāng)導(dǎo)線溫底于拐點(diǎn)溫度時(shí)，加強(qiáng)芯部和鋁部共同承擔(dān)導(dǎo)線張力，計(jì)算張力時(shí)將控制工況參數(shù)代入式（5）求解各工況的張力弧垂，計(jì)算中采用導(dǎo)線整體膨脹系數(shù)、彈性系數(shù)；當(dāng)導(dǎo)線溫度高于拐點(diǎn)溫度時(shí)，導(dǎo)線張力已完全由加強(qiáng)芯承擔(dān)，導(dǎo)線特性表現(xiàn)為加強(qiáng)芯特性，求解拐點(diǎn)溫度以上導(dǎo)線的張力弧垂時(shí)，利用拐點(diǎn)溫度下工況為已知工況，代入式（5）求解各工況的張力弧垂，計(jì)算中采用加強(qiáng)芯的膨脹系數(shù)、彈性系數(shù)。

2 性能對(duì)比分析

文中以常規(guī)220 kV輸電線路導(dǎo)線型式2×JL/G1A-300/40鋼芯鋁絞線為參考，從載流量、弧垂性能、覆冰過(guò)載能力等方面對(duì)比JNRLH1/LBY-240/55 鋁包殷鋼芯和JLRX/F1B-300/40碳纖維導(dǎo)線的優(yōu)劣性。

2.1 設(shè)計(jì)氣象條件

文中研究擬定氣象條件為江西省常規(guī)設(shè)計(jì)氣象組合，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)氣象條件

2.2 導(dǎo)線選型

2.2.1 導(dǎo)線選型原則

利用原桿塔更換導(dǎo)線，導(dǎo)線選型時(shí)應(yīng)注意不超出原桿塔設(shè)計(jì)條件，需注意以下兩點(diǎn)：

1）所選導(dǎo)線的單重應(yīng)小于原導(dǎo)線，導(dǎo)線拉斷力與原導(dǎo)線應(yīng)基本相當(dāng)，導(dǎo)線外徑應(yīng)不大于原導(dǎo)線，如此可保證更換導(dǎo)線后桿塔荷載不大于原荷載；

2）在導(dǎo)線選型時(shí)考慮選在拉重比與原導(dǎo)線基本接近以保證在正常線溫下應(yīng)力弧垂特性基本相當(dāng)，即桿塔受力狀況基本相當(dāng)。

2.2.2 導(dǎo)線機(jī)械特性

根據(jù)以上原則，選定了鋁包殷鋼芯導(dǎo)線和碳纖維導(dǎo)線型號(hào)，參數(shù)如表2所示。

表2 導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)

2.3 載流量比較分析

文中計(jì)算了三種導(dǎo)線在不同溫度下的的載流量，繪制了載流量-導(dǎo)線溫度變化曲線，如圖1所示。

圖1 載流量-溫度變化曲線

由表3可知2×JL/G1A-300/40導(dǎo)線最高運(yùn)行溫度為80℃，最大持續(xù)輸送載流量為1 250 A；JNRLH1/LBY-240/55 型鋁包殷鋼芯導(dǎo)線，最高運(yùn)行溫度為150 ℃，最大持續(xù)輸送載流量為1 984 A，更換導(dǎo)線后線路極限輸送能力可提升至原線路的1.58 倍。JLRX/F1B-300/40 型鋁包殷鋼芯導(dǎo)線，最高運(yùn)行溫度為150 ℃，最大持續(xù)輸送載流量為2 216 A，更換導(dǎo)線后線路極限輸送能力可提升至原線路的1.77 倍。由此可見(jiàn)碳纖維導(dǎo)線增容效果比殷鋼芯導(dǎo)線好。

表3 增容效果對(duì)比

由圖1 載流量-溫度變化曲線可知在低運(yùn)行溫度時(shí)碳纖導(dǎo)線輸送容量與鋼芯鋁絞線相當(dāng)且明顯優(yōu)于殷鋼芯導(dǎo)線，這是因?yàn)閷?dǎo)線的輸送電流主要由鋁部承擔(dān)，輸送容量的大小與外層鋁部截面有直接關(guān)系。由于碳纖維質(zhì)量輕且體積小在滿足桿塔水平荷載和垂直荷載條件下外層可以騰出空間絞合更多耐熱鋁。由表2可知JLRX/F1B-300/40型鋁包殷鋼芯導(dǎo)線鋁截面幾乎等于JL/G1A-300/40 導(dǎo)線且大于JNRLH1/LBY-240/55鋁包殷鋼芯導(dǎo)線的。

另外，由于導(dǎo)線鋁截面的差異，間接導(dǎo)致直流電阻JNRLH1/LBY-240/55 導(dǎo)線> JL/G1A-300/40 導(dǎo)線>JLRX/F1B-300/40 導(dǎo)線，見(jiàn)表2，由此得出，輸送相同容量時(shí)碳纖維導(dǎo)線更為節(jié)能。

2.4 拐點(diǎn)溫度情況

依據(jù)式（8）編制拐點(diǎn)溫度計(jì)算程序，計(jì)算了JNRLH1/LBY-240/55 型鋁包殷鋼芯導(dǎo)線、JLRX/F1B-300/40 導(dǎo)線不同代表檔距下的拐點(diǎn)溫度-檔距變化的曲線，如圖2所示。

圖2 拐點(diǎn)溫度-檔距變化曲線

由圖2 可知，兩種導(dǎo)線檔距增大拐點(diǎn)溫度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且隨著檔距的增大變化越小。鋁包殷鋼芯導(dǎo)線的拐點(diǎn)溫度始終大于碳纖維導(dǎo)線的，這是由于碳纖維芯的膨脹系數(shù)比殷鋼芯的小，導(dǎo)致加強(qiáng)芯與外層鋁膨脹系數(shù)懸殊更大，使得拐點(diǎn)溫度更早到來(lái)。

兩種導(dǎo)線在220 kV 線路常規(guī)檔距250~600 m 之間，JNRLH1/LBY-240/55型鋁包殷鋼芯導(dǎo)線的拐點(diǎn)溫度變化區(qū)間為98.6~116.5 ℃，JLRX/F1B-300/40 導(dǎo)線為88.7~98.1 ℃，后者隨檔距變化更小。

另外，圖2 還可發(fā)現(xiàn)碳纖維導(dǎo)線在大檔距下拐點(diǎn)溫度幾乎維持不變，由此可以窺見(jiàn)碳纖維導(dǎo)線在大檔距下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2.5 弧垂特性比較分析

利用文中提出的計(jì)算模型，計(jì)算了3 種導(dǎo)線不同溫度下的弧垂，并繪制了弧垂-溫度變化曲線，如圖3所示。

圖3 弧垂-溫度變化曲線

由圖3 可知，拐點(diǎn)溫度以前，鋁包殷鋼芯導(dǎo)線和碳纖維導(dǎo)線弧垂隨溫度增率與普通導(dǎo)線增率趨勢(shì)基本一致，溫度每提升10 ℃，弧垂僅增加約0.34 m；拐點(diǎn)溫度以后兩種增容導(dǎo)線弧垂隨溫度變化明顯變緩，溫度每提升10 ℃，弧垂僅增加約0.08 m，由此表明兩種增容導(dǎo)線在拐點(diǎn)溫度后相較于普通導(dǎo)線弧垂特性十分優(yōu)越。

另外，由圖3 可見(jiàn)，碳纖維導(dǎo)線弧垂特性比普通鋼芯鋁絞線和殷鋼芯導(dǎo)線更為優(yōu)越，從而也從側(cè)面反應(yīng)出其載流能力更強(qiáng)。同時(shí)，將其應(yīng)用在新建線路中可以降低桿塔平均呼高減少線路投資。

2.6 覆冰過(guò)載能力

表4 為各導(dǎo)線在70%計(jì)算拉斷力下計(jì)算出的允許覆冰厚度，由于加強(qiáng)芯導(dǎo)線的強(qiáng)度的提升使其覆冰過(guò)載能力比普通導(dǎo)線更強(qiáng)，與殷鋼芯導(dǎo)線相比，碳纖維導(dǎo)線的過(guò)載能力提升更大，可提升10%以上，在中重冰區(qū)的使用中會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。

表4 覆冰過(guò)載能力

3 結(jié)語(yǔ)

文中結(jié)合加強(qiáng)芯導(dǎo)線的特點(diǎn)，利用斜拋物線公式引入了“拐點(diǎn)溫度”計(jì)算方法，搭建了適用于加強(qiáng)芯導(dǎo)線的計(jì)算模型。通過(guò)計(jì)算分析得出以下結(jié)論：

1）載流量：在同等設(shè)計(jì)條件、最高運(yùn)行溫度150 ℃下，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金可將線路極限輸送能力提升至普通導(dǎo)線的1.58倍，碳纖維導(dǎo)線可提升至1.77 倍，二者均具有較好的增容效果，且碳纖維導(dǎo)線更優(yōu)。同時(shí)在相同輸送容量下，因?yàn)樘祭w維的鋁部面積占比較大，使其更為節(jié)能。

2）拐點(diǎn)溫度：兩種導(dǎo)線在220 kV 線路常規(guī)檔距250~600 m 之間，JNRLH1/LBY-240/55 型鋁包殷鋼芯導(dǎo)線的拐點(diǎn)溫度變化區(qū)間為98.6~116.5 ℃，JLRX/F1B-300/40 導(dǎo)線為88.7~98.1 ℃，后者隨檔距變化更小。

3）弧垂特性：拐點(diǎn)溫度以前，鋁包殷鋼芯導(dǎo)線和碳纖維導(dǎo)線弧垂隨溫度增率與普通導(dǎo)線增率趨勢(shì)基本一致，溫度每提升10 ℃，弧垂僅增加約0.34 m；拐點(diǎn)溫度以后兩種增容導(dǎo)線弧垂隨溫度變化明顯變緩，溫度每提升10 ℃，弧垂僅增加約0.08 m，由此表明兩種增容導(dǎo)線在拐點(diǎn)溫度后相較于普通導(dǎo)線弧垂特性十分優(yōu)越，且碳纖維導(dǎo)線弧垂特性比殷鋼芯導(dǎo)線更為優(yōu)越。

4）覆冰過(guò)載能力：由于加強(qiáng)芯導(dǎo)線的強(qiáng)度的提升使其覆冰過(guò)載能力比普通導(dǎo)線更強(qiáng)，與殷鋼芯導(dǎo)線相比，碳纖維導(dǎo)線的過(guò)載能力提升更大，可提升10%以上，在中重冰區(qū)的使用中會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，殷鋼芯導(dǎo)線載流能力、弧垂特性、覆冰過(guò)載能力均比普通導(dǎo)線優(yōu)越。同時(shí)其結(jié)構(gòu)與普通鋼芯鋁絞線相同，施工工藝比較成熟，但其導(dǎo)線本體價(jià)格為普通鋼芯鋁絞線的7~8 倍，為碳纖維導(dǎo)線的2倍。碳纖維導(dǎo)線因?yàn)楸旧斫Y(jié)構(gòu)內(nèi)層碳纖維復(fù)合芯質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、體積小的特點(diǎn)，使其在載流量、弧垂特性、覆冰過(guò)載能力方面明顯優(yōu)于殷鋼芯導(dǎo)線，在大檔距、大輸送容量、中重覆冰在均表現(xiàn)出較好的性能。但由于我國(guó)對(duì)于碳纖維的研究年限不長(zhǎng)，碳纖維導(dǎo)線本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及內(nèi)層芯的脆性帶來(lái)的配套金具復(fù)雜、施工工藝要求高的問(wèn)題尚未得到很好的解決，減緩了其推廣應(yīng)用的速度。隨著新材料、新工藝的研究發(fā)展，相信該類問(wèn)題終將得到改善，僅以此為后續(xù)研究者提供參考。