用于架空输电线的不同耐热导线的比较分析

刘俊勇,罗文

（1.广州电力设计院，广东广州 510075；2.陕西省电力设计院，陕西西安710054）

随着我国城市现代化建设的加快，用电量越来越大。工农业生产的快速发展，使得土地资源越来越紧张，城市外围向城区送电的架空输电线路走廊受到限制。采用埋地电缆输电线路投资昂贵，对原有输电线路进行改造又很困难。原有输电线路输送容量不够、过负荷严重等问题越来越严重，针对这些问题，我国部分城市的输电线路已采用了耐热导线来增加线路的输送容量。

耐热导线是利用导线在较高的温度下正常运行，从而提高导线传输电流密度，达到提高导线的传输容量，同时又具有低弧垂的特点。采用耐热导线可有效缓解电力供需矛盾，缓和输电线路建设上的困难。耐热导线在全国电网建设中将得到越来越广泛的应用。

1 概述

1.1 发展状况

从20世纪40年代起，国际上一些国家开始研究新型导线[1-3]。到20世纪60年代，日本开发出耐热铝合金导线（TACSR），并开始在输电线路中实际应用，使线路传输容量成倍增加。20世纪70年代，一些国家研究出镍铁合金殷钢，采用殷钢芯取代传统的导线钢芯。同时，美国和加拿大开发出了钢芯软铝绞线，采用软铝线替代导线中的普通铝线。20世纪90年代，日本和美国利用有机复合材料又相继开发出了碳纤维复合芯软铝绞线（ACCC）、铝基陶瓷纤维芯软铝绞线（ACCR）[4-5]。

日本于20世纪60年代开始在输电线路实际应用普通耐热导线（TACSR），到1997年日本耐热导线全国使用量达到输电线路总长的70豫。韩国在20世纪90年代后期开始大面积使用耐热导线。欧洲、美国、加拿大等国已广泛采用耐热导线，东南亚各国的使用量也在逐年增加。

我国在20世纪80年代开发出导电率58%和60%的IACS耐热铝合金导线。1986年首先在安徽繁昌500 kV变电站采用国产58%导电率耐热铝合金绞线（NRLH58GJ）作为母线，取得明显的技术效果和经济效益。我国输电线路最早采用耐热导线输电技术是在1995年，线路采用国产钢芯58%导电率耐热铝合金绞线（NRLH58GJ-240/30）更换旧导线，载流量从445 A提高到611 A[6-7]。接着在深圳、山东、广东、上海、北京、江苏、宁夏等地也相继有耐热导线的项目投入运行。采用的产品主要有普通耐热导线TACSR、超耐热导线ZTACIR、UTACSR，特耐热导线XTACIR，间隙式耐热导线GTACSR。

目前国内也已经有多家生产厂商具备生产耐热导线的能力，如武汉电缆、青岛汉缆、上海中天、山东鲁能等。

1.2 耐热导线种类

耐热导线一般是在铝材中适当添加金属锆（Zr）元素形成铝锆合金[8-9]，来大幅提高铝材的耐热性能，耐热铝合金分类如表1。

表1 耐热铝合金的分类

表2 不同类型的耐热铝合金及不同的芯线组合出的多种产品

耐热铝合金导线根据其外绞线和钢芯结构的不同，它们分为普通钢芯耐热导线、钢芯超耐热导线、特强钢芯超耐热导线和殷钢芯特耐热导线等各种耐热导线，组合成不同耐热导线（如表2）。

另有一种耐热导线，其外层导电部分为全退火软铝线。软铝导线可以长时间运行在150益，短时运行在200益，导电率为63%（IACS），比硬铝线高。它具有屈服强度很低而延伸率很大的特性，与一般钢芯组成钢芯软铝线（ACSS），用有机复合材料碳纤维做承力芯组合成碳纤维芯复合铝绞线（ACCC）。

2 耐热导线结构及性能

2.1 结构原理

2.1.1 导电部分结构

我国架空输电线路以LGJ系列钢芯铝绞线（ACSR）为主，钢芯铝绞线中的硬铝导体的连续使用温度为70益耀90益（我国目前为80益），导电率在20益下为61%（IACS），输电容量受到了限制。

耐热导线是采取提高导线允许温度，增大导线输送电流，从而提高线路输送容量，并且保持良好的机械特性，满足一定的弧垂要求的。

提高金属铝耐热性能方法有2种，一种是在铝材料中添加金属元素锆（Zr）[10-11],可以大幅提高铝材的耐热性能，导电率可保持在58%（IACS）及以上。另一种方法是对铝导体经热处理成为导电率为63%（IACS）的软铝，可以在200益运行，它具有屈服强度很低而延伸率很大的特性。

2.1.2 承力部分结构

由于导线运行温度的提高，弧垂也将随温度增大。为了适应线路架设中的弧垂要求，一般是采用线膨胀系数低的材料代替导线中心的普通钢芯。现比较常用的是选用殷钢，殷钢是由铁和镍等元素组成的一种镍铁合金，殷钢线膨胀系数只有普通钢材的1/3，约为3.6伊10-6/益(普通钢材为11.5伊10-6/益)。还有一种是采用有机复合材料碳纤维替代导线中心的金属材料作为承力部分，碳纤维线膨胀系数只有约1.6伊10-6/益，其抗拉强度大于普通钢芯，且重量轻。

另外有一种间隙型钢芯铝合金导线，采用特殊的加工和施工方法使导线的所有张力均落在钢芯上，导线带电运行时的驰度变化即取决于钢芯的线膨胀（钢芯的线膨胀系数为11.5伊10-6/益），铝线的线膨胀对导线的驰度变化不起作用。实现导线内部张力的转移，使导线在高温条件下维持低驰度来降低线路弧垂。

2.2 性能

2.2.1 导线电阻的比较

交流电阻是计算导线载流量的主要参数。交流电阻的大小和导线的结构、截面积、铝合金导电率有关。根据部分厂家的资料,现列出各种导线的电阻值及最大载流量（见表3）。

表3 导线电阻值及载流量

由表3相近截面导线电阻值的比较，在相同温度下导线的电阻值较接近。相同截面和相同温度情况下，碳纤维复合芯软铝导线（ACCC/TW）电阻值最小。

根据导线的载流量来比较，普通钢芯铝绞线LGJ-630/45在70益的载流量与截面280 mm2耐热导线在140益的载流量相近。最大载流量时耐热导线电阻值是普通钢芯铝绞线LGJ-630/45的2.8倍。

2.2.2 导线机械性能

导线的机械性能主要是它的弧垂特性。导线运行温度升高后，弧垂会增加。影响导线弧垂的参数主要有抗拉强度、弹性模量和线膨胀系数。各种类型导线（以铝导体截面为240 mm2为例）机械参数和导线材料的参数值见表4、表5。

普通钢芯铝绞线中的硬铝导线的屈服点在90益，铝将软化，由钢芯主要受力，导线工作段的线膨胀系数为（18耀20）伊10-6/益。

耐热铝合金导线屈服点在150益以上。间隙型耐热导线GZTACSR采用特殊的生产工艺和施工方法，使导线张力在弛度增加时都落在钢芯上，导线的热膨胀性能与钢芯热膨胀性能相近。殷钢芯超耐热铝合金导线STACIR/AW采用殷钢做线芯，使导线整体热膨胀系数降低了。碳纤维复合芯铝绞线结构外层为梯型软铝线，全退火软铝线易屈服，在较低温度时将导线载荷转移到线芯上，导线的热膨胀性能与碳纤维芯热膨胀性能相近。耐热导线一般是采用上述方法来降低导线弧垂以满足现状要求。

表4 导线的机械参数

表5 导线材料的机械参数

由表4相近截面和载流量导线的比较，碳纤维复合芯软铝导线ACCC/TW热膨胀系数最小，其次为间隙型钢芯铝合金导线GZTACSR；抗拉力最好的是碳纤维芯复合软铝导线ACCC/TW。

根据对导线材料的比较，碳纤维芯热膨胀系数最小、抗拉强度最大、比重最小；镀锌殷钢线热膨胀系数比镀锌钢线小，抗拉强度不如镀锌钢线。

3 经济比较

3.1 金具使用比较

由于耐热导线运行温度较高，现阶段耐热导线金具（耐张线夹、悬垂线夹、跳线线夹、防振锤等）均为生产厂家配套提供，金具价格较贵，同截面导线中耐热导线金具为普通钢芯铝绞线金具的6耀10倍。对于输送相同载流量的导线，耐热导线金具为普通钢芯铝绞线金具的3.5倍以上。由于各种耐热导线的金具各不相同，对金具形式上的选择也产生了局限性。

3.2 工程造价比较

耐热导线主要是应用在工程改造中。采用耐热导线只需要更换相近截面规格的耐热导线，基本上不需要征用土地更换铁塔，就能使原有线路提高了约100%输电容量，不仅节约了工程投资、架塔所需的土地资源，而且缩短了施工时间，产生了明显的经济效益和社会效益。对于需要高强度、容量大的线路，如大跨越线路，在降低工程投资而达到提高线路输送容量和线路安全性，也具有明显的经济效益。

由于生产工艺和导线材料的不同，各种耐热导线的价格有很大差异，现列各种导线的单价及每千米线路（三相）导线价格，见表6。

由相同单位长度的导线价格来看，耐热导线中间隙型耐热钢芯铝合金导线GZTACSR价格最便宜，其价格是相近截面普通钢芯铝绞线LGJ-240/40导线的5倍；相同最大输送容量情况下，其价格是普通钢芯铝绞线LGJ-630/45导线的2.4倍。

对原有输电线路进行扩容改造，采用耐热导线只增加了导线、金具及施工费用。以间隙型耐热钢芯铝合金导线GZTACSR-240导线为例，最大输送容量与普通钢芯铝绞线LGJ-630/45相同，间隙型耐热钢芯铝合金导线和金具（只含耐张线夹、悬垂线夹、跳线线夹、防振锤等）费用增加了约2.5倍。对广州城郊丘陵地带正在进行的100 kV双回同塔线路，原单回输送电路为500 A，需增容到输送电流950 A时，利用原有双回同塔线路更换耐热导线，与拆除原有线路重新建设采用普通钢芯铝铰线作比较，整个工程造价降低约40%，并缩短了工程建设时间。

3.3 线路损耗比较

导线的线损指在导线输送电流时在导线上产生的电能损耗。耐热导线提高了导线运行温度和载流量，同时也会使导线交流电阻值增大、线路电能损耗增加，以下根据部分厂家的耐热导线和普通导线参数来进行计算。

普通钢芯铝合金绞线LGJ-240/40的直流电阻不大于0.120 9赘/km，LGJ-630/45的直流电阻不大于0.046 33赘/km，间隙型耐热钢芯铝合金导线GTACSR-240 mm2的直流电阻大于0.117 9赘/km，碳纤维复合芯软铝绞线ACCC/TW-240 mm2的直流电阻大于0.116赘/km（以上为20益时的电阻值）。

3.3.1 功率损耗计算

3.3.2 输送容量为100 MV·A/km线路损耗

普通钢芯铝合金绞线LGJ-240/40功率损耗为（导线温度按70益计算）

间隙型耐热钢芯铝合金导线GTACSR-240mm2功率损耗为

碳纤维复合芯软铝绞线ACCC/TW-240 mm2功率损耗为

输送容量为160

3.3.3 输送容量为160 MV·A/km线路损耗

普通钢芯铝合金绞线LGJ-630/45功率损耗为（导线温度按70益计算）125.884 kW;间隙型耐热钢芯铝合金导线GTACSR-240 mm2功率损耗为（导线温度按140益计算）369.823 kW;碳纤维复合芯软铝绞线ACCC/TW-240 mm2功率损耗为（导线温度按140益计算）360.937 kW;110 kV架空线路相同输送容量（100 MV·A）下每km线路普通钢芯铝合金绞线LGJ-240/40功率损耗为120.16 kW，间隙型耐热钢芯铝合金导线GTACSR-240 mm2功率损耗为117.19 kW，碳纤维复合芯软铝绞线ACCC/TW-240 mm2功率损耗为114.54 kW，几种导线功率损耗接近。

110 kV架空线路相同输送容量（160 MV·A）下每km线路普通钢芯铝合金绞线LGJ-630/45功率损耗为125.884 kW，间隙型耐热钢芯铝合金导线GTACSR-290 mm2功率损耗为369.823 kW。碳纤维复合芯软铝绞线ACCC/TW-240 mm2功率损耗为360.937 kW，耐热导线功率损耗是普通钢芯铝合金绞线LGJ-630/45的2.8倍。

根据以上计算的功率损耗结果，在输送容量为160 MV·A时每千米耐热导线功率损耗占0.225%。如果按年最大负荷利用时间为3 000 h最大负荷（160 MV·A）占30%计算，最大负荷时每千米年电能损耗为324.84 MW·h，采用普通钢芯铝合金绞线LGJ-630/45每km年电能损耗为113.30 MW·h。最大负荷时耐热导线每km年电能多损耗211.54 MW·h，如果按每度电0.2元价格计算，最大负荷时年电能损耗增加42.308万元。

4 总结

1）耐热导线主要是应用于扩容改造、大跨越的架空线路中。扩容改造采用耐热导线无需对现有铁塔进行改造，在保持与原线路（普通钢芯铝绞线）相近的弧垂情况下，成倍提高整个线路的载流量，并缩短整个工程施工时间。

耐热导线在提高输送容量的同时也提高了导线的温度，导线温度的提高也增大了导线电阻，相应增加线路的功率损耗。因此对于长距离输电线路和长期大容量输电线路采用耐热导线不经济。因特殊情况需要短时大容量输送电能的输电线路采用耐热导线，可降低工程造价，增加电网的可靠性，对线路损耗增加很少。

2）对于需要增加1倍的输送电流而采用耐热导线，现阶段最多的是采用殷钢芯特耐热铝合金铰线STACIR，其施工方法与普通导线相同，在输电线路中运行时间已久，但价格最贵。间隙型耐热钢芯铝合金导线GTACSR需要特殊的施工工具和施工方法，到目前为止，全国在运行的数量不多，但其市场价格最低。碳纤维复合芯软铝绞线ACCC/TW需要特殊的施工工具和施工方法，它具有重量轻、导电率高、线膨胀系数小的特点，全国已有少量线路安装运行，目前还处于试验阶段。

[1]熊信银,朱永利.发电厂电气部分[M].3版.中国电力出版社，2004.

[2]尤传永.增容导线在架空输电线路上的应用研究[J].电力设备,2006(10):1-7.

[3]马国栋.电线电缆载流量[M].1版.中国电力出版社,2003.

[4]包居敏,李循齐.输电线路加固改造工程的导线选型[J].电网与清洁能源,2009,25(5):19-21.

[5]廖怀东,关健,李海威.耐热导线材料在输变电工程上的应用[J].电力建设，2006,27(5):56-57,61.

[6]哈恒旭.分布式参数输电线路电磁暂态分析新方法[J].南方电网技术,2009,3(4):20-25.

[7]席晓丽,高振,谭海龙,等.交流750 kV紧凑型输电线路导线选型及分裂方式研究[J].电网与清洁能源,2010,26(6):14-19.

[8]黄官宝.输电线路导线舞动在线监测系统设计[J].南方电网技术,2009,3(4):85-89.

[9]张云都,易辉,喻剑辉.我国大截面与耐热导线输电技术的现状及展望[J].高电压技术，2005,31(8):24-26.

[10]王磊.特高压、超高压输电线路多分裂导线施工技术[J].电网与清洁能源,2010,26(8):18-23.

[11]龚有军,林婉欣.超、特高压输电线路高频参数计算方法[J].南方电网技术,2009,3(01):12-15.