用于资源节约型输电线路的导线之二——节能型系列导线的主要品种和特性

黄豪士

(上海电缆研究所，上海200093)

用于资源节约型输电线路导线，共分两大部分，第一部分导线特性和工作原理已在另一篇论文中论述(本刊2011年第1期)，本文论述第二部分节能型系列导线的品种和特性。

1 资源节约型输电线路用节能型系列导线的主要品种和特性

资源节约型输电线路用节能型导线，最为突出的是运行时节能，所以往往又被称为“节能型导线”。按其结构、铝导体经处理的技术参数和导线的应力转移的不同，本产品主要可以分成为三个系列:(1)节能型低蠕变导线;(2)节能型增容导线;(3)节能型扩容导线。

1.1 节能型低蠕变导线

结构特点:导线的结构与传统常用钢芯铝绞线ACSR一样，区别在于钢芯铝绞线用硬铝线而节能型低蠕变导线用软铝线。

美国和加拿大于上世纪70年代开发了该产品，并称为SSAC(steel supported Aluminum conductor)，到80年代习惯上又称为ACSS(Aluminum conductorsteel supported)，但ACSS对钢线未作特殊处理。

钢芯软铝绞线的蠕变量最主要是取决于钢芯，节能型低蠕变导线则对钢芯进行预先处理，即去除了钢芯结构引起的初伸长和蠕变前期的快速伸长部分，从而获得较低的蠕变量。因此，当导线在较高的温度运行时，最终的弧垂已不受铝线的影响。从制造角度而言，这种结构制造比较容易，仅将导线的铝导体改为软铝线，它与传统常用的硬铝线性能的比较，见表1。节能型低蠕变导线的截面如图1所示。

表1 软铝线和硬铝线的性能比较

图1 节能型低蠕变导线(低蠕变钢芯软铝绞线)的截面图

我国目前线路中，一般由GB/T 1179—1999圆线同心绞架空导线标准中选取，或仍在GB 1179—1983铝绞线及钢芯铝绞线标准中选取。但不管如何选取，由于软铝线的强度远低于硬铝线，但又希望其弧垂计算值不要差异太大，所以节能型系列导线的钢芯一般都采用特高强度钢线(G3A、S3A)或超高强度钢线(G4A、S4A)制造，这样拉力/重量比就比传统常规导线更接近。当输电线路在高温状态运行时，钢芯承担所有的力，特高强、超高强度钢芯不会受到过大的拉应力，使线路安全。

1.2 节能型增容导线

上世纪80年代，美国和加拿大在生产ACSS的基础上，开发了新一代的钢芯软铝绞线，即ACSS/TW(Aluminum conductor steel supported/trapezoidal)。它把铝线股的截面形状由圆形改为梯形，而钢线仍为圆线。

节能型增容导线是在ACSS/TW的基础上又作进一步提高，其中的铝线股除了可以采用T形外，主要采用S、Z形。它使导线更为紧密，其形状与IEC 62219:2002(GB/T 20141—2006)型线同心绞架空导线相似，而钢芯又经过特殊处理后其蠕变量更小，应力迁移点(拐点)又能提前出现。

在输电线路采用节能型增容导线时，钢芯将全部承载导线的机械荷载，铝线股主要是承载电流而不承载机械负荷，因此导线运行的工作温度不会由于铝线股的软化特性而受限制。这样节能型增容导线的运行工作温度完全由钢芯的软化特性所决定。而钢芯的再结晶温度很高，能在较高的温度下保持正常的机械强度，所以允许的运行工作温度比普通的钢芯铝绞线高很多。

如上所述，节能型增容导线的铝线股制成SZ形或T形的结构，它与普通的钢芯铝绞线相比，结构就更紧密了。在整个导线系列中，铝线截面可由16 mm2至1400 mm2的很大范围，铝层结构有1、2、3或4层，多数结构为2或3层。图2为2层式结构的节能型增容导线截面图。

图2 2层式结构的节能型增容导线截面图

这种节能型增容导线与相同铝截面的钢芯铝绞线相比，直径更小，可以使导线减少覆冰和风载;较小的直径和平滑的外表面能减少空气动力系数，降低微风振动和舞动的危害。在直径相同的情况下，增容导线具有更大的铝截面积，可以提高抗电晕和无线电干扰水平。表2为钢比13%的400 mm2钢芯铝绞线与相等铝截面积或导线相等直径的节能型增容导线的载流量的比较。

以钢芯铝绞线在70℃时的载流量为100%(599 A)为基准，对节能型增容导线进行讨论。从表2中可知:

(1)铝等截面积的节能型增容导线在100℃的载流量为949 A，即达150%以上;当达到140℃时，已能输送高至2倍的容量;

(2)当节能型增容导线与钢芯铝绞线等直径时，100℃时的载流量为1094 A，达180%以上;在120℃时为1282 A，达214%;

(3)尽管导体温度达100℃或120℃，节能型增容导线的弧垂仍不超过钢芯铝绞线在70℃时的弧垂量，因此线路是安全的。

采用等直径的节能型增容导线，其总拉断力也不增加，这对于塔杆就可以不必改变了。

表2 钢芯铝绞线JL/G1A与等铝截面积或等直径的节能型增容导线AOF(SZ)Gg+S4A载流量比较

节能型增容导线的铝导体是由型线制成的，各线股间的接触面积比常用导线的圆铝线接触面积大得多，也即各线股之间的摩擦面积加大了。兼之，软铝线受张力与工作温度已超过迁移点，铝线呈现出一定的松弛，因此，导线的自阻尼特性比相应的钢芯铝绞线更好，对线路的安全更有利。

1.3 节能型扩容导线

扩容导线的结构与增容导线大致相似，与后者的区别是在铝导体与钢芯之间存在一个间隙，在间隙中充满耐高温的润滑油脂，在210℃也不滴流(实际滴点达250℃以上)且起防腐蚀保护钢芯作用。

在钢芯受力状态下，导线弧垂特性将完全取决于钢芯特性，钢芯的热膨胀系数11.5×10－6/℃，只有铝的1/2。当扩容导线达140℃时，它的弧垂量与相应的钢芯铝绞线在环境温度为40℃，工作温度为70℃时基本一致，因此，这时的载流量正好增大1倍，线路是安全的。

扩容导线的力学性能与间隙型导线基本相同，主要由钢芯承担，但就具体的结构、电气性能、施工等均优于间隙型导线，两者特性比较见表3。

表3 节能型扩容导线与间隙型耐热铝合金导线的特性比较

从施工方面考虑，铝导体的强度较大为宜，参照对应于150℃高温下导线的铝导体的要求，即要有足够高的强度残存率，规定了在230℃、1 h的加温后，强度残存率≥90%作为参考值。

节能型扩容导线具备节能型增容导线几乎所有的性能，不同的只是直径略大些，但却有更为优良的自阻尼特性。这是由于铝线和钢芯的固有频率不同，在风的微振下，它们将相互碰撞而消耗能量的结果。

2 资源节约型输电线路用节能型系列导线与其它相应的各类导线的特性比较

2.1 综合性能比较

资源节约型输电线路用节能型系列导线与耐热铝合金型导线、软型铝导线等的综合性能比较见表4和表5。

表4 各类导线的综合性能比较之一

2.2 不同温度时各类导线在线路中的弧垂相对位置

如果用相同规格的各类导线，用相等的安装张力和条件架设在同一档距中，其弧垂将随导线温度变化，如图3～图5所示。

图3为导线在40℃时的弧垂。从图中可知，因碳纤维芯强度大、自重小且热膨胀系数小，故碳纤维芯软铝绞线具有最小的弧垂，陶瓷纤维芯软铝绞线次之，其他各类导线的弧垂基本相同，都在对地距离安全范围内。

当导线温度升至90～100℃时，此时的载流量相当于70℃时150%，常规钢芯铝合金绞线和钢芯耐热铝合金绞线的弧垂己超出了对地安全距离允许值，如图4所示。

表5 各类导线的综合性能比较之二

图3 在40℃下架线时各类导线的弧垂相对位置

图4 在100℃时各类导线的弧垂相对位置

图5 在150℃时各类导线的弧垂相对位置

由图5可知，当导线温度升至140～150℃时，此时的载流量已达70℃时的200%，即N－1状态;常规钢芯铝绞线、钢芯耐热铝合金绞线和钢芯软铝绞线的弧垂均超出了对地安全距离允许值，而节能型扩容导线的弧垂仍在安全范围内。

3 讨论和建议

(1)资源节约型输电线路用导线，本质上是一种特高强度钢芯的软铝型绞线，并需经过应力转移的特殊处理，这样使受于软铝型线的力能较快地转移在钢芯上，特高强度钢芯将承担导线所受的拉力。由于钢芯的强度高，这时它所受到的应力仍是在它受力的允许范围内，不会由于钢芯应力过大而影响导线寿命。

(2)经多次实验证明，由于应力的转移，导线的热膨胀系数明显较小，且不出现清晰的拐点(迁移点)。从线路设计而言，在导线允许的工作温度范围内(如150℃)。由于热膨胀系数的数值是一个定值，所以在弧垂计量时，可以把给出的数值直接代入。

(3)对于新建的线路用导线而言，把允许的最高工作温度定位为150℃是合适的，不必要用到允许的最高温度。这是因为我国导线的允许工作温度为70～80℃，若环境温度为40℃时，150℃的载流量已达到70℃时载流量的200%或以上，经应力转移后的这种导线弧垂，将与常规导线在80℃的弧垂量相同，这是允许的。这样线路便蕴藏着能增容100%的可能，即在N－1时线路也能安全运行。

(4)软铝，即使在230℃下长期工作(这是考核耐热铝合金线的温度，即230℃、1 h的强度残存率≥90%)其强度也不会降低，但却有较柔软、强度低、易被擦伤等缺点，给线路设计或是施工造成困难，应该给予改进提高。

(5)这种资源节约型输电线路用节能导线都有别于碳纤维芯软铝绞线，也有别于一般的钢芯软铝绞线。它作为一种新型导线，在制造技术突破以后，应在线路设计和施工技术上给予完善，使它优良的性能能获得充分发挥，更好地为电力建设服务。

4 结束语

建设资源节约型输电线路，导线是线路建设中重要的一环。

资源节约型输电线路用节能导线，在线路建设时采用，它在输电时节能;用于线路改造增大输送容量时，可不必更改输电线路，不必更换铁塔而节材;对于新建线路，由于它蕴藏着可增大50%～100%的输电能力，可以节约土地;导线由型线绞成，结构十分紧密，抗振耐蚀寿命长;导线的主要材料铝和钢线有优良的性能，而价格不高，有良好的性价比。

由于我国每年对导线的需求量很大，约100万t之多。近几年来我国采用多种由国外购置的，或由国内的工厂仿造的耐热铝合金系列导线，如钢芯耐热铝合金绞线、殷钢芯耐热铝合金绞线等线种，它们由于导电率偏低，在运行时能耗加大，且弧垂并不能减小，或能减小而价格高昂。从节能的观点出发，不推荐采用此类导线。钢芯软铝绞线、碳纤维芯软铝绞线等都有着很好的导线性能，运行时节能，但施工技术还需要完善。价格是使用与否的重要因素，所以使用时应详细作经济核算才能决定。

资源节约型输电线路用节能导线，将在不断完善生产条件的基础上，使生产效率不断提高;总结设计经验利用实验数据，完善线路设计;总结施工经验，完善施工技术，使建成的输电线路既节约资源，又更安全可靠。

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