耐热导线在宁东—山东±660 kV直流工程接地极线路中的应用

罗栋梁，龙晓慧

（国核电力规划设计研究院，北京 100032）

0 引言

宁东—山东±660 kV直流输电线路工程是贯彻国家西部大开发战略，优化资源配置，促进西部经济社会发展，促进“西电东送、全国联网”总体格局的一大举措。充分利用西北地区水电闲置容量，提高西北电网水电的利用率，特别是充分利用西部（宁东）地区丰富资源，转变一次能源优势，向山东负荷中心送电，对满足山东省经济发展对电力的需求，调整我国能源结构，减轻一次能源运输压力，加强环境保护，实现经济可持续发展等方面具有十分重要的意义。

山东换流站接地极线路是宁东—山东±660 kV直流输电线路的一部分，主要任务是将山东青岛换流变电站的入地电流引至接地极，通过接地极将电流泄入大地。

1 耐热导线简介

1.1 耐热导线的发展

众所周知，铜、铝等金属导体材料通电以后，其机械性能将随着自身温度的提高而降低，因而大大影响了输电能力。

1949年，美国通过研究首先发现了在铝材中适当添加金属锆元素能提高铝材的耐热性能。该项发现受到国际相关专业人士的关注和重视，而日本在开发和研究耐热导线方面则取得了较大进展，开发出铝中添加约0.1%锆元素的耐热铝合金导线，并于20世纪60年代初开始在输电线路中实际应用[1]。

我国应用耐热铝合金导线已有30多年的历史。1986年首先在安徽繁昌500 kV变电站采用国产1 440 mm2钢芯58%导电率耐热铝合金绞线（NRLH58GJ）作为母线，之后又在江苏徐州、上海、浙江瓶窑等地大量采用了国产耐热铝合金导线。从1995年到2010年，有数万吨国产耐热铝合金导线用于各类线路改造工程，不仅节约了工程投资，而且提高了输电容量（40%～60%），产生了明显的经济效益。目前，各大电缆厂商已具备大量生产导电率为60%的耐热铝合金导线的能力，并在国内外电力建设中得到了广泛应用[2-5]。

1.2 耐热导线的特性

由于耐热铝合金导线是在普通铝合金导线中添加锆、钇等元素，提高了铝的再结晶温度、蠕动强度及耐热性能，其长期工作温度可达150℃（国产导线为110℃），短期工作温度可达到230℃（国产导线为150℃），而普通铝导线的工作温度仅为70℃，短期工作温度为90℃。耐热铝合金导线的载流量较相同规格的铝线提高40%～50%，抗拉强度超过180 MPa。试验表明：耐热铝合金线和普通硬铝线的蠕变特性相同，60%导电率的耐热铝合金线与普通硬铝线的导电率基本相同，绞合后的钢芯60%导电率耐热铝合金线和普通钢芯铝绞线的机械性能也基本相同，其连续容许载流量大约为普通钢芯铝绞线的1.6倍。

常温下，耐热铝合金单线（φ3.22 mm）与电工硬铝线相比，除导电率略低之外，其它性能大致相同。耐热铝合金导线的弹性系数较硬铝线大，即在同一荷重下耐热铝合金导线的伸长率较小。

高温时,耐热铝合金导线的强度性能比硬铝线要好得多，图1为从常温到300℃范围内硬铝线和耐热铝合金导线在各温度点加热1 h后得到的强度残存率的等时软化特性。

从图1中可看出：耐热铝合金导线的强度残存率比硬铝线高，说明耐热性有所提高[6-8]。

图1 导线等时软化特性

2 耐热导线在±660 kV直流工程接地极线路中的应用

2.1 特性分析及经济比较

山东换流站接地极线路起于青岛换流站，止于诸城接地极，线路途径青岛胶州、潍坊高密、潍坊诸城3个市县，线路全长46.879 km。接地极线路的额定输送电流为3 000 A，最大持续电流为3 300 A（持续时间2 h），双极运行时不平衡电流为30 A，最大短时电流为4 500 A（3 s）。接地极线路的电压约3 kV。

根据以往的设计理念，接地极线路一般采用钢芯铝绞线。为选择最合理的导线方案，最大限度地减少投资，本线路初步设计了如表1所示的5种导线方案比选。

表1 导线方案载流量对比

由表1可知，耐热铝合金导线2×JNRLH60-630/55、 钢芯铝绞线 4×LGJ-630/45 和 5×LGJ-500/45满足最大持续电流3 300 A的要求。

通过对 2×JNRLH60-630/55 和 4×LGJ-630/45导线方案的详细分析、对比、论证、调研，其技术参数和主要材料指标对比见表2、表3。5×LGJ-500/45导线方案由于导线根数为奇数，不论如何布置均不能达到受力平衡，因此杆塔结构尺寸需加大，导线配套金具研制困难，方案不合理。

JNRLH60-630/55型耐热导线与LGJ-630/45型常规导线的外径、拉断力、重量、弹性系数及线胀系数等参数相差无几，但由于2×JNRLH60-630/55导线方案少2根导线，故水平荷重、垂直荷重、张力均较4×LGJ-630/45减少50%，杆塔负荷明显减小，塔重大大降低。

2×JNRLH60-630/55导线方案运行温度较高，弧垂比4×LGJ-630/45大2.63 m，故杆塔规划的档距相对较小，定位时线路平均塔高增加。

表2 两种导线方案的技术参数对比

表3 两种导线设计方案的主要材料指标对比

由表3可知，2×JNRLH60-630/55导线方案的主要工程材料较4×LGJ-630/45有明显减少，其中塔材减少10.6%，混凝土减少7.5%，导线减少50.0%，从而大大降低了工程造价。此外，2×JNRLH60-630/55导线方案的走廊宽度较4×LGJ-630/45减小1.2 m。

耐热导线应用于增容工程中的不利因素是线损加大，但在接地极线路工程中线损不是问题，因为接地极线路的作用是将换流站的入地电流引至接地极，通过接地极将电流泄入大地，线路损耗不影响泄流效果。

综上所述，接地极线路采用2×JNRLH60-630/55导线方案的优势十分明显（以两组形式悬挂在杆塔两侧），得到了工程评审专家的一致肯定。

2.2 设计注意事项

（1）耐热导线运行温度的确定。国内电线电缆厂家生产了众多特性不同的耐热导线，运行温度高低不一，从90℃到150℃甚至更高，因而急待出台行业标准来规范产品技术参数。

（2）开发生产适用于耐热导线的耐张线夹、补修管、压接管、间隔棒和防振锤等金具。目前，国内虽然已有金具厂家开发试制出此类耐热产品，但未能形成行业标准金具。

（3）与换流站或接地极普通设备连接过渡的金具设计。耐热导线输送容量大于同等截面的铝包钢芯铝绞线，而变电站引线只能采用铝包钢芯铝绞线，因此要根据耐热导线的容量选择相匹配的单根大截面铝包钢芯铝绞线或者双分裂铝包钢芯铝绞线，同时应根据连接形式选用过渡线夹。

3 结语

宁东—山东±660 kV直流工程接地极线路工程成功采用耐热铝合金导线，运行实践表明接地极线路采用耐热导线有以下优点：

（1）耐热导线具有非常好的机电性能，可通过提高导线允许温度来满足接地极线路的最大持续电流。

（2）接地极线路采用耐热导线，对线路的弧垂和线路金具有一定影响，必要时要加大线路对地高度，采用耐热金具。因此，在采用耐热导线输电技术时要权衡利弊，合理运用。

（3）接地极线路采用耐热导线能大大降低主要材料指标，且无线损问题，既响应了国家节能降耗的政策，也符合建设两型电网的要求，必将产生显著的经济效益和社会效益。

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