输电线路新型导线应用及推广

陈浪蛟 马志方

输电线路新型导线应用及推广

国网天府新区供电公司  陈浪蛟  马志方

【摘要】在新型导线与普通导线特性对比基础上，结合工程实例及运行经验，指明运用新型导线的优点及缺点;并从输电网新型导线运行角度出发提出新型导线推广应用意见和建议。

【关键词】新型导线;特性对比;殷钢导线;复合材料芯导线

一、前言

近年，很多城市在迎峰度夏期间输电线路出现输送容量受限，导致城区在高负荷期间不得不采取拉闸限电的措施避免线路过负荷跳闸;去年成都电网最大负荷达829万kW，创历史新高，其中成都电网多条220千伏及110千伏主干网架出现断面超限，重要线路超载运行的局面;为缓解成都电网因线路截面小导致的输电断面热稳定性差，输送容量不足带来的成都电网“卡脖子”问题，同时有效利用现有通道资源节约成本，引进一种输送容量更大同时又能耐高温的新型导线势在必行。

二、超耐热铝合金导线与普通导线性能对比

从常规型与新型导线角度导线可分为：钢芯铝绞线、耐热铝合金导线、钢芯软铝绞线、复合材料芯导线，由于成都电网于2011年7月引进耐热铝合金导线（殷钢导线），开始迈出探索新型导线应用的步伐，耐热铝合金导线安全运行周期已超过3年，也为成都电网在新型导线推广应用上积累了一定的经验，本论文将以耐热铝合金导线为论述重点，并以复合材料芯导线（碳纤维芯导线及铝基陶瓷纤维芯导线）为辅助，说明新型导线推广应用的重要意义。

1.钢芯铝绞线

我国输电的架空输电线路以LGJ系列钢芯铝绞线为主，在国际上，这类导线的应用历史已超过了100年;钢芯铝绞线中的硬铝导体的长期使用温度设计为70～90℃（我国目前设计为70℃），导电率在20℃下为61%IACS，输电容量受到了限制并且线损较大。

2.耐热铝合金导线

钢芯耐热铝合金绞线，它的导电部分用耐热铝合金线（TA1）代替了传统钢芯铝绞线中的硬铝线（HA1），把连续使用温度提高至150℃，从而使线路的输送容量大增，达到扩容的目的。

钢芯耐热铝合金绞线中的耐热铝合金线主要有导电率为58%IACS（58TA1）和60%IACS（60TA1）两种，制成的绞线分别称为58TACSR和60TACSR。

在耐热铝合金导线系列中还有导体部分用超耐热铝合金线（UTA1和ZTA1）的钢芯超耐热铝合金绞线（UTACSR和ZTACSR）、用高强度耐热铝合金线（KTA1）的钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR）等线种。几种耐热铝合金材料与硬铝线的主要性能列于表1。

表1 几种耐热铝合金材料与硬铝线的主要性能

线种 导体

型号 导电率

（%IACS） 抗拉强度

（MPa） 允许使用温度（℃）

连续 短时 瞬时

耐热铝合金线 TAl ≥58 158?183 150 180 260

60TAl ≥60 158?183 150 180 260

超耐热铝合金线 UTAl ≥57 158?183 200 230 260

ZTAl ≥60 158?183 210 240 280

高强度耐热铝合金线 KTAl ≥55 218?262 150 180 260

硬铝线 HAl ≥61 158?183 90 120 180

从表1对比结果可知：

①所有耐热铝合金线的允许使用温度比硬铝线要高得多，即使是最低的TAl，其允许的连续、短时和瞬时使用温度分别要比硬铝线高60℃～80℃;

②所有耐热铝合金线的抗拉强度与硬铝线相当，其中的高强度耐热铝合金线除了允许的连续、短时和瞬时使用温度分别要高（60～80）℃外，抗拉强度还高了60MPa左右;

③但是，所有耐热铝合金线的导电率均低于硬铝线，而且随使用温度的增加或抗拉强度的提高其导电率反而下降。

把耐热铝合金导线系列中的钢芯改为铝包钢芯后，就分别成为铝包钢芯耐热铝合金绞线、铝包钢芯超耐热铝包钢绞线和铝包钢芯高强度耐热铝合金绞线;因铝包钢具有一定的导电率，可在提供强度的同时可适当弥补钢芯耐热铝合金绞线产品导电率的不足;在应用中提高了使用温度后，因钢和铝的线膨胀系数较大，上述各种钢芯耐热铝合金绞线都存在弛度增大的问题，限制了在某些场合的应用。

殷钢具有钢的基本性能且线膨胀系数很小，用殷钢芯制成的耐热铝合金绞线在高温状态工作时弛度增量很小，如殷钢芯超耐热铝合金绞线和殷钢芯特耐热铝合金绞线等是综合性能接近理想的线种。

但是，因殷钢组份中含有大量的（约36～40%）稀贵金属镍，故价格高昂导致性价比较差。而且，超耐热铝合金和特耐热铝合金的导电率低于普通硬铝，在增容的同时却无法弥补地损失了大量电能。

3.复合材料芯导线

利用二十一世纪最新技术的有机复合材料（碳纤维或铝基陶瓷纤合导电维）替代导线的金属材料（如镀锌钢线、铝包钢线等）承力部分、即作为导线的芯线是一大进步。这种新型复合材料芯具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、蠕变小、线膨胀系数小的一系列优点。

有机复合材料芯（碳纤维或铝基陶瓷纤合导电维）可以做成象传统钢芯一样的多根绞合芯（一般为7根），若用这样的碳纤维芯，在外层绞合导电率为61%IACS的硬铝线，成为碳纤维芯铝绞线（ACFR）;在外层绞合导电率为（58～60）%IACS的耐热铝合金线，成为碳纤维芯耐热铝合金绞线（TACFR）。

碳纤维也可以做成直径稍大的单芯，在外层绞合导电率为63%的梯型软铝线，成为碳纤维芯软铝绞线（ACCC）。

碳纤维芯软铝绞线发挥了复合材料的优点，具有重量轻、强度大、弧垂小、线损少的优点，从理论上说是一种性能接近完善的理想线种，目前还处于试验阶段，主要是碳纤维棒材的寿命还需要在实际运行中得到进一步验证。美中不足的是目前ACCC的价格十分惊人地昂贵，在一般线路上应用的性价比不理想。

各类导线的综合性能比较列表，见表2。

表2 各类导线的综合性能比较表

结构 常用的

钢芯铝绞线 钢芯耐热

铝合金绞线 殷钢芯耐热

铝合金绞线 碳纤维芯

软铝绞线

导电性能 61%IACS （58?60）%IACS （58?60）%IACS 63%IACS

使用温度 70?90℃ 150℃ 150℃ 150℃以上

弧垂特性 标准值 90℃超标准值 满足标准值 小于标准值

能耗 标准值 增加 增加 减小

线损 标准值 增加 增加 减小

载流量 标准值 增（20?25）% 增100% 增100%

外径 标准值 相同 相同 减小

单重 标准 相同 相同 轻15%?20%

拉断力 标准值 相同 略小些 略大些

金具 标准金具 耐150℃金具 耐150℃金具 耐150℃金具

结构复杂

三、成都输电网新型导线典型应用实例

220KV东郊变电站是成东片区的主供电源，为了充分发挥东郊变电站在迎峰度夏期间的作用，缓解成东电网运行的紧张局面;2011年6月，成都电业局决定充分利用停运的220千伏成昭东、西线（同塔双回），并通过增容改造后的110千伏青郊线137#-147#，实现从220KV昭觉站供电到220KV东郊站的目的。

由于110kV青郊线137#-147#段塔型设计荷载有限，只能承载不超过LGJ-240/30的重量，且该工程要求工期短（从定方案到投运结束不超过一个月）属于典型的抢建工程; 同时220千伏成昭东、西线双回并单回后经单回110千伏线路输送到东郊变电站过程中，大容量、大电流与110千伏线路塔型、线径之间的矛盾是实施该工程的主要难点。

本工程通过改造110kV青郊线137#-147#横担后将原来型号为LGJ-240/30的导线更换为STACIR/AW 200?铝包殷钢线，实现单回110千伏线路带双回220千伏负荷的目的，成功解决成都城区建设用地难、电力通道输送瓶颈等现实问题的同时大大降低了工程建设成本;成为成都输电网首次使用新型导线解决实际问题的典型案例，也为成都输电网应用科技成果探索新型导线推广应用之路迈出了坚实一步。

表3 成品导线的结构和特性

Item 名称 Unit单位 Specification 参数

Cable designation 导线名称 - STACIR/AW 200?

Minimum rated tensile strength  最小抗张强度 kN 86.12

Calculated cross section area  计算断面积

Super thermal-resistant aluminum-alloy wire  超耐热铝合金线

Aluminum-clad invar wire  铝包殷钢线

Complete conductor  成品导线

?

?

?

199.21

55.60

254.81

Overall diameter *）   直径

Aluminum-clad invar wire   铝包殷钢线

Complete conductor  成品导线

mm

mm

9.54

20.70

Standard weight *）  标称重量 kg/km 920

Coefficient of linear expansion *）  线性膨胀系数

Up to transition point temperature   到转移点温度

From transition point temperature to 230℃ 从转移点温度到230℃

Above 230℃   230℃以上

1/℃

1/℃

1/℃

15.1 x10-6

3.7 x10-6

10.8 x10-6

Maximum Operating temperature

最高运行温度 Continuous    长期 ℃ 210

for emergency  短时 ℃ 240

Calculated current carrying capacity *）

计算持续载流量 Continuous    长期 A 1，144

for emergency  短时 A 1，239

表4 STACIR/AW 200?铝包殷钢芯超耐热铝合金线传输容量

导线温升（℃） 导线温度（℃） 载流量（A） 交流电阻（Ω/km）

80 120 793 0.1937

90 130 840 0.1992

100 140 885 0.2047

110 150 927 0.2103

120 160 966 0.2158

130 170 1，004 0.2213

140 180 1，041 0.2268

150 190 1，076 0.2324

160 200 1，110 0.2379

170 210 1，144 0.2434

后续案列：成都电网110千伏侯西、沙西以及110千伏侯红线等重要线路均使用了铝包殷钢导线，大大提高了城区输电网输电能力;同时于2013年9月在220千伏金侯一、二线及220千伏圣石一、二线分别引入了碳纤维芯导线及吕基陶瓷纤维芯导线;新型导线越来越多的应用在各大城市输电网络中，为它的推广应用积累施工运行经验。

型号为STACIR/AW 200?铝包殷钢线及普通导线特性对比。

该导线材质是一种镍铁合金及均匀连续附着在其表面的铝层构成，具体特性如表3所示。

从表3看出殷钢导线有以下优点：（1）计算持续载流量大：型号为STACIR/AW 200?的殷钢导线（计算质量及截面与LGJ-240相当）长期持续载流量达到1144 A;（2）运行温度高：长期最高运行温度达到210℃;（3）殷钢具有钢的基本性能且线膨胀系数很小，用殷钢芯制成的耐热铝合金绞线在高温状态工作时弛度增量很小，当运行温度在230℃以下时弧垂受温度变化影响小。

STACIR/AW 200?铝包殷钢芯超耐热铝合金线传输容量如表4所示。

裸导线的安全载流量（持续容许负荷，A）如表5所示。

从表5不难看出：当殷钢导线运行在210℃时载流量达到1144A，输送容量接近双回LGJ-400的输送容量;而导线截面仅为254.81?，比LGJ-240/30的计算总截面275.96?还要小，计算质量为920 kg/km比LGJ-240/30的计算质量922.2kg/km还轻。

以上数据对比不难发现，在不改变输电线路路径，也几乎不必改造增强铁塔，只需要更换新型导线，线路就能输送更多的电能，达到线路增容的目的。

四、新型导线实际运行中存在的几点问题

一是由于新型导线与传统导线相比，在结构上及材料上均有不同，导致新型导线在特性参数发生了较大的变化，以殷钢导线为列，该导线在不同温度下有不同的线性膨胀系数，导致该类导线在应力弧垂计算过程中不能使用软件计算，增加了理论分析计算难度。

二是新型导线的各种金具均要求能耐高温的特殊金具，且施工过程也有一系列特殊要求施工工艺较为复杂，不利于推广应用。

三是运行经验及技术标准缺乏且新型导线出现缺陷后没有与之配套的防护金具进行修补，不利于开展检修工作。四是由于新型导线价格昂贵，运行单位一般不单独准备备品备件，遇到紧急情况后，各项抢修工作受厂家供货周期因素影响大。

五、结束语

近年，城市发展日新月异，城区电力负荷供需矛盾日渐成为不可忽视的矛盾，因此为解决城市用地难，新建输电通道阻挡多等现实问题，大力推广应用新型导线刻不容缓。但就以上分析情况看广泛推广新型导线还存在一定的困难，只有继续研制成本低廉、性能优良、施工简便的新型增容导线才能大范围推广使用，充分发挥新型导线的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]孟遂民.架空输电线路设计[M].北京：中国电力出版社，2001.

[2]陈祥和，田启华.输电杆塔设计[M].北京：中国电力出版社，2001.

[3]华东电力设计院，DL/ 5092-1999110～500kV架空送电线路设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，1999.

作者简介：

陈浪蛟（1986—），男，四川成都人，大学本科，国网天府新区供电公司输电运检专责。

马志方（1985—），女，四川成都人，大学本科，四川省电力公司检修公司输电检修中心带电作业专责。