基于原杆塔导线更换为耐热导线的研究

向 鹏，马文锦，谭新玉，林 玉，郑 伟，孔 秋

（1.三峡大学 材料与化工学院，湖北宜昌443000；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌443000；3.新能源微电网湖北省协同创新中心（三峡大学），湖北 宜昌443000；4.三峡大学 土木与建筑学院，湖北宜昌443000；5.国家电网襄阳供电公司经济技术研究所，湖北襄阳441000）

0 引 言

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］。当时变电站出线至数公里外的角钢塔四周为空地，如今伴随城市建设的发展，出站附近线路周围已建满了房屋，新建线路需要继续采用原有线路通道才能出线，加上变电站周围已再无新的通道可走线。这是一个在线路设计过程中常遇到的问题。随着导线技术的不断发展，如今线路可以利用旧的杆塔挂新型的增容导线避免线路杆塔的推倒重建，只需要更换线路导线。

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。

本文详细介绍了间隙型耐热导线、殷钢耐热导线、碳纤维导线、铝基陶瓷纤维芯软铝绞线四种导线的增容比较以及其他参数，并通过襄阳市某几条线路的实际情况来分析使用耐热导线的优势，从而使此次整改的经济效益达到最优，并为日后耐热导线的选择与应用奠定了理论与实际基础。

1 耐热导线的比较

1.1 各类增容导线比较

增容导线是在架空输电线路上使用的特种导线，它是在具有相等导体截面积的情况下，相对于传统的钢筋铝绞线ACSR（Aluminum Conductor Steel Reinforced）能输送更多电能的若干种类导线的总称。“增容导线”目前尚不能作为专有术语，而是一种习惯称谓，行业内也有人将其俗称为“倍容量导线”或“高温导线”。

目前国内存在的增容导线主要有间隙型耐热导线GTACSR（Gap-Type Aluminum Conductor Steel Reinforced）、殷钢耐热导线Invar（Invar heat resistant wires）、碳纤维导线 ACCC（Aluminum Conductor Composite Core）、铝基陶瓷纤维芯软铝绞线ACCR（Aluminum Conductor Ceramic Reinforced）四种［4-5］，分别如图1～图4所示。

图1 间隙型耐热导线(GTACSR)

图2 殷钢耐热导线(Invar)

图3 碳纤维导线(ACCC)

图4 铝基陶瓷纤维芯软铝绞线(ACCR)

由于增容导线主要是靠提高导线的温度来提高导线的载流量，从而提高输送容量。所以增容导线一般都是耐高温的，也称为耐热导线［6］。

一般导线LGJ钢芯铝绞线连续工作温度极限工作温度为70℃～100℃，而增容导线连续工作温度与极限工作温度为150℃～240℃［7-8］。

下面就这几种导线进行比较，列举同等截面积下的导线进行比较。例如一条线路原来所挂的导线是LGJ-400的，现在需要更换耐热导线。具体参数如表1所示。

表1 几种导线的参数对比

由此表可以看出重量最轻的是陶瓷纤维导线（ACCR），抗拉能力最强的是碳纤维芯导线（ACCC）。

1.2 ACCR与其他增容导线的比较

（1）ACCR与间隙型导线（GTACSR）比较：间隙型导线线胀系数以及重量均比ACCR大；载流量比ACCR小。结论：a.GTACSR弧垂不能满足要求，需要新建部分杆塔。b.载流量增容较小。c.抗腐蚀性比ACCR差。d.由于拐点温度低，安装比ACCR要复杂。

（2）ACCR与殷钢导线（ACSS／XTACI）比较：殷钢导线重量比ACCR大；殷钢导线拉断力比ACCR小。结论：a.虽然ACSS／XTACI线胀系数小，但由于其重量大、张力小，导致弧垂不能满足要求，需要新建部分杆塔。b.殷钢导线抗腐蚀性差，ACCR不会发生腐蚀。c.殷钢导线载流量比ACCR小。

（3）ACCR与碳纤维导线（ACCC）比较：①同等直径情况下，ACCR比ACCC轻12%。ACCC使杆塔承受力过大，缩短杆塔使用寿命；ACCR可减少杆塔受力，延长杆塔使用寿命。②ACCC复合芯是有机物，运行过程容易老化；ACCR复合芯是无机物，性能稳定。③ACCC复合芯不导电，在短路大电流下，鸟笼现象严重；ACCR均可以导电，能够承受较大的短路电流。④ACCC结构和组合方式完全颠覆了对架空裸导线的导电认识。ACCC容易出现高温下的裂纹和“竹节”现象，经过实验分析发现碳纤维耐热导线运行温度不宜超过160℃，且仅在N-1状态下运行［9-11］。

对比总结如表2所示。

表2 ACCR与几种导线性能对比

通过表2可以看出几种导线中，陶瓷纤维导线ACCR的性能更加稳定。在条件允许的前提下，工程应用中可以优先使用此种导线。

2 实际工程应用

2.1 韩岗-鹿头110 kV线路工程

由于110 k V韩孙线建于1990年，当时从韩岗变出线时韩岗变四周为空地，而现在韩孙线靠近韩岗变附近约4公里的线路完全成为市区。该线路始建时考虑出站口附近的双回塔靠近房屋侧，由于房屋离塔太近已不能挂线。且线路始建时选用的杆塔仅能挂LGJ-150的导线，新建至鹿头的线路必须对该段线路进行改造，利用原走廊，原本采用架设单回导线为LGJ-240的钢管杆线路，与新建的角钢塔线路相接，这样形成韩岗至鹿头导线为LGJ-240的单回线路。然而LGJ-240和LGJ-150导线选用的杆塔不一样，在城区拆除旧塔采用钢管杆实施非常麻烦，且工程投资大，施工周期长。在考虑到各种情况的前提下，该工程决定采用耐热导线替换原导线。

根据负荷情况及输送容量需求，本次架空导线新建部分选择为LGJ-240／30导线，在经济电流密度取1.15 A／mm2情况下，单导线输送电力容量为52.5 MVA，最大输送容量为88.6 MVA；改造部分选择ACCR-150型耐热导线，在120℃运行温度下载流量可达582 A，150℃温度下可达678 A，大于 LGJ-240／30导线在70℃时445 A的载流量，可满足鹿头变的输送容量需求。

该双回杆塔建设前，周围的房屋还未形成，现在面向大号侧右侧横担已不能挂导线，不能满足风偏情况下导线对房屋的安全距离要求，如今解决办法为更换左侧横担导线。更换成耐热导线后，线路运行正常，输送容量得到了1.5～2倍的提高。此次更换满足了输送容量的要求，且线路施工周期短，大大节省了工程投资。

2.2 襄樊电厂-余岭Ⅱ回(原线路增容改造)

（1）设计原则：①根据系统要求，余襄线中LGJQ-400 mm2导线线路需要进行增容改造，使其最大输送功率达到400 MW。②遵守原线路的设计气象条件和杆塔使用条件，导线选择尽量与原导线参数相当。③杆塔校验执行《架空送电线路设计技术规程》（SDJ3-1979）。④针对本线路已投运多年，杆塔和基础老化严重，而本线路段尚有38基拉线塔，其杆塔在建设时均按最大风速25 m／s设计，其杆塔情况尚需评估。为了确保线路运行安全，在投资允许的范围内建议逐步更换拉线塔为自立塔。

（2）换线段导线选型根据系统要求，对余襄线进行增容改造后，使其最大输送功率达到400 MW，对应换线导线极限输送容量时的载流量为1 000 A。根据上述要求，本工程初选铝包钢芯耐热铝合金绞线和碳纤维复合芯导线两种增容导线进行比选。①换线所选导线计算条件：a.在环境温度40℃，风速0.5 m／s，辐射系数0.9，日照强度1 000 W／m2条件下，导线载流量为1 000 A时的相应温度下弧垂与LGJQ-400型钢芯铝绞线70℃相当；b.导线最大使用张力接近原LGJQ-400型导线最大使用张力；c.导线水平荷载和垂直荷载不超过原杆塔设计使用条件；d.导线最大弧垂按实际升温考虑。弧垂对地安全距离非居民区取6 m，居民区取7 m。e.满足电晕要求，导线截面不小于400 mm2。②载流量比较：比较结果为陶瓷纤维导线更加耐高温、载流量相对来说更大。③导线弧垂校核。比较更换导线在载流量达到1 000 A时温度下的弧垂和原线路导线在高温70℃时的弧垂。

表3为导线弧垂对比。从表3可以看出：本工程线路更换ACCR型导线后，导线温度为105℃，导线载流量为1 000 A时，代表档距400 m时ACCR比LGJQ-400型钢芯铝绞线70℃最大弧垂小0.3 m左右，500 m时ACCR型导线最大弧垂比LGJQ-400型钢芯铝绞线70℃减小更多。采用ACCR型导线可满足弧垂要求。若采用ACCR型导线需根据断面情况，局部增加杆塔以满足导线对地对新建房屋距离的要求。

表3 导线弧垂对比表

（3）成本比较：若将原220 k V线路更换更换为2×LGJ-300导线及其对应的杆塔，单公里造价在109.61～118.96万元，而更换为ACCR-400型导线，明显比推到重建杆塔和导线便宜。

（4）风险与建议：由于建成时间较长，原线路已经运行多年，铁塔钢材基础钢筋可能发生了一定程度的锈蚀，混凝土可能发生了一定程度的碳化，为保证工程的可靠度，应对原有线路杆塔构件及基础的力学性能等有关参数进行检测并进行专题研究。

3 总 结

耐热导线主要应用于扩容改造、大跨越的架空线路中。其技术主要是通过提高导线允许温度，在温度增高的同时增大了导线电阻，从而增加了线路的功率损耗，进而提高了线路的输送容量。但是与此同时，由于温度的增高，也必然会增加线路损耗，增加运行费用；并且还需使用耐热金具来解决温度升高对线路的弧垂和金具的影响，必要时还要加大线路对地的高度。因此在采用耐热导线技术时要权衡利弊，合理使用。

在本文中，由于特殊的地理位置原因，在城区拆除旧塔采用钢管杆实施非常麻烦，且工程投资大，施工周期长。通过两个工程实例可以看出，采用耐热导线使线路的输送能力得到了提高，大大缩短了工期，且经济效益达到了最佳化。从上述研究可以看出，耐热导线长期运行温度在110℃～130℃时，单位输送容量所需费用最少，经济效益最好。

［1］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.

［2］熊信银，朱永利.发电厂电气部分（第3版）［M］.北京：中国电力出版 社，2004.

［3］马国栋.电线电缆载流量［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［4］尤传永.耐热铝合金导线的耐热机理及其在输电线路中的应用［J］.电线电缆，2004，（4）：3-8.

［5］刘俊勇，罗 文.用于架空输电线的不同耐热导线的比较分析［J］.电网与清洁能源，2011，（27）3：29-33.

［6］刘长青，张学哲，刘胜春，等.提高导线运行允许温度若干问题的探讨［J］.电力设备，2004，8：23-24.

［7］方 浩.铝包钢绞线、铝合金导线的性能介绍［J］.华东电力，2003，（9）：63-66.

［8］Zamora，I Mazon，A J Eguia，et al.High-temperature conductors：a solution in the uprating of overhead transmission lines［C］.Power Tech Proceedings，2001，（4）：1-6.

［9］许大成，黄欲成.耐热铝合金导线在实际工程中的应用［J］.2011，27（11）：68-71.

［10］黄伟中，叶鸿声.耐热铝合金导线在500 k V输电线路中的应用［J］.电网建设新技术，2005，（8）：1-8.

［11］吴国宏，谷俊秀.高温低弧垂导线配套金具的试验研究［J］.电力建设，2005，26（4）：32-34.