特高强度钢芯高强度耐热铝合金绞线在大跨越增容改造工程中的应用

齐敦金，王克银，许 彦

（国网经济技术研究院有限公司徐州勘测设计中心，江苏 徐州 221005）

0 引言

依据电网发展规划，为满足地区负荷增长需求，优化和加强220 kV 电网结构，提高电网输送容量，需对永胜—绍隆、普庆—绍隆220 kV线路夹江大跨越段的LHBGJ-400/95 钢芯铝合金芯导线进行增容改造。

该工程位于扬中市夹江江边，已运行15 年，采用“耐-直-直-耐”布置，跨越档距999 m，南侧锚塔距离跨越塔359 m，北侧锚塔距离跨越塔323 m，均位于平地。耐张段全长1 681 m，为同塔双回路架设。夹江跨越塔均为直立双回柔性拉条钢管塔，全高113 m，呼高90 m；导线为单根LHBGJ-400/95 加强钢芯铝合金绞线，架空地线为OPGW（光纤复合架空地线）复合光缆。

经核算，若将该耐张段整体新建，动态投资约需4 000 万，且夹江跨越段附近机场对新建线路的限高要求，水利管理部门对新建跨江线路的审核要求，均会制约工程建设。为节约工程投资，考虑利用原线路铁塔、基础进行增容导线更换。

基于工程改造需求，本文调查了国内一些大跨越工程和增容工程导线选型情况。根据我国几十年来的大跨越输电设计经验，目前广泛应用于大跨越输电工程的导线主要有钢芯铝合金绞线、高强钢芯（耐热）铝合金绞线、特强钢芯（耐热）铝合金绞线、特强钢芯高强铝合金绞线以及铝包钢绞线等[1]。用于大跨越增容改造工程的导线主要有：葛沪±500 kV 直流输电线路吉阳大跨越采用的2×KTACSR/EST-630/360 特强钢芯高强耐热铝合金导线[2]；葛洲坝—白家冲220 kV 大跨越采用的ACCC-300/60 碳纤维复合芯导线[3]；江都—晋陵500 kV 线路镇江大跨越采用的NRLH55/G5A-360/150 特高强度钢芯高强度耐热铝合金绞线；钟山—东渡220 kV 跨海通道增容改造用的KTACSR/UGS-407 超强钢芯高强耐热铝合金绞线[4]等。

结合大跨越工程案例和原线路的设计条件，本文规划设计特强钢芯高强耐热铝合金绞线JNRLH2/G5A-360/80、特强钢芯高强耐热铝合金绞线JNRLH2/G4A-360/100、碳纤维复合芯铝绞线JLRX/T-400/65 等3 种导线用于220 kV 大跨越工程增容改造。基于本工程增容需求、原线路杆塔设计条件、跨越夹江弧垂和线路防雷导地线间距要求等因素，经比选论证，推荐JNRLH2/G4A-360/100 特强钢芯高强耐热铝合金绞线用于本工程夹江大跨越。为确保大跨越导线安全运行，做好其微风振动防治工作，进行了导线自阻尼试验和防振锤功率特性试验分析，为夹江大跨越工程的跨越档、锚线档提供了合理的防振方案。经核算，本工程大跨越段增容改造动态投资约200万，相较于新建整个耐张段，节约工程投资约3 800万。而且减小了施工难度和政策处理难度，大大减少了停电时间，极大方便了工程顺利投运。

1 增容导线选型边界条件

本工程利用原线路铁塔和基础，仅更换导线，避雷线保持不变。因此，本工程主要原则是按照原线路设计条件执行，考虑本工程增容目标，归纳增容导线选型边界如下：

（1）根据最新国网江苏电力公司潮流分布数据，至2030 年，N-1 状态下系统要求本线路最大输送容量在320～340 MVA，考虑负荷预测计算误差，推荐按照每回输送容量达到420 MVA 进行导线选型。

（2）根据原江苏海事局批文中夹江通航要求，导线弧垂最低点56 年黄海标高不低于26.68 m。

（3）根据DL/T 5485-2013《110～750 kV 架空输电线路大跨越设计技术规程》[5]有关规定，校验气温＋15 ℃且无风、无冰时档距中央导线与地线的最小距离大于12 m。

（4）根据原线路杆塔设计条件和上述边界条件，要求新规划导线机械特性和电气特性满足表1 要求。

表1 新规划导线主要技术要求

2 增容导线特性分析与比选

依据原线路设计文件、国内一些大跨越工程导线选型情况、相关技术标准[6-7]、导线厂家技术资料，对JNRLH2/G5A-360/80 特强钢芯高强耐热铝合金绞线、JNRLH2/G4A-360/100 特强钢芯高强耐热铝合金绞线、JLRX/T-400/65 碳纤维复合芯铝绞线等3 种导线进行比选。

2.1 特强钢芯高强耐热铝合金绞线

特强钢芯高强耐热铝合金绞线具有强度高、拉重比大、弧垂特性好的特点[8]。本文推荐的导线采用4 级和5 级强度镀锌钢线，绞前抗拉强度分别大于1 820 MPa 和1 910 MPa，1%伸长应力大于1 550 MPa，A 级镀锌层，保证了绞线的拉重比。高强度耐热铝合金是耐热性能好，具有高强度双重特性的电工用铝合金导体材料，该铝合金制成的导线具有使用温度高、耐热性好、载流量大的特点[1]。本文推荐的导线采用NRLH2 等级的高强耐热铝合金绞线，抗拉强度大于238 MPa，伸长率最小值为1.8%，最小导电率55%IACS（国际退火铜标准），允许连续运行温度为150 ℃[8]。因此，特强钢芯高强耐热铝合金绞线适合于大跨越及其增容改造线路工程。

2.2 碳纤维复合芯铝绞线

碳纤维复合芯铝导线具有强度大，耐热性能好，高温时温度线膨胀系数小、高温弧垂小、载流量大、相同铝截面单重小等优点[9-10]。本文推荐的导线采用碳纤维复合材料芯作为主要承力部件，额定抗拉强度大于2 100 MPa，绞线的拉重比大；外层导体采用软铝型线绞线，额定抗拉强度为60～90 MPa，最小导电率63%IACS，允许连续运行温度为160 ℃。碳纤维复合芯导线已在一些220 kV 和500 kV 线路工程上累积了数年应用经验[11]，且有大跨越增容改造工程案例[3，12]，因此本工程也将其作为比选导线。

2.3 增容导线比选

本文给出了原线路导线和3 种比选导线详细技术参数（见表2），从技术参数上看，它们的导线机械特性均能够满足技术要求。计算得到各种导线载流量见表3，按照载流量分析，3 种导线电气特性也能够满足工程增容目标。

表2 导线技术参数

表3 导线载流量计算

根据原线路技术条件，原导线设计最高运行温度为90℃。新规划导线最高运行温度均不低于150 ℃，在满足输送容量要求情况下，几种导线弧垂情况见表4。从表4 可以看出，新规划导线弧垂均不超过原线路弧垂。

表4 导线最大弧垂对比（档距999 m）

从电气特性分析，推荐的3 种导线均满足本工程使用要求。根据中华人民共和国电力行业标准DL/T 5485—2013[5]有关规定，校验气温＋15 ℃且无风、无冰时档距中央导线与地线的距离。

表5 给出了几种导线年平均运行条件下的弧垂。经计算，JLRX/T-400/65 在当前计算条件下不满足要求，可通过放松导线、增大弧垂来满足导地线间距离要求，但碳纤维导线施工缺陷不易发现且后果严重[12]，且现役线路中发生过碳纤维导线断线情况，考虑大跨越工程的重要性，故不推荐使用。

表5 年平均运行条件下导线弧垂对比（档距999 m）

参照国内大跨越工程案例，绝大多数采用钢芯铝合金（耐热铝合金）绞线，钢芯主要采用G3A及EST 强度等级的镀锌钢线[8]。本工程所选用的特强钢芯高强耐热铝合金绞线JNRLH2/G5A-360/80 和JNRLH2/G4A-360/100 虽然都满足技术要求，但考虑到JNRLH2/G4A-360/100 输送容量略有优势，单价稍低，故推荐特强钢芯高强耐热铝合金绞线JNRLH2/G4A-360/100 用于本工程。

3 防振方案设计与试验分析

大跨越工程的导线防振装置一般是通过逐个试验研究确定的，由于存在下列多个因素，本工程大跨越档增加了导线防振工作的困难。

（1）本工程跨越档距长，导线弧垂较大，达到58.5 m。由于是原线路增容改造，为控制导线弧垂，张力与原线路持平，年平均运行张力为20.5%，张力大、单导线这2 个因素将会导致导线自阻尼降低，从而加大导线的微风振动。

（2）本工程跨越夹江，所处位置地形开阔，障碍物少，容易形成稳定层流，致使导线容易形成稳定的振动并且持续时间也增加。本工程较陆上段风速增加10%，为30 m/s。

根据本文所选定的增容导线，参照现有大跨越工程案例，本次防振方案采用防振锤加阻尼线的联合防振措施。对阻尼线进行剥层处理，以降低阻尼线夹处导线的动弯应变值，同时改变阻尼线夹的响应频率，改善防振方案的频响特性。在悬垂线夹出口处安装防振锤以加强防振方案低频防振效果，通过防振锤和阻尼线的联合使用可使整个防振方案性能达到最佳。具体防振方案见表6 和表7。

表6 跨越档防振方案

表7 锚线档防振方案

针对本工程防振方案设计，需进行试验验证。根据Q/GDW 245—2010《输电线路微风振动检测装置技术规范》[13]附录A，导线各夹固点的最大动弯应变小于120 με。试验过程中，分别设计了2种防振方案进行试验比选，阻尼线线夹出口试验结果见表8 和表9。通过对试验结果数据整理分析，绘制防振方案频响特性曲线见图1、图2。

图2 导线锚线档频响特性曲线

表9 锚线档防振试验数据汇总

由表8 可知：方案2 悬垂线夹出口处最大动弯应变出现在频率14.31 Hz 处，为61 με；阻尼线线夹出口处最大动弯应变出现在频率60.84 Hz处，为112 με。从图1 频响特性曲线看，跨越档所设计导线防振方案均能满足设计防振要求，方案2 整体较优，推荐采用。

图1 导线跨越档频响特性曲线

表8 跨越档防振试验数据汇总

由表9 可知：方案2 耐张/悬垂线夹出口处最大动弯应变出现在频率30.101 Hz 处，为46 με；阻尼线线夹出口处最大动弯应变出现在频率46.23 Hz 处，为79 με。从图2 频响特性曲线看，所设计导线防振方案均能满足设计防振要求，方案2整体较优，推荐采用。

4 结语

本文结合原线路设计条件，围绕工程增容目标，参考国内一些大跨越工程导线选型情况，对JNRLH2/G5A-360/80 特强钢芯高强耐热铝合金绞线、JNRLH2/G4A-360/100 特强钢芯高强耐热铝合金绞线、JLRX/T-400/65 碳纤维复合芯铝绞线等3 种导线进行比选，推荐JNRLH2/G4A-360/100 特强钢芯高强耐热铝合金绞线用于本工程增容改造，可节省大量工程投资，缩短停电时间，提供更加经济合理的解决方案。

大跨越工程本身导线选型难度大，增容改造更加困难，在满足对下方江面跨越距离和上方地线防雷距离的严苛要求下，选择增容改造用导线则面临诸多的技术难题。目前，国内已有的此类工程案例大多所选导线容量增加30%～60%[2-3]，本文所采用的JNRLH2/G4A-360/100 特强钢芯高强耐热铝合金绞增容近70%，具有推广应用价值。