螺頭水道大跨越導(dǎo)線的選型及應(yīng)用

王軼文，姚耀明，張彤，金紅明

(1．浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州市，310012;2．浙江省電力公司，杭州市，310007)

0 引言

舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程于2010年7月順利投產(chǎn)，是連接舟山和寧波兩地的架空線路通道。螺頭水道大跨越是其中最核心的組成部分，跨越北起舟山市大貓山島，南至寧波市外峙島，采用“耐—直—直—直—耐”跨越方式，跨越全長(zhǎng)6 215 m，最大跨距2 756 m。

螺頭水道大跨越是一個(gè)創(chuàng)紀(jì)錄的工程:

(1)大跨越塔高度370 m創(chuàng)世界第一;

(2)大跨越檔距2 756 m創(chuàng)亞洲第一;

(3)大跨越耐張段長(zhǎng)度6 215 m創(chuàng)亞洲第一。

在大跨越設(shè)計(jì)中，導(dǎo)線的選擇與研制是首要的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，直接決定了工程跨越方案及建設(shè)規(guī)模［1-5］。螺頭水道大跨越的建設(shè)中，我們堅(jiān)持以國(guó)產(chǎn)和現(xiàn)階段的生產(chǎn)能力為主要原則，通過試制和試驗(yàn)，選擇了JLB23－380鋁包鋼絞線作為大跨越導(dǎo)線并在工程中獲得了成功應(yīng)用?，F(xiàn)將工程建設(shè)中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下，供今后工程參考。

1 導(dǎo)線選型

螺頭水道大跨越斷面如圖1所示。

圖1 螺頭水道大跨越斷面示意圖Fig.1 Cross-section of large crossing of Luotou watercourse

由于2 756 m跨距和6 215 m耐張段長(zhǎng)度，以及螺頭水道國(guó)際航道的通航要求，對(duì)大跨越導(dǎo)線選型提出了極其嚴(yán)格的要求。與普通導(dǎo)線相比，大跨越導(dǎo)線需要具有下列特性:(1)更好的弧垂特性。由于大跨越的耐張段較長(zhǎng)，加上跨越的江、海又有通航要求，且工作環(huán)境惡劣，風(fēng)載較大，因此對(duì)導(dǎo)線的弧垂特性要求很高。(2)良好的電性能和耐較高工作溫度的性能以滿足載流量的要求。(3)較好的抗振動(dòng)疲勞性能和耐腐蝕性能。

在滿足載流量的前提下，選擇具有較高的弧垂特性的導(dǎo)線可以有效地減小弧垂，降低塔高及工程投資。據(jù)測(cè)算，對(duì)于全高超過200 m的跨越塔，導(dǎo)地線荷載僅占桿塔總荷載30%左右，且隨著塔高的增加，比例會(huì)進(jìn)一步降低。因此，選用弧垂特性好的導(dǎo)線以降低塔高是螺頭水道大跨越導(dǎo)線選型的首要目標(biāo)。

國(guó)內(nèi)已建成的一些較大規(guī)模跨越工程，選用導(dǎo)線弧垂特性一般在15 km以上［6-8］，按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可選的導(dǎo)線類型有高強(qiáng)度鋼芯(或鋁包鋼芯)鋁合金(或耐熱鋁合金)絞線、鋁包鋼絞線、鋼芯鋁包鋼絞線等。其中高強(qiáng)度鋼芯鋁合金(或耐熱鋁合金)絞線具有載流量大、弧垂特性好的優(yōu)點(diǎn)，近年來在國(guó)內(nèi)外大跨越中得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)也較為成熟。

鋁包鋼絞線的主要優(yōu)點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度比高強(qiáng)度鋼芯鋁合金絞線更高，接近于鋼絞線，而載流能力又比鋼絞線大，防銹性能好［9-10］。但這種導(dǎo)線用于交流線路時(shí)，交直流電阻比較大，載流能力難以提高，電能損耗大。隨著國(guó)內(nèi)鋁包鋼絲制造技術(shù)的提高，可以很精確地調(diào)整包鋁的厚度，改變鋁包鋼單絲以及鋁包鋼絞線的鋁鋼比和整體強(qiáng)度。目前，國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)鋁包鋼絞線的廠家已有多家，且絞線質(zhì)量也比較穩(wěn)定，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格齊全，導(dǎo)電率有:14%、20.3%、23%、27%、30%、35%、40%7種，弧垂特性在12.9～18.9之間，可選擇的余地比較大。

具體到本工程，高強(qiáng)度鋼芯鋁合金絞線應(yīng)用于2 000 m以上的特大跨越檔距時(shí)，由于其大風(fēng)臨界代表檔距較鋁包鋼絞線小的多，其弧垂性能與鋁包鋼絞線相差較大。以螺頭水道大跨越2 756 m檔距為例，江蘇江陰長(zhǎng)江跨越選用的日本鋼芯鋁合金導(dǎo)線AASCR－500/230，其弧垂性能與導(dǎo)電率30%的鋁包鋼絞線相當(dāng)，但與導(dǎo)電率20%、23%和27%的鋁包鋼絞線相比，弧垂特性相差較多。且為了獲得大檔距下較好的弧垂特性，高強(qiáng)度鋼芯鋁合金絞線總截面均需在700 mm2以上，實(shí)際上，螺頭大跨越耐張段長(zhǎng)6 215 m，其導(dǎo)線整根制造長(zhǎng)度將達(dá)到6 500 m左右，對(duì)于大截面的高強(qiáng)度鋼芯鋁合金絞線，國(guó)內(nèi)廠家現(xiàn)有生產(chǎn)能力不可能實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于鋁包鋼絞線，雖然交直流電阻比大，載流能力較小，但由于本工程屬于聯(lián)網(wǎng)線路，設(shè)計(jì)載流量并不大，鋁包鋼絞線也可滿足工程需要。鋁包鋼絞線在滿足制造長(zhǎng)度6 500 m的條件下，單根導(dǎo)線截面不能突破420 mm2，故在滿足輸送容量的前提下，采用四分裂子導(dǎo)線布置可滿足工程需要。故最終在小截面鋁包鋼絞線中選取，經(jīng)過對(duì)導(dǎo)電率在20% ～27%范圍內(nèi)的鋁包鋼絞線進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終選定了JLB23－380鋁包鋼絞線。

2 鋁包鋼絞線使用溫度

導(dǎo)線允許使用溫度對(duì)導(dǎo)線載流量影響極大，在確保安全可靠的前提下合理地提高導(dǎo)線允許運(yùn)行溫度，可有效地提高單位截面導(dǎo)線輸送容量，節(jié)約工程投資，對(duì)螺頭水道這樣特大規(guī)模的跨越，影響尤其明顯。長(zhǎng)期以來，對(duì)于鋁包鋼絞線的運(yùn)行問題各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不一，我國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，大跨越線路鋁包鋼絞線最高連續(xù)運(yùn)行允許溫度為100℃，而按日本標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到200℃，之間存在較大的差異。

我們對(duì)此進(jìn)行了專門的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中，將5種規(guī)格的鋁包鋼絞線分別加熱至不同溫度并保持100 h后冷卻至常溫，再分別進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、l%伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，國(guó)產(chǎn)鋁包鋼絞線的抗拉強(qiáng)度及l(fā)%伸長(zhǎng)應(yīng)力，在200℃溫度下持續(xù)100 h后均有所提高。經(jīng)分析，這是因?yàn)殡m然烘制溫度未達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)的退火溫度，但由于時(shí)間累積效應(yīng)，在一定程度上有調(diào)質(zhì)的作用，所以烘后的抗拉強(qiáng)度較常溫時(shí)的要高。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以知道，除了JLB23－465這一個(gè)規(guī)格外，其余規(guī)格的導(dǎo)線未見影響其扭轉(zhuǎn)性能的變化。而JLB23－465導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)性能的降低，也屬個(gè)別現(xiàn)象，可能因單絲直徑較大引起，所以在生產(chǎn)時(shí)，不宜將單絲直徑做的太大。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)專家評(píng)審，最終確定螺頭水道大跨越導(dǎo)線溫度按130℃進(jìn)行設(shè)計(jì)。事實(shí)上，這是由于選用的鋁包鋼絞線JLB23－380在130℃時(shí)已可滿足輸送容量要求，其允許運(yùn)行溫度尚有進(jìn)一步提高的空間。

3 鋁包鋼絞線交直流電阻比

交流電阻和交直流電阻比是計(jì)算導(dǎo)線載流量的一個(gè)重要參數(shù)，特別是對(duì)新型導(dǎo)線，由于沒有使用經(jīng)驗(yàn)，又沒有能比較準(zhǔn)確計(jì)算導(dǎo)線交流電阻的方法，使獲得該參數(shù)的困難增加。尤其對(duì)于鋁包鋼絞線，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)的載流量分析報(bào)告和有關(guān)文獻(xiàn)中，對(duì)交流電阻的測(cè)量一般不作描述，通常認(rèn)為鋁包鋼絞線交直流電阻比鋼芯鋁絞線稍大，在1.15左右。但這個(gè)數(shù)據(jù)與國(guó)外的相關(guān)資料差距較大，如日本有試驗(yàn)結(jié)論認(rèn)為鋁包鋼絞線交直流電阻比在1.5～1.7之間。

為解決長(zhǎng)期以來國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和制造界對(duì)鋁包鋼絞線輸送能力的困惑，更好地支持螺頭水道大跨越的設(shè)計(jì)，我們對(duì)包括JLB23－380導(dǎo)線在內(nèi)的5種規(guī)格的鋁包鋼絞線進(jìn)行了載流量等一系列機(jī)電性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)中參考了IEC 61284:1997中有關(guān)金具和導(dǎo)線能耗測(cè)量的方法，先測(cè)量導(dǎo)線的電流、電壓降和有功損耗，再計(jì)算交流電阻。多次核算和驗(yàn)證表明:利用該方法獲得的數(shù)據(jù)是可靠的。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，我們發(fā)現(xiàn)了鋁包鋼絞線交直流電阻比變化的規(guī)律。開始階段，交直流電阻比隨著電流的上升而增大，而當(dāng)導(dǎo)線中的電流達(dá)到一定數(shù)值后，由于磁飽和使磁滯損耗增長(zhǎng)變慢，交直流電阻比減小。試驗(yàn)結(jié)果表明:與鋁絞線、鋼芯鋁絞線、鋁合金絞線等相比，鋁包鋼絞線的交直流電阻比高出很多，其最大值可達(dá)到1.8。

在獲得交直流電阻比的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)后，我們利用載流量試驗(yàn)時(shí)獲得的環(huán)境參數(shù)和實(shí)測(cè)的導(dǎo)線外徑、直流電阻等參數(shù)，對(duì)交直流換算系數(shù)進(jìn)行迭代，考慮到試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量不確定度，要求計(jì)算值和試驗(yàn)值的誤差控制在3%以內(nèi)。經(jīng)多次迭代，對(duì)鋁包鋼絞線而言，實(shí)測(cè)交直流電阻比k與交直流換算系數(shù)K間存在著如下關(guān)系:K=0.61(k－1) (1)

上述的試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁包鋼絞線的交直流電阻比實(shí)際上要遠(yuǎn)大于以往試驗(yàn)的測(cè)定值，此結(jié)論也與日本的有關(guān)報(bào)告一致。因此，在螺頭水道大跨越JLB23－380鋁包鋼絞線載流量分析時(shí)，交直流電阻換算系數(shù)按照測(cè)定值，根據(jù)公式(1)換算后取值為1.47。

4 導(dǎo)線制造

相比普通大跨越導(dǎo)線，螺頭水道大跨越導(dǎo)線JLB23－380具有單線強(qiáng)度要求高、大跨越耐張段長(zhǎng)度長(zhǎng)、每盤線重量大等特點(diǎn)，給生產(chǎn)帶來了諸多困難:

(1)除電氣性能要求外，單線要求絞后強(qiáng)度大于1 220 MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)要求約10%。

(2)大跨越耐張段長(zhǎng)度6 215 m，每根線要求長(zhǎng)度達(dá)到6 500 m，對(duì)鋁包鋼單線產(chǎn)品質(zhì)量要求非常高，必須對(duì)從原料開始的各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制。

(3)每盤線凈質(zhì)量達(dá)到15.656 t，毛質(zhì)量達(dá)到16.7 t，也給生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)帶來了許多的新的問題，亟需解決。

結(jié)合本工程鋁包鋼線及其絞線的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)技術(shù)要點(diǎn)如下:

(1)因單線要求強(qiáng)度高，經(jīng)反復(fù)計(jì)算選用72B，φ6.50 mm盤元，提高鋼芯強(qiáng)度，同時(shí)通過合理的總壓縮比來確保鋁包鋼單線滿足技術(shù)條件要求。

(2)采用獨(dú)特的壓力潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，使用盤元在拉拔時(shí)表面形成一層良好的涂敷，更有利于拉拔及隨后的清洗。

(3)通過熱處理，使鋼芯完全索氏體化，消除加工硬化，使之更適于進(jìn)一步拉拔，同時(shí)也改善了鋼芯的通條性能。

(4)采用物理清洗與化學(xué)清洗相結(jié)合的方法，有效去除鋼芯表面的氧化鐵皮及其他雜物，在包覆過程中鋁與鋼之間形成良好的結(jié)合力，有利于AS拉絲。

(5)根據(jù)鋼芯規(guī)格選用合適的包覆模具，合理裝配，確保包覆的效果及鋁層的同心度。

(6)采用壓力模系統(tǒng)，保證在拉拔中鋼與鋁同步變形。合理確定壓力模的間隙大小及拉拔模具的尺寸是拉拔過程的關(guān)鍵要素。

(7)采用渦流探傷裝置，避免漏鋼、脫鋁等現(xiàn)象帶入下道工序。

(8)絞線過程中調(diào)節(jié)各線盤張力基本一致，調(diào)整好預(yù)變形，確保絞合緊密、均勻。

(9)線盤質(zhì)量達(dá)到17 t，通過對(duì)收線機(jī)進(jìn)行了改造，最大承載質(zhì)量可以達(dá)到20 t。在收線過程中，收線張力控制也至關(guān)重要。

5 導(dǎo)線包裝及運(yùn)輸

因單盤質(zhì)量達(dá)17 t，加之鋁包鋼絞線鋁層包覆較薄，所以導(dǎo)線的包裝和運(yùn)輸困難較大。經(jīng)過反復(fù)論證，采用全鋼瓦楞盤，最大可收線7 500 m，最大承載質(zhì)量達(dá)20 t。

為避免導(dǎo)線在運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)或放線過程中出現(xiàn)傷線、亂線，JLB23－380大跨越導(dǎo)線的包裝需滿足以下幾點(diǎn)要求:

(1)瓦楞盤筒體外部、側(cè)板內(nèi)外焊縫必須磨光，表面去毛刺、棱角，倒圓。

(2)筒體、側(cè)板粘貼帆布，防止導(dǎo)線與輪體直接摩擦。

(3)每層線之間鋪點(diǎn)子無紡布。點(diǎn)子無紡布耐磨，且具有一定的彈性，可有效減小內(nèi)層線受到的擠壓、摩擦等傷害。

(4)同一層線與線之間夾牛皮紙，避免線與線直接接觸。

(5)外層采用三類全封閉包裝，用2根鋼帶固定。

(6)裝車時(shí)使用加固井支架或全鋼支架固定，防止在運(yùn)輸過程中工字輪滾動(dòng)或滑移。

6 結(jié)語

由于2 756 m跨距和6 215 m耐張段長(zhǎng)度，以及國(guó)際航道的通航要求，對(duì)螺頭水道大跨越導(dǎo)線選型和制造提出了及其嚴(yán)格的要求。在工程建設(shè)過程中，對(duì)大跨越導(dǎo)線進(jìn)行了載流量、交直流電阻、機(jī)械特性等一系列的電氣性能和機(jī)械特性的研究、論證和實(shí)驗(yàn)，并通過專家評(píng)審，最終確定螺頭水道大跨越導(dǎo)線采用四分裂JLB23－380鋁包鋼絞線，導(dǎo)線最高允許溫度按照130℃考慮。

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