關(guān)于110kV至500kV架空輸電線路新材料應(yīng)用情況的探究

楊光武

摘要：110kV至500kV架空輸電線路屬于高壓輸電線路，是國(guó)內(nèi)主要的長(zhǎng)距離跨地區(qū)電力輸送通道，110kV至500kV架空輸電線路材料目前國(guó)內(nèi)主要使用鋁包鋼芯鋁絞線，在其他新材料上也有很多探索，比如碳纖維復(fù)合芯鋁絞線、碳纖維和玻璃纖維混合芯鋁絞線、高強(qiáng)度全鋁合金線等，這些新材料在一定程度上解決或修復(fù)了鋁包鋼芯鋁絞線的一些不足，在未來的110kV至500kV架空輸電線路中可能被廣泛運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：鋁包鋼芯鋁絞線 高壓輸電線路 碳纖維復(fù)合芯鋁絞線 電氣性能 機(jī)械強(qiáng)度

電力已經(jīng)是我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡幕驹O(shè)施，如果沒有電，我們不敢想象生活是什么樣的，首先我們無法吃飯、晚上無法工作、白天無法出門、交通信號(hào)燈也會(huì)癱瘓等等?？赡芎芏嗳瞬磺宄氖?，這么基礎(chǔ)的物資其實(shí)也是通過“高速公路”運(yùn)輸?shù)饺珖?guó)各地的，只不過電能運(yùn)輸?shù)摹案咚俟贰笔歉邏狠旊娋€路。

目前國(guó)內(nèi)高壓輸電線路電壓等級(jí)為110kV～220kV，330kV～750kV電壓等級(jí)為超高壓，因?yàn)?10kV至500kV屬于兩者中間，所以不對(duì)這個(gè)做特殊要求，就統(tǒng)一為高壓。一般高壓電通過架空線路進(jìn)行輸送，就是我們平常在戶外可能會(huì)看到的那種架在高架鐵塔上的線路。110kV至500kV架空線路是我國(guó)電力輸送的命脈，而輸送的“高速公路”——導(dǎo)線則影響著輸送的質(zhì)量和速度。本文將圍繞目前110kV至500kV架空輸電線路新材料進(jìn)行討論，探究有哪些新材料的運(yùn)用可以提高電力輸送的效率和質(zhì)量。

1.目前110kV-500kV架空線路主要使用的材料

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)110kV至500kV架空輸電線路主要使用的是鋁包鋼芯鋁絞線，這種導(dǎo)線的應(yīng)用十分的廣泛，是一種將單層或多層鋁股線絞合在鍍鋅鋼芯線外的加強(qiáng)型導(dǎo)線。

鋁包鋼芯鋁絞線的主要組成部分是鋼線和鋁線，鋼芯是“中芯線”，鋁線通過絞合的方式圍繞在鋼芯上，鋼芯主要用來增加導(dǎo)線強(qiáng)度，鋁線則是用來導(dǎo)電。

鋁包鋼芯鋁絞線在架空線路上具備很多的優(yōu)勢(shì)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，最主要的是經(jīng)濟(jì)性好，能夠傳輸大容量的電能。因?yàn)榧恿虽撔?，?dǎo)線在抗拉強(qiáng)度上大大加強(qiáng)，可以跨越很多地理障礙，特別適合南方多山水的地形結(jié)構(gòu)，是我國(guó)目前架空線路中使用最多的導(dǎo)線。

但是鋁包鋼芯鋁絞線也存在很多的特殊性，在一些特殊場(chǎng)合比如高溫、高寒、腐蝕度高的地區(qū)應(yīng)用不夠廣泛;其次鋼芯使得導(dǎo)線重量大，作為架空線路可能會(huì)出現(xiàn)離地間隙小的情況;另外，鋁的導(dǎo)電性雖然比較好，但是還有很大的改進(jìn)空間。因此開發(fā)新的材料解決這些問題一直是很多科研人員努力的方向。

2.110kV-500kV架空線路新材料應(yīng)用情況探究

隨著國(guó)內(nèi)用電需求的增大，110kV-500kV架空線路建設(shè)也越來越多，為了應(yīng)對(duì)特殊的耐熱、耐寒、耐腐蝕環(huán)境輸電，電力工作者一直在探索使用新的材料來替代鋁包鋼芯鋁絞線。

目前正在進(jìn)行研究的有可以耐腐蝕的鋁包鋼芯鋁合金絞線、強(qiáng)度更高的高強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線、還有耐腐蝕重量更輕的有機(jī)復(fù)合導(dǎo)線。下面我將主要介紹這幾種新材料在110kV-500kV架空線路中的應(yīng)用情況。

2.1特殊性能鋼芯鋁絞線

特殊的鋼芯鋁絞線既能算是新材料，也不能說完全是新材料，它是在鋼芯鋁絞線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使得它能夠應(yīng)用在特殊的環(huán)境中。這種新材料不是完全的新材料，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法是改進(jìn)材料。

比如上面提到的可以耐腐蝕的鋁包鋼芯鋁合金絞線，還有抗拉強(qiáng)度更高的全鋁合金絞線，還有為了應(yīng)對(duì)高溫地區(qū)輸電的耐熱型鋁合金導(dǎo)線等等，這些新材料是替換或者改進(jìn)鋼線或者鋁線，不能完全算新材料，但也是新材料應(yīng)用的探索，我就不過多的介紹了。

除了改進(jìn)，肯定會(huì)有創(chuàng)新，下面提到的都是新材料的應(yīng)用。

2.2碳纖維芯鋁絞線

碳纖維芯鋁絞線的芯線由碳纖維和樹脂組成，是典型的有機(jī)新材料的應(yīng)用。簡(jiǎn)單講就是將原來的鋼芯鋁絞線中的鋼芯替換成碳纖維和樹脂，碳纖維的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊力、彎曲應(yīng)力承受力相對(duì)鋼芯有很大的提升。因此這種新材料在110kV至500kV架空輸電線路中有更好優(yōu)勢(shì)。

碳纖維作為有機(jī)材料，其最大的優(yōu)勢(shì)就在于重量的減輕，對(duì)于鋼芯鋁絞線來說，過高的重量導(dǎo)致導(dǎo)線垂弧過大，離地間隙過小，重量輕的碳纖維鋁絞線就很好的解決了這個(gè)問題。同時(shí)因?yàn)橹亓枯p，所以在架設(shè)鋼芯鋁絞線的高塔上也能架設(shè)碳纖維芯鋁絞線，不用再重新建塔，轉(zhuǎn)換成本低。但是碳纖維在架設(shè)要求更嚴(yán)格，在成本上相對(duì)傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線會(huì)更高，所以在實(shí)際使用上也需要根據(jù)實(shí)際情形進(jìn)行判斷。

2.3碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞線

碳纖維和玻璃纖維混合芯鋁絞線是在碳纖維鋁絞線基礎(chǔ)上將樹脂改成了玻璃纖維，在碳纖維的中心層外包裹一層玻璃纖維，然后將形成的芯棒浸漬在環(huán)氧樹脂中，經(jīng)高溫固化形成復(fù)合材料芯線[1]。外面的鋁絞線還是使用原來的鋁絞線，也只是將中間的鋼芯替換掉。

碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞線也稱之為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，目前在美國(guó)和加拿大使用較多，其他如歐洲、墨西哥、中國(guó)也同步在嘗試。其中江蘇遠(yuǎn)東電纜有限公司、遼寧省電力公司都在這方面進(jìn)行先進(jìn)的探索。

碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞線重量?jī)H為鋼芯的0.25倍，在重量上大大減輕;碳纖維的抗拉強(qiáng)度為3000兆帕，比鋼芯的抗拉強(qiáng)度更大，無論是在運(yùn)輸還是架設(shè)的過程中，都能很好的對(duì)抗形變。

對(duì)于輸電線路來說還有一個(gè)重要的問題需要考慮，那就是線損。碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞線的線損相對(duì)鋼芯鋁絞線來說也是大大降低了。首先是因?yàn)樘祭w維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞線是用的導(dǎo)電性能更好的軟鋁;其次因?yàn)樘祭w維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞線是有機(jī)材料，不會(huì)因?yàn)榻涣麟姸a(chǎn)生渦流損耗;最后是結(jié)構(gòu)上采用更緊密的排布方式，增加了導(dǎo)線的截面積，增大了導(dǎo)電能力，減小了損耗。

碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞線具備重量輕、抗拉強(qiáng)度大、導(dǎo)電性能好等優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，適合推廣。

2.4高強(qiáng)度全鋁合金線

高強(qiáng)度全鋁合金線是直接增加鋁導(dǎo)線的強(qiáng)度，使之不用增加鋼芯就能達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度。這是一種非熱處理的鋁合金絞線，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、導(dǎo)電性能好[2]。

因?yàn)榻饘黉X重量相較其他金屬來說是很輕的，而且延展性好，這也是為什么銅導(dǎo)電性更好但是在110kV至500kV的高壓架空長(zhǎng)距離輸電線路中很少使用的原因。高強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線很好的延續(xù)了金屬鋁自身的優(yōu)點(diǎn)，弧垂特性好，有更高的離地間隙，能夠有效的降低鐵塔成本。

3.總結(jié)

本文主要討論了110kV至500kV架空輸電線路新材料的應(yīng)用，原來110kV至500kV架空輸電線路使用最廣泛的材料是鋼芯鋁絞線及鋁包鋼芯鋁絞線，現(xiàn)在通過科技和技術(shù)手段進(jìn)行了多輪創(chuàng)新，一直在尋找更加優(yōu)化的材料，降低輸電的成本，同時(shí)我們也可以從110kV至500kV架空輸電線路新材料的發(fā)展中看出產(chǎn)業(yè)發(fā)展的幾個(gè)趨勢(shì)。

第一種新材料的應(yīng)用就是在原材料基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，上面提到的特殊的鋼芯鋁絞線就屬于這種，對(duì)原材料局部改進(jìn)，優(yōu)化特定的性能。

第二種就是探究零部件的優(yōu)化和替代，碳纖維芯鋁絞線、碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞線就屬于零部件替代，用新的有機(jī)材料替代原有的鋼芯，使性能得到優(yōu)化。

第三種就是整體替換，高強(qiáng)度全鋁合金線就是直接用高強(qiáng)度全鋁合金線替代原來的鋼芯和鋁絞線，將原來的零部件直接化成一個(gè)整體，不僅使性能得到優(yōu)化，還能讓結(jié)構(gòu)更加的簡(jiǎn)單。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盛尊華，王煒，劉哲.?碳纖維導(dǎo)線在500kV雙回輸電線路中的應(yīng)用研究[J].河北電力技術(shù)，2014，33（5）：17-19.

[2] 梁旭明，余軍，尤傳永.?新型復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線技術(shù)綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2006，（19）：1-6.