耐熱導線在增容改造工程中應用的研究

肖元博

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，對電力的需求也大幅度攀升，為降低線路的損耗，提高輸送能力，有效控制工程建設和運行成本，耐熱導線逐步在新建線路上應用。對于發(fā)達地區(qū)，難以開辟新的線路走廊，需對大量老舊線路進行改造，利用舊桿塔擴充線路容量，為能滿足老舊線路桿塔的使用條件，則需采用各種耐熱導線對老舊線路進行改造。耐熱導線是在架空輸電線路上使用的特種導線，它是在具有相等導體截面積的情況下，相對于傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線能輸送更多電能的若干種類導線的總稱，也可稱其為“增容導線”。迄今世界上已有很多種增容導線出現(xiàn)，概括起來可分為兩大類：一類是增加導線的輸送容量，導線的溫度提高，但作為導電部分的材料其強度不降低，仍保持著常溫下相接近的總拉斷力，如耐熱鋁合金作導體的系列導線；另一類，則著重于導電部分的節(jié)能，即有著高的導電率，而導線總的力學性能由承力的芯部承擔，即使在導線載流量增加，導線溫度提高以后，導線的運行仍是安全的，如有機復合材料作為加強芯的系列導線。

1 增容導線主要類別

目前，國內(nèi)廣泛使用的耐熱導線主要有碳纖維復合芯導線，軟鋁線，殷鋼芯耐熱鋁合金絞線，應力轉(zhuǎn)移型導線(間隙型)，鋼芯耐熱鋁合金絞線。

碳纖維芯導線為新型復合材料合成芯導線，具有很強的耐沖擊性、耐抗拉應力和彎曲應力。價格較高，目前碳纖維芯導線價格約是鋼芯鋁絞線的5倍[1]。鋼芯耐熱鋁合金絞線與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線相類似，僅是將鋁絞線改為鋁合金絞線，增強了導線的耐高溫能力，而張力弧垂等與鋼芯鋁絞線相似[2]。軟鋁線是一種采用1350-0型電工鋁經(jīng)熱退火處理的鋁線，因通過高溫退火處理，當導線溫度不超200 ℃時，軟鋁線的強度不會降低。目前主要與特強鋼芯、特強鋁包鋼芯、碳纖維復合芯組合。由于耐熱鋁合金的膨脹比殷鋼芯快，且鋁包殷鋼芯與耐熱鋁合金線的熱膨脹系數(shù)差別很大，在一定的溫度時，導線的張力全為殷鋼芯承受，此溫度稱為張力遷移點溫度，殷鋼芯耐熱鋁絞線的張力遷移點溫度一般為60～100 ℃。拐點后的導線的弧垂由鋁包殷鋼芯來決定，因鋁包殷鋼芯膨脹系數(shù)較小，因此在增加1倍輸送容量時而不增加導線的弧垂，實現(xiàn)倍容[3]。

間隙型增容導線的增容機理是用特殊的施工工藝，使導線的張力遷移點在施工時就出現(xiàn)，即在一般施工溫度以下時，是鋼芯與鋁股共同承受導線張力，而高于施工溫度時，由鋼芯獨自承受導線張力，導線的弧垂變化就是鋼芯的變化。由于鋼芯的熱膨脹系數(shù)只有11.5×10-6/℃，只有普通鋼芯(20×10-6/℃)的一半，所以間隙型增容導線有增加1倍的輸送容量而不增加弧垂的優(yōu)異特性，采用間隙型增容導線輸送容量可達2倍原輸送容量。

2 增容導線特性及經(jīng)濟性比較

選擇應用較多并有一定運行經(jīng)驗的增容導線，擬選擇替換鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/40，增容導線型號為：碳纖維復合芯導線JLRX1/F-300/35，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線JNRLH3/LBY-240/55，間隙型特強鋼芯耐熱鋁合金絞線JNRLH3S/G5A-240/40，特強鋼芯軟鋁絞線JLRX/EST-300/40。各導線參數(shù)見表1。下面對5種導線從電氣特性、機械特性以及經(jīng)濟性等方面進行比對，分析各導線的優(yōu)缺點，以便在增容改造工程中更換地使用。

2.1 導線特性比較

2.1.1 載流量比較

導線選擇的原則是導線溫度升高不超過允許值時，導線的輸送容量應滿足系統(tǒng)極限輸送容量(N-1或N-2)的要求。各增容導線溫度及載流量如下：

a.2×JL/G1A-300/40型號導線溫度70 ℃，載流量1 185 A；

b.JLRX1/F-300/35型號導線溫度180 ℃，載流量1 280 A；

c.JNRLH3/LBY-240/55型號導線溫度210 ℃，載流量1 390 A；

d.NRLH3S/G5A-240/40 J型號導線溫度180 ℃，載流量1 189 A；

e.JLRX/EST-300/40型號導線溫度160 ℃，載流量1 186 A。

綜上所述，所選取的增容導線均滿足普通300導線2倍輸送容量的要求，僅考慮載流量方面基本都能滿足倍容的改造需求。

2.1.2 導線對桿塔荷載的影響

5種導線對桿塔荷載的影響見表2。

由于改造線路多為老舊線路，甚至個別線路過于久遠，無法收集到其設計圖紙資料，為保證線路運行安全，更換導線需保證外徑與自身質(zhì)量均小于原導線，張力如大于原導線，需增大導線安全系數(shù)或減小平均運行張力來放松使用。

表1 5種導線參數(shù)

表2 5種導線對桿塔荷載的影響

2.1.3 導線的弧垂特性

弧垂特性是增容改造中關鍵的內(nèi)容，直接影響工程的可行性。增容耐熱導線弧垂之所以在高溫狀態(tài)下變化小，就是因為在一定的溫度下(拐點溫度)，增容導線的張力將幾乎完全由鋼芯或碳纖維等特殊材質(zhì)承受，溫度繼續(xù)升高后導線的線膨脹系數(shù)即為鋼芯等特殊材質(zhì)的線膨脹系數(shù)，大大減小了溫度對弧垂的影響，在拐點溫度后導線的弧垂變化將會很小。

為使問題簡化，計算增容導線拐點溫度時不考慮導線產(chǎn)生的塑蠕性形變，并認為導線的彈性系數(shù)保持不變。這樣假設后，由于溫度變化，導線產(chǎn)生熱脹冷縮；在長度變化過程中，整個導線、軟鋁導體、芯三者各自的變化伸長量是相同的，即：

ΔL=ΔLa=ΔLs

(1)

式中：ΔL為導線的彈性伸長及線膨脹伸長總和；ΔLa為軟鋁型導體的彈性伸長及線膨脹伸長總和；Ls為芯的彈性伸長及線膨脹伸長總和[4]。

導線單位長度伸長量可以由式(2)求得：

(2)

式中：σ為導線的應力；E為導線的彈性模量；α為導線的線膨脹系數(shù)；t為導線運行時的溫度；t0為導線的制造溫度，一般取15 ℃。

計算可知，增容導線的拐點溫度隨著代表檔距(張力)的變化而變化。對于JLRX1/F-300/35碳纖維導線，300 m時拐點溫度大約是122 ℃，400 m時大約是135 ℃。對于JNRLH3/LBY-240/55殷鋼導線，300 m時拐點溫度大約是90 ℃，400 m時大約是98 ℃。

間隙型導線與其他增容導線不同，其特點是在鋼芯與鋁線之間存在微量間隙，在間隙中加入潤滑脂，保證鋼芯與鋁線間可以相對滑動。利用這個特性，在導線架線時，張力全部由鋼芯承擔，即架線的時候鋁線就不承受張力，所以其架線溫度就是拐點溫度。各導線倍容時(代表檔距為300 m時)的弧垂特性見表3。

由表3可見，由于張力較大，增容導線需要取較大的安全系數(shù)，在最高運行溫度下，很明顯JLRX/EST-300/40特強鋼芯軟鋁絞線弧垂過大，可見特強鋼芯軟鋁絞線無法應用在倍容改造工程中；而對于其他增容導線，在倍容情況下弧垂均是略大于鋼芯鋁絞線40 ℃弧垂，特別是在小代表檔距下；而間隙型導線弧垂則小于鋼芯鋁絞線70 ℃弧垂。

對于JLRX/EST-300/40特強鋼芯軟鋁絞線，只有在導線溫度僅100 ℃左右時，弧垂與鋼芯鋁絞線70 ℃弧垂相近，這時其載流量僅有JL/G1A-300/40型導線的1.42倍左右，可見特強鋼芯軟鋁絞線僅適用于較低載流量的增容工程。

2.2 導線經(jīng)濟性及安全性比較

增容導線在性能滿足要求的情況下，還要考慮其經(jīng)濟性及安全性。各導線價格比較見表4。由表4可知，碳纖維導線非常昂貴，殷鋼導線也較貴，而且金具均為特制，價格昂貴；間隙性導線與軟鋁導線較為便宜。

表3 各種導線倍容時的弧垂特性

表4 導線及配套金具價格比較

對各導線安全性以及運行維護比較發(fā)現(xiàn)：碳纖維復合芯導線的運行穩(wěn)定性較差，間隙型導線施工難度較大。具體如下：鋼芯鋁絞線的運行維護經(jīng)驗豐富，安全性較好，可應用于“三跨”等重要交叉跨越以及舞動區(qū)，缺點是容量有限；碳纖維復合芯導線運行維護經(jīng)驗較少，根據(jù)國網(wǎng)特高壓接地極線路等設計經(jīng)驗，不能用于“三跨”等重要交叉跨越，并不宜用于舞動區(qū)，多斷線等事故，運行穩(wěn)定性差，缺點是不能作為跳線，需選用其他導線作為跳線；鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線運行維護經(jīng)驗較少，安全性較好，可應用于比較重要交叉跨越以及舞動區(qū)，缺點是價格較貴；間隙型導線運行維護經(jīng)驗較少，安全性較好，可應用于比較重要的交叉跨越，缺點是施工難度較大。

3 結(jié)論

a.增容改造線路一般可以考慮殷鋼導線，間隙型導線；軟鋁導線僅能應用在40%及以下的增容項目上；碳纖維導線由于其安全穩(wěn)定性較差，考慮到增容改造項目多在人口密集，交叉跨越多的地區(qū)，不推薦使用。

b.增容改造方案中，增容導線一般均可滿足倍容條件，但由于增容導線弧垂特性的限制，倍容改造方案僅能在原線路導線對地裕度較大，交叉跨越較少且裕度較大的區(qū)域?qū)嵤?。一般需要考慮1～2 m的弧垂增大。

c.增容改造方案中，如系統(tǒng)采用降級倍容改造方案(如原單400導線改為2×300容量)，可考慮使用間隙型導線，此時弧垂特性較為接近。

d.增容改造方案中，如系統(tǒng)采用降級倍容改造方案的同時，原線路為放松架線(即安全系數(shù)大于2.5)，間隙型導線由于張力較大，放松后弧垂增大較多，可考慮使用殷鋼導線，此時弧垂特性較為接近。