输电线路节能型增扩容导线的特性

黄豪士

（上海电缆研究所，上海市，200093）

随着我国国民经济的持续高速发展，电力需求大幅度攀升，已经满负荷运行的输电线路，不能满足日益增长的电力需求。为了解决此矛盾，我国不断加强输电网的建设及老旧线路的增容改造。目前，世界各国的输电导线都以钢芯铝绞线为主，在传输电能的同时也不可避免地消耗一部分能量[1-10]。我国的电源大部分都集中在西部，而用电的负荷中心却集中在东部沿海一带，这样长距离的大规模送电，对导线的节能、降耗性能要求很高。

目前，我国每年用于输电线路建设和改造的导线约为100万t。国家电网公司明确指示在建设输电线路时，要建设“资源节约型，环境友好型，新技术，新材料，新工艺”（即两型三新）输电线路，其中建设资源节约型输电线路是重中之重。因此，探索新型导线线种，以求高效、低耗地传输电能是科技工作者、制造厂、电力部门共同目标。按照资源节约型输电线路对导线的要求，研制了输电线路节能型增（扩）容导线，并提供给电力系统用户试用。已试运行的线路包括：2008年辽宁朝阳输电线路架设并试运行节能型扩容导线，2009年江苏省试运行节能型增容导线于110 kV线路，2009年福建省试运行节能型增容导线于500 kV线路，2009年湖南省试运行节能型增容导线于220 kV线路。

1 增加线路输送容量的方案

增加线路输送容量的方案如图1所示。

新增输电线路将可输送更多的电能，但新增输电线路需要新增用地和投资，在用地十分紧缺的今天，特别是我国东部沿海和大中城市的用地更为紧缺，这方法只能在十分必要的线路才会建设。

图1 增加线路输送容量的解决方案Fig.1 Solution for transmission capacity upgrading

对于老旧线路的改造，可在原有线路增大导线的截面积而增加输送电能容量，但因导线截面增大，就需要增加塔头高度和强度，甚至更换铁塔。此种方法虽然可以增加线路输送容量，利用原有线路路径，但仍有较大的投资，一般须经严格的计算后，在其他方法难以解决时才使用。

不改变原输电线路路径，也不必增强或改造铁塔，只需要更换导线就可以增加线路输送容量。这种导线几乎与原线路用导线有着相同或十分相近的型号和主要参数，更换新的导线后，便能达到线路增容和扩容的目的。显然这种方法是最具吸引力的。

2 输电线路增加输送容量的导线

2.1 导线的主要特性

理想的输电线路用导线应具有：（1）输送某一容量的电能时，所占有的输电线路走廊小，所需的杆塔、导线、金具等材料以及施工建设的费用比较节省，即初次投资的费用比较低；（2）在输电线路运行时，导线能耗较少，即线路是节能的。输电线路建设过程中，需要考虑输电工程设计、导线选型、建设和运行等各个方面，特别对于建设节能型输电线路，其节能、节约土地，抗故障能力都比目前线路有更高的要求，而正确选用导线非常重要。

理想的输电线路用导线应具备5项特征：

（1）输电时节能，或者说输电时减少能耗。在所有输电线路中所用的钢芯铝绞线，不论国外或是国内，导线的铝导体导电率，在20℃时均为61％IACS，即28.264 nΩ·m。节能型导线的导电率就应该优于61％IACS，例如，为62.5％IACS以上至63％IACS，此时导线在输电时能耗可以减少2.5％～3％。

（2）线路改造建设时节材。对于老旧线路改造，一般均要求不要更换杆塔，只需更换导线。若按一般方法，则增容时应加大导线截面积，从而增加材料，杆塔也应加高增强。采用研制的节能型导线之后，线路输电时可增容50％以上，甚至能增容80％～100％。

（3）新建线路采用节能型导线可以节约线路走廊的用地。在相同铝导线截面积情况下，节能型导线具有能输送常规导线2倍容量的能力，即建设1条节能型导线线路，可以有2条常规线路的送电能力，这样可节省建设第2条线路的用地和投资。

（4）长的使用寿命。节能型导线的铝导体被制作成S、Z状的型线，结构比常规导线紧密；另外，其型线间的接触面积大，自阻尼性能强，具有更强耐振性能。此外，SZ型线的紧凑排列，解决了导线的化学腐蚀和电化学腐蚀问题，同时也大大地减少了缝隙腐蚀的产生，使导线的寿命大大延长。

（5）优良的性价比。当考虑被更换导线的特性、节能、低弧垂和足够长的寿命条件下，新型导线具有优良的性能和适当的价格。如果其价格大约是相同规格的钢芯铝绞线2倍时，由于它可以增加100％的输送容量，可视为其价格与钢芯铝绞线持平，而它可以节约金具和施工费用，还节约材料和土地。

2.2 国外增（扩）容导线

为使输电线路能增加输送容量，可采用增大导线的导体截面积或者提高导线的运行温度。采用提高导线运行温度来增加输送容量，现在国际上有2大流派的导线。

（1）以日本的导线为代表。导线的导体采用耐热铝合金，这种耐热铝合金是在铝中添加锆、钇等元素，使其在导线提高温度时，耐热铝合金的强度降低值在允许的范围内。

采用这种耐热铝合金线制作的导线能在150℃及以下温度安全使用，但遗憾的是，其导电率较低，在线路输电时增加了能耗，与我国的“节能降耗”国情不符。当它与钢芯组合成导线时，其弧垂特性与相同规格的钢芯铝绞线相同。当导线提高温升，增大输送容量时，弧垂量往往超出允许范围而无法提高较大的温升。为改善其弧垂特性，采用殷钢（INVAR）芯代替普通的钢芯，但殷钢含镍（高达36％～40％）导致其使用价格高昂，一般很难选用。

（2）以美国、加拿大的导线为代表。导体采用经处理的软铝线，导电率达63％IACS，强度较低，只有59～76MPa，但其延伸率达20％～30％，这样当导线的温度升高时，软铝线的强度并不会降低。这类导线的芯线，可能为镀锌钢绞线，碳纤维或铝基陶瓷纤维芯，它们的延伸率均较软铝低，约6％或以下，因此当导线受到较大外力拉伸时，首先破坏芯线。

除了采用上述2种流派的材料以外，国外还从导线的结构上进行改善，日本的间隙型导线便是重要的代表。它采用耐热铝合金作为导电材料，承力件仍为钢芯，导线架设时人为地使钢芯受力。当线路送电时，导线温度升高，其弧垂的增量取决于热膨胀系数较小的钢芯，这样在输送更大容量的电流时，弧垂也在允许范围内，但这种导线仍避免不了有较大的能损。

美国开发并采用的自阻尼导线，几乎与间隙型导线有相同的力学性能。它采用电工铝线作为导体，改善了导电性能，然而它并未被采纳为使用至150℃的线种，因为电工铝线在温度升高后强度降低，从而导致电力部门没有认可。自阻尼导线的抗振能力将在线路的建设中发挥其独特作用。

不管是间隙型导线或是自阻尼导线，为发挥其独特的技术性能，都必须通过特殊的架设方法来完成。

2.3 国内研制的节能型导线

2.3.1 工作原理

节能型增（扩）容导线的特性，首先是节能。增（扩）容导线为了要比原有的导线输送更多的电能，其方法是增加输送电流的容量，提高导线的温升。当导线的温度升高后，线路中导线的弧垂便增加，温度提升得越高，弧垂增加得越大，然而对于线路，特别是已架设好的线路，弧垂量是预先设计确定的，不能随便变动增加，然而又要求输送更大的电流容量。因此，应采取新的措施，通过特殊的加工方法，使导线的温度—弧垂曲线的拐点（应力转移点）向较低的温度移动，抑制导线弧垂的较快增加。

2.3.2 节能型增容导线

节能型增容导线的铝线股制成SZ形或T形的结构，它与普通的钢芯铝绞线相比，结构就更紧密了。图2为2层式结构的节能型增容导线截面图。

图2 2层式结构的节能型增容导线截面图Fig.2 2-layer structuralenergy-saving upgraded conductor section

这种节能型增容导线与相同铝截面的钢芯铝绞线相比，直径更小，可以使导线减少覆冰和风载，较小的直径和平滑的外表面能减少空气动力系数，降低微风振动和舞动的危害。在直径相同的情况下，增容导线相比钢芯铝绞线具有更大的铝截面积，可以提高电晕和无线电干扰水平。钢比为13％的400mm2钢芯铝绞线与节能型增容导线的载流量比较如表1所示。

从表1中可见：（1）铝等截面积的节能型增容导线在100℃的载流量为949A，即达钢芯铝绞线70℃时的载流量150％以上；当达到140℃时，已能输送高至钢芯铝绞线70℃时的载流量2倍的容量；（2）当节能型增容导线与钢芯铝绞线等直径时，100℃的载流量为1.094 kA，达钢芯铝绞线70℃时的载流量180％以上；在120℃时，载流量为1.282 kA，达钢芯铝绞线70℃时的载流量214％；（3）尽管导体温度达100℃或120℃，节能型增容导线的弧垂仍不超过钢芯铝绞

表1 钢芯铝绞线与节能型增容导线载流量比较Tab.1 Currentcarrying comparison of ASCR to energy-saving upgraded conductor

线在70℃时的弧垂量，因此线路是安全的。

采用等直径的节能型增容导线，其总拉断力不增加，此时塔杆就可以不改变了。

节能型增容导线的铝导体由型线制成，各线股间的接触面积比常用导线的圆铝线接触面积大得多，即各线股之间的摩擦面积加大了。另外，节能型增容导线软铝线所受张力与工作温度已超过迁移点，铝线呈现出一定的松弛，这时导线的自阻尼特性比相应的钢芯铝绞线更好，对线路的安全更有利。

2.3.3 节能型扩容导线

扩容导线的结构与增容导线大致相似，区别是扩容导线在铝导体与钢芯之间存在一定间隙，在间隙中充满耐高温的润滑油脂，这种油脂在210℃不滴流（实际滴点达250℃以上）且起防腐蚀保护钢芯作用。图3是典型的节能型扩容导线截面示意图。

图3 节能型扩容导线截面示意图Fig.3 Energy-saving expanded conductor section

在钢芯受力状态下，导线弧垂特性将完全取决于钢芯特性，钢芯的热膨胀系数11.5×10-6/℃，为铝的1/2。当扩容导线达140℃时，它的弧垂量与相适合的钢芯铝绞线在环境温度为40℃工作温度为70℃时基本一致，这时的载流量正好增大1倍，线路是安全的。

节能型扩容导线几乎具备节能型增容导线所有的性能，不同的只是直径略大些，但却有更为优良的自阻尼特性，这是由于铝线和钢芯的固有频率不同，在微风的振动下，它们相互碰撞而消耗能量。

2.3.4 高导电耐热铝导线

为了要增加线路的输送容量，提高导线运行温度是一个行之有效的方法。钢芯耐热铝合金导线、殷钢芯或铝包殷钢芯耐热铝合金导线虽可以通过提高导线运行温度增大载流量且控制线路导线弧垂的问题，但它们的电阻率较差，线路运行线损增加。另外含有殷钢的导线，价格高昂，影响其使用。以软铝导线为代表的系列，包括碳纤维软铝导线等线种，施工的困难与价格昂贵阻碍其使用。

高导电耐热铝导线是由导电率大于62％IACS的耐热铝作为导体，它比耐热铝合金导体提高2％IACS以上的导电率。在线路运行时，减少能耗约3％，耐热铝能够在150℃的高温下运行，而强度降低很小。在230℃×1 h加热后的强度残存率大于95％，优于耐热铝合金的强度残存率90％的水平。

高导电耐热铝导线的截面图如图4所示。

图4 高导电耐热铝导线的截面图Fig.4 High-conductive heat resistantalum inum conductor

高导电耐热铝导线的高导电耐热铝导体在导线的外层为S或T型，其他各层则均为圆线，经预应力处理的特高强度镀锌钢线作为芯线。此种把导线的应力迁移点提前，导线的热膨胀系数变小，改善了导线的弧垂特性。这种性能优良的导线与相同规格的钢芯铝绞线导线相比，至少可以增大50％的输送容量。用于新建线路时，可按相同规格的导线设计线路，不仅在运行时节能，还蕴藏可增容50％的可能。对于老旧线路增容改造也十分有益。

3 节能型增（扩）容导线与其他导线的比较

3.1 不同温度时各类导线的弧垂

如果用相同规格的各类导线，用相等的安装张力和条件架设在同一档距中，导线弧垂将随导线温度变化。图5是导线在40℃时候的弧垂，因碳纤维芯强度大、自重小且热膨胀系数小，故碳纤维芯软铝绞线具有最小的弧垂，陶瓷纤维芯软铝绞线次之，其他各类导线的弧垂基本相同，都在对地距离安全范围内。

图5 40℃时各类导线的弧垂相对位置图Fig.5 Conductors’sag relative positionsat40℃

当导线温度升至90～100℃时，此时的载流量相当于70℃时150％，常规钢芯铝合金绞线和钢芯耐热铝合金绞线的弧垂己超出了对地安全距离允许值，如图6所示。

图6 100℃时各类导线的弧垂相对位置图Fig.6 Conductors’sag relative positionsat100℃

如图7所示，当导线温度升至140～150℃时，此时的载流量已达70℃时的200％，即N-1状态。常规钢芯铝绞线、钢芯耐热铝合金绞线和钢芯软铝绞线的弧垂均超出了对地安全距离允许值，而节能型扩容导线的弧垂仍在安全范围内。

图7 150℃时各类导线的弧垂相对位置图Fig.7 Conductors’sag relative positionsat150℃

3.2 综合性能比较

节能型增（扩）容系列导线与耐热铝合金型导线、软型铝导线等的综合性能比较，见表2。

表2 各类导线的综合性能比较Tab.2 Generalper for mancecomparison of conductors

4 结语

为增加线路的输送容量，节能增（扩）容导线在线路建设时采用，它在输电时节能；用于线路改造增大输送容量时，可不必更改输电线路，不必更换铁塔；对于新建线路由于它蕴藏着可增大50％～100％的输电能力，可以节约土地；导线由型线绞成，结构十分紧密，抗振耐蚀寿命长；导线的主要材料是性能优良的铝和钢线，而价格不高，有良好的性价比。

由于我国每年对导线的需求量很大，约100万t之多。近年来，我国采用多种由国外购置的或由国内仿造的耐热铝合金系列导线，如钢芯耐热铝合金绞线、殷钢芯耐热铝合金绞线等线种，它们由于导电率偏低，在运行时能耗较大，且弧垂并不能减小，或能减小而价格高昂。从节能的观点出发，不推荐采用此类导线。钢芯软铝绞线、碳纤维芯软铝绞线等都有着很好的导线性能运行时节能，但施工技术还需要完善，价格是使用与否的重要因素，所以使用时应详细作经济核算才能决定。

致谢

本文编写和导线试制时获得江苏通光强能输电线科技有限公司黄俊华、陆国钦、江建华、王国忠、李锡华、朱浩亮、张志华等同志的帮助，在此一并致谢。

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