中强度全铝合金导线在输电线路中的应用

2010-03-28叶鸿声

电力建设 2010年12期

叶鸿声

（华东电力设计院，上海市，200063）

0 引言

目前，世界上许多国家的输电线路上已广泛使用铝合金导线，它们主要是高强度铝合金导线。我国的导线国家标准从1999标准至2008标准，列入的铝合金导线有3种结构形式：（1）全铝合金绞线（all aluminum alloy conductor，AAAC），全部线股均由同质的铝合金线所构成；（2）铝合金芯铝绞线（aluminum conductor alloy reinforced，ACAR），其线芯为铝合金线，外层绞制电工圆铝线；（3）钢芯铝合金绞线（aluminum alloy conductor steel reinforced， AACSR），其线芯为高强度钢线，外层绞制铝合金线。

我国从20世纪60年代开始研制和开发高强度AAAC。在20世纪90年代引进世界先进的生产设备和工艺技术，高强度AAAC产品质量达到国际先进水平，已经在220 kV和±500 kV天广线输电线路局部地段采用了高强度AAAC。国内已有武汉线缆厂、杭州线缆厂、上海中天铝线有限公司等能生产制造该型导线，并已出口东南亚、印度、巴基斯坦、孟加拉国等。高强度全铝合金铰线AAAC-400～AAAC-720配套金具（耐张线夹、接续管、补偿管等）已由上海宝翔机械有限公司研制成功，并于2002年10月通过专家评审，可生产供货。

1 中强度全铝合金线特性

我国导线标准GB/T 1179—2008《圆线同心绞架空导线》中的2种铝合金线种LHA1和LHA2为高强铝合金，导电率分别为52.5%IACS和53%IACS，与钢芯铝绞线（aluminum conductor steel reinforced，ACSR）采用的硬铝线LY9的导电率61%IACS相比，在相同导线截面时，其直流电阻要增大15%左右；在通过相同电流时，其电阻损耗也相应增大15%左右。

世界上很多国家，如日本、法国、澳大利亚等都开发使用一种中强度全铝合金铰线AAAC，其多半为非热处理型铝合金，主要优点是生产工艺简便，成本低，导电率较好（58.5%～59%IACS），抗拉强度为240～255 MPa，延伸率为1.5%～3%。各国的中强度AAAC品种和牌号也较多，其与硬铝线主要性能比较如表1所示。

日本住友公司开发的铝合金导线系列产品如图1所示。其中型号SI-26导线即为中强度AAAC，其导电率为58.5%IACS，最小抗拉强度为260 MPa，延伸率为3%，运行温度为90℃。

表1 中强度铝合金线与硬铝线主要性能比较Tab.1 Main properties of moderate-strengthAAAC andACAR

2 中强度铝合金线参数计算

2.1 交流电阻计算

提高交流架空输电线路的输送容量和降低电阻损耗都与导线的交流电阻有关。中强度AAAC与ACSR的交流电阻的差异是值得关心的问题。

导线20℃时的直流电阻R20可按式（1）计算：

式中：ρ20为导电金属线在20℃时的电阻率，Ω·mm2；λam为平均绞入系数，组合绞线假设钢芯不负载电流，采用导电金属线的平均绞入系数；A为导电金属线总截面面积，mm2。

中强度AAAC 20℃时的电阻率虽然比ACSR的硬铝单丝电阻率要大（中强铝合金导电率为58.5% IACS，硬铝线为61%IACS），因为没有钢芯，中强度AAAC的导电金属总截面较相同直径的ACSR大，所以二者整根导线的20℃直流电阻是相差不大的。

由于铝线在空气中氧化而形成具有绝缘性的氧化铝膜，所以AAAC及ACSR通电载流后，电流是沿铝股线做螺旋形方向流动的，因而形成轴向磁场。虽然导线中相邻层铝线的绞向相反，可使一部分磁化力抵消，但仍足以构成交变的剩余磁场强度，使钢芯中产生磁滞和涡流，导致功率损耗。同时由于集肤效应和邻近效应的影响，使导线中电流分布发生变化，导致导线的电阻增大，即产生交流电阻。

由钢芯中的磁滞和涡流引起的功率损耗称铁损，它引起的电阻增大效应称铁损效应。对架空输电线路，当导线间距大于5倍外径时，邻近效应影响甚小，可忽略不计，而集肤效应引起的电阻增大是需要考虑的。

交流电阻Ra为涡流及磁滞引起的电阻增量ΔR1和由集肤效应及邻近效应引起的电阻增量ΔR2与直流电阻Rd的总和，其与直流电阻之比，称为交直流电阻比，即

日本电线与电缆制作者协会颁发了标准JCS 0374：2003《裸线载流量计算方法》。对应于使用温度t时的直流电阻RDC为20℃时的直流电阻通过式（3）求得，单位为Ω/km。

而交流电阻为

在交流的情况下，式（4）中的K为考虑式（5）所示的K1和K2所形成的交直流电阻比。

K1和K2的具体计算公式、电线的构造如表2所示。

不同导线的20℃直流电阻R20、40℃直流电阻R40、磁滞涡流效应系数K1、集肤效应系数K2、交直流电阻比K=K1·K2、40℃交流电阻R40N计算结果如表3所示。从表3的计算结果可以看出：

（1）全铝合金绞线由于没有钢芯就没有磁滞涡流损耗，但其集肤效应比钢芯铝绞线要大。

（2）对铝钢截面比小的导线（即钢截面比例大的导线）用全铝合金线替代后交流电阻降低的要大一些，而对铝钢截面比大的导线，交流电阻降低的要小些。

2.2 平均运行应力、铝（铝合金）线的应力和Tcp/W

输电线路设计人员希望尽可能地提高导线的最大设计应力，以降低工程造价。然而，输电线路不可避免要发生微风振动，严重的振动会导致导线的疲劳断股或断线，且随着导线应力的提高而使振动断股发生的可能性随之增大。故在导线上必须采取防振措施来抑制微风振动强度，但防振措施应结合导线的应力进行综合考虑。国际大电网会议（CIGRE）第6工作组，于1960年提出导线平均运行应力EDS（every day stress）的概念，规定了在采取有效防振措施后，可允许使用的导线最大应力值，即EDS上限值，以及不采取防振措施（无保护）时的导线应力值，即EDS下限值。我国标准GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》中，对钢芯铝绞线ACSR的EDS上限值规定为25%，按此设计的大量输电线路运行情况良好。EDS是指年平均气温及无外荷载条件下的导线水平应力，习惯上将此时导线张力值以导线极限抗拉强度UTS（ultimate tensile strength）的百分数表示。

表2 不同结构导线的交直流电阻比计算公式Tab.2 Calculation formula of DC andAC resistance ratio of different conductors

导线平均运行应力EDS是指导线在平均气温状态下的综合应力，而对应的铝股或铝合金股的应力值及如何评价是令人关注的。一般而言，选择导线平均运行应力时，应按不同的导线材料的应力分配，使铝股或铝合金股的应力不大于它们各自的疲劳极限。

导线材料的疲劳极限可通过在旋转反复弯曲试验机上进行试验获得，各种试验报告的数据不尽相同，但差别不大。硬铝线的疲劳极限为59.8～68.6 MPa，现取为63.7 MPa，对中强铝合金，日本住友公司的疲劳试验数据为88.2 MPa。

ACSR和AAAC的疲劳强度实质上是由外层铝线（或铝合金线）的疲劳特性所决定，并与铝（铝合金）线承受的静态应力有关。

组合导线中各层单丝之间受力分配的精确计算是一项复杂的工作，因为它不仅与各层的绞入系数λi有关，还和材料蠕变单丝间的挤压和切力等有关。根据对各种公式的计算比较，认为用节矩法计算外层铝（或铝合金）的应力较合适。按以下公式对各层单丝分配到的应力进行计算。

式中：Pi为绞线中第i层的节距比；Di为绞线中第i层的外径；di为绞线中第i层的单丝直径；E0、Ea、Es分别为绞线、铝线和钢线的弹性模数；K为铝钢比；σ为绞线综合应力；σai为绞线中第i层铝丝分配到的应力；cosαi=1/λi；λi为第i层的绞入系数。

表3 不同导线交流电阻计算结果Tab.3 CalculatedAC resistance of different conductors

自1962年CIGRE提出EDS概念后，多年来当采用新导线的线路在新的地区运行后，在这些线路上发生导线疲劳损害，有些并不能用EDS充分揭示。1962年以来的研究和试验结果表明，EDS并不能完全解释发生的现象，从而提出以Tcp/W比值来反映振动与导线张力的关系，比以UTS的百分比值更为恰当（Tcp为最低气温月平均气温时的导线张力，W为导线单位长度质量）。国外资料表明，在档距不超过500 m的平坦地区，单导线的Tcp/W取值为：无护线条，1 690 m；有护线条，1 750 m；档中1个防振锤，1 950～2 050 m；档中2个防振锤，2 150～2 250 m。

不同导线的机械特性如表4所示。由表4看出，在平均运行应力作用下：

（1）ACSR外层铝线的应力的安全系数为2.91～3.27，而中强度AAAC外层的铝合金线的应力的安全系数为3.88～3.89；

（2）外层铝（铝合金）线的应力占其疲劳极限的百分数，ACSR为76.8%～86.3%，而中强度AAAC为70%～71.5%。显然中强度AAAC的耐振性能较ACSR要好些。

3 应用举例

3.1 原始条件

以500 kV某线路为例，正常输送容量1 150 MW。cosφ=0.95时，四分裂导线每根子导线正常输送电流350 A。气象条件：最大风速28.6 m/s（10 m高时）；最大覆冰10 mm。

3.2 导线参数

我国目前能生产的3种铝合金丝（运行温度90℃）性能如表5所示。全铝合金导线参数如表6所示。

其中，LGJ-400/35、LHA1-400、LHA2-400三种导线为国家标准GB/T 1179—1999《圆线同心绞架空导线》中现有的导线。中强度AAAC线LHA3-400（即SI-26导线）在国外已大量应用，在国内最近也已经研发成功。

表5 铝合金单丝性能Tab.5 Properties of singleAAAC wire

表6 全铝合金导线参数Tab.6 Parameters ofAAAC

3.3 机械特性比较

表4 不同导线的机械特性Tab.4 Mechanical properties of different conductors

各导线的机械特性如表7所示。表中UTS为 0.95×计算拉断力。

表7 不同全铝合金导线的机械特性Tab.7 Mechanical properties of differentAAAC

JLHA1-400和JLHA2-400的使用拉力较大，因而弧垂大大小于LGJ-400/35和JLHA3-400，覆冰过载能力也强于LGJ-400/35和JLHA3-400。JLHA3-400与LGJ-400/35相比，弧垂略小，覆冰过载能力相差不大。

水平荷重方面，由于JLHA3-400与LGJ-400/35线径基本相同，因而水平荷重也基本相同，JLHA1-400和JLHA2-400则线径略大，水平荷重比LGJ-400/35分别大4.4%、4.0%。垂直荷重方面，由于JLHA3-400具有最小的单位长度重量，因此其垂直荷重也最小，比LGJ-400/35小8.3%，JLHA1-400和JLHA2-400的垂直荷重比 LGJ-400/35小 2.6%和 3.2%。也由于JLHA1-400和JLHA2-400的使用拉力较大，它们的纵向张力也大大高于LGJ-400/35和JLHA3-400。

3.4 能损比较

各种导线的能损比较如表8所示。

3.5 经济比较

工程主要材料价格参照近期招标价，LGJ-400/ 35取费价16 800元/t。各种导线的经济性比较如表9所示。

结合能损比较来看，3种AAAC的总价比较接近，其中JLHA3-400总价最低，并且电能损耗最小。LGJ-400/35价格比全铝合金导线低20%，但每年线路损耗比JLHA3-400大7.63万kW·h。2008年华北地区上网电价为0.363 94元/（kW·h），销售电价为0.487 60元/（kW·h）。以上网电价计，2.26年损耗与差价抵销；以销售电价计，1.69年损耗与差价抵销。