间隙型增容导线在线路改造上的应用

2012-06-26吴明埝缪姚军

电线电缆 2012年1期

吴明埝，缪姚军

(江苏中天科技股份有限公司，江苏南通226463)

0 引言

间隙型增容导线是一种耐热导线，给电力部门提供了一种全新的增容方案。在输电线路增容时，只需简单更换导线，通过创新的架线技术实现1.6～2.0倍输送容量而不增加弧垂。这为电力部门节省了大量的改造资金，以及征地、拆塔、建塔等烦杂程序，并大幅度缩短了工期。对于新建线路来说，低弧垂增容导线降低铁塔排位、降低弧垂、增大档距、减少铁塔数量并且缩小输电走廊，这也给电力部门提供了更多的选择。因此，增容导线可广泛应用于线路新建和增容改造工程。

间隙型增容导线是由加强元件和载流元件两部分组成。加强元件是采用圆形特高强度钢芯;与钢芯相邻(超)耐热合金线是采用梯形而其它层则采用常规的圆形线或梯形线。其主要是以特强钢芯和(超)耐热合金层之间带有一定的间隙为特色。

间隙型增容导线在架设运行过程中，全部机械负荷由特强钢芯承担，导体(超)耐热铝合金线不承受张力，其弧垂大小完全由钢芯线膨胀系数决定。由于特强钢芯的线膨胀系数为11.5×10－6/℃，仅为普通钢芯铝绞线 20.0 ×10－6/℃ 的 1/2［1］。因此间隙型导线有着优异低弧特性。导体耐热铝合金线可采用 AT1、AT3两种材料。普通耐热铝合金线AT1的导电率为60%IACS，允许长期运行温度为150℃，短期运行温度180℃;超耐热铝合金线AT3的导电率为60%IACS，允许长期运行温度为210℃，短期运行温度240℃。因此间隙型导线有优异的增容特性。

间隙型增容导线的优异特性，是利用其间隙结构和(超)耐热铝合金线的组合与创新施工工艺相结合，实现增容1.6～2.0倍而不增加导线弧垂。

1 张力弧垂计算

1.1 原理分析

高压架空线路是以杆塔为支撑物将导线悬挂起来的。受外界温度变化影响，导线会发生热胀冷缩;而导线上的荷载的变化，将引起导线的弹性变形。这两种现象的结果，均使导线的长度发生变化。在档距一定时，导线长度即使发生微小变化，也会导致导线张力和弧垂产生相应的变化。

间隙型增容导线的张力弧垂计算与普通钢芯铝绞线(ACSR)有所区别。当导线的温度低于紧线温度时，导线的机械荷载由导线的钢芯以及铝线共同承担。导线张力弧垂计算等同于钢芯铝绞线。但是，当导线温度高于紧线温度时，导线的机械荷载由钢芯承担。导线张力弧垂计算时只考虑钢芯的参数，而对铝台金的参数则不予考虑［2］。

对于间隙型导线的张力和弧垂计算，由于涉及到低于紧线温度和高于紧线温度两个温度区的张力承载部分的不同，因此，必须把两个温度区分开，分别进行计算。

1.2 间隙型导线张力弧垂计算

1.2.1 高于紧线温度时张力和弧垂的计算

间隙型增容导线计算时，由于间隙导线施工工艺有别于常规导线，因此，要得到紧线温度以上的张力弧垂，需要先计算出紧线时的张力。

根据最恶劣的条件和最大张力，求出最恶劣条件下的荷载系数q1，即:

式中，W为导线单位重量(kg/km);Ww为导线的风荷载(N/m);W1为导线的覆冰荷载(N/m);Ws为导线的综合荷载(N/m)。导线的风荷载，可按下式计算:

式中，a为风压不均匀系数;C为风载体型系数，当导线直径＜17 mm，C=1.2，当导线直径≥17 mm时，C=1.1;D为导线的直径(mm);k为导线的覆冰厚度(mm)。导线的覆冰荷载，可按下式计算:

式中，g为重力加速度，取9.8 m/s2。

导线的覆冰荷载Ws，可按下式计算:

同理按式(1)求出紧线条件下的荷载系数qc。

导线的最恶劣条件下的应力f1，可按下式计算:

式中，A为导线面积(mm2);Tmax为导线最恶劣条件下的张力(kgf)。

按悬挂点等高的情况，导线的长度可以采用悬链线的近似公式:

式中，S为代表档距(mm);T为导线张力(kgf)。

最恶劣的条件下的导线长度Lmax计算如下:

计算条件下的导线长度Lc计算如下:

根据导线初始长度不变的原则，假设导线在最恶劣的条件下最大张力为Tmax，导线的长度为Lmax，导线在紧线的条件下最大张力为Tc，导线的伸长量为ΔLc，最恶劣条件下的Lmax在成为紧线条件下的Lc，长度的差别是由于弹性模量和热膨胀系数。则在最恶劣的条件下的导线与在紧线温度状态下的导线有如下关系:

根据线长及伸长量的计算方法，展开式(9)，可推出式(10):

式中，fc为导线紧线温度时的应力(N/mm2);tm、tc分别为导线最恶劣条件的温度和紧线温度时的温度(℃);E为导线的弹性模量(N/mm2);α为导线的线膨胀系数(1/℃)。将式(10)化简为:

其中:

该方程式类同于普通导线的状态方程式，可以采用牛顿近似迭代法编程求得fc。

同理，将已知的紧线温度和应力作为已知条件，根据式(11)，当导线温度高于紧线温度时，采用导线的钢芯线膨胀系数和弹性模量进行参数代入求解，可以得出各个温度条件下的导线的应力。

导线的张力，可按下式计算:

式中，A为导线的截面积(mm2);f为导线的应力(N/mm2)。

根据导线悬链线公式，导线的弧垂计算如下:

1.2.2 低于紧线温度的张力和弧垂的计算

普通钢芯铝绞线的张力弧垂计算也是基于导线的变化伸长量相等的原则，导线的机械荷载由导线的钢芯以及铝线共同承担。当气象条件变化时，导线张力和弧垂也随之发生变化。但已知某一气象条件下的导线张力、比载、气温以及待求张力气象条件下的比载和温度时，考虑到导线的弹性伸长以及温度伸长，并利用两种气象条件状态下的档距内原始导线长度不变的原则，便可列出导线的状态方程。可根据式(11)和式(16)求出低于紧线以下导线的张力和弧垂。

2 工程应用

2.1 工程简介

山西省平定县阳光电厂—红卫变Ⅰ、Ⅱ回改造工程，原设计导线为2×LGJ-300/25，安全系数2.5，无法满足最大输送容量为700 MVA，导线载流量为1837A(环境温度40℃)的需求，即单根导线需求920A的载流量，交叉跨越多且铁塔更换费用太高。因此经比较，选用了江苏中天科技股份有限公司的间隙型增容导线JNRLH1S/EST-300/25。技术参数比较见表1。

表1 导线技术参数比较

该工程用于山西省平定县，其线路计算气象条件见表2。

表2 工程气象条件

2.2 计算分析

按照以上气象条件，导线的安全系数取2.5，以代表档距300 m为例进行计算。根据间隙型增容导线张力弧垂计算理论，采用计算机编程，并给出高于紧线温度、满足载流量需求的温度对应的张力弧垂，及极限载流量所对温度的张力弧垂，其载流量的计算条件为:风速0.5 m/s;环境温度40℃;日照强度为0.1 W/cm2;表面吸收系数为0.9;导线载流量、张力、弧垂与温度的关系如表3。

从表3的数据可以看出，在紧线温度以下，间隙型增容导线的弧垂与同截面普通钢芯铝绞线的弧垂相当。导线温度每升高10℃，弧垂增幅为0.35～0.38 m;在紧线温度以上，导线温度每升高10℃，弧垂增幅为0.13～0.14 m。可见在紧线温度以上时，间隙型增容导线的弧垂增量仅为同截面普通钢芯铝绞线的1/2。

按钢芯和导电铝基体的耐热特性的原则，普通钢芯铝绞线的最高运行温度被确认为70℃或80℃，最高为90℃;而间隙型增容导线的最高运行温度为150℃或210℃。从表3看出，间隙型增容导线在运行温度为150℃时，其载流量是同截面普通钢芯铝绞线70℃时的2倍。

利用数理统计图表的原理，绘出间隙型增容导线与同截面普通钢芯铝绞线的载流量与温度的关系比较图2，和弧垂与温度的关系比较图3。

表3 间隙型增容导线的载流量、张力、弧垂与温度的关系及与原导线的比较

图2 载流量与温度的变化关系

图3 弧垂与温度的变化关系

从图2中可以看出，随着导线温度的升高，间隙型增容导线的载流量是同截面普通钢芯铝绞线(70℃)的2倍。从图3中可以看出，随着导线温度的升高，间隙型增容导线的弧垂比同截面普通钢芯铝绞线的弧垂的变化平缓。在紧线温度以下时，间隙型增容导线的弧垂等同于同截面普通钢芯铝绞线;在紧线温度以上时，间隙型增容导线的温度弧垂曲线斜率仅为同截面普通钢芯铝绞线的1/2;当温度升高到150℃时，间隙型增容导线的弧垂与同截面普通钢芯铝绞线在70℃时的弧垂相当;即间隙型增容导线的线膨胀系数为同截面普通钢芯铝绞线的一半。事实证明，间隙型增容导线在紧线温度以上时，导线的张力全部转移到钢芯上，实现了铝部张力转移。