析架空输电线路上倍容导线的选择

2014-12-01忽翔

安徽电气工程职业技术学院学报 2014年3期

忽翔

(安徽省电力设计院，安徽合肥 230022)

0 引言

输电线路进行增容改造，国内在倍容导线未使用之前，通常都是利用原线路通道，重新新建杆塔架设大截面导线或保持原线路杆塔基础配置不变，更换如钢芯耐热铝合金导线这类传统的增容导线。前者，由于重新新建杆塔基础，建设时民事协调难度较大，往往延误了建设工期;后者，由于传统的增容导线的输送容量只比同截面钢芯铝绞线提高约40% ～60%，［1］往往无法满足增容要求更高的线路。近年来，随着倍容导线在实际工程中的应用，传统导线增容方式的局限性得到了有效解决。目前，由于倍容导线尚没有统一的国家标准，各生产厂家的产品种类和型号众多，这就要求在具体工程中应用倍容导线时，应对不同的倍容导线进行严格比选，以便找出适合具体工程的倍容导线。

1 倍容量导线

行业内把在材料及结构上经过特殊处理，与普通钢芯铝绞线相比，在外径和重量相当的情况下，载流量达到同规格钢芯铝绞线的两倍以上的绞线称为倍容导线。

2 倍容量导线种类和特性

目前已在工程中实际使用的倍容量导线主要有殷钢芯倍容导线、间隙型钢芯倍容导线、铝基陶瓷纤维芯铝绞线、碳纤维复合芯软铝线四种类型。

2.1 殷钢芯倍容导线

殷钢芯倍容导线目前主要有殷钢芯超耐热铝合金绞线和殷钢芯特耐热铝合金绞线，分别是由殷钢线和超(特)耐热铝合金线绞制的导线。其导线剖面图如图1所示［2］。

图1 殷钢芯导线剖面图

由于导线外层采用超(特)耐热铝合金线，可提高导线的运行温度至210℃，从而使导线载流量是相同截面的普通钢芯铝绞线的两倍。［3］

殷钢是由铁、镍合金材料制成，具有优良的高温软化特性，由于这种材料线膨胀系数为3.7×10－6/℃，仅是普通钢芯的1/3，［1］具有长度基本不随温度变化的特点。由殷钢线和超(特)耐热铝合金线绞制的导线，当温度小于等于拐点温度(约100℃)时，［1］导线张力由殷钢线和铝合金线共同承担;当温度大于拐点温度时，由于耐热铝合金线和殷钢芯的线膨胀系数的差异，导线的机械荷载全部转移到殷钢芯上，耐热铝合金线不再承受导线的张力，此时殷钢芯的线膨胀系数即为殷钢芯耐热铝合金绞线的线膨胀系数，当导线温度继续升高时，弧垂变化不大，起到限制弧垂增加的作用。

2.2 间隙型钢芯倍容导线

间隙型钢芯倍容导线目前主要有间隙型钢芯耐热铝合金绞线和间隙型钢芯超耐热铝合金绞线，其导线剖面图如图2所示［3］。

图2 间隙型钢芯倍容导线剖面图

导线由于采用能够耐受较高运行温度的耐热铝合金和超耐热铝合金，并且在钢芯和铝合金线层之间的间隙中填充耐热油脂，从而可以提高导线的运行温度至210℃［3］而达到增加载流量的目的。

这种导线之所以能在高温下维持低弛度，主要是因为可以通过一种特殊的架线方式实现铝部张力转移，使导线的所有张力均落在钢芯上，这样导线带电运行时的弧垂变化即取决于钢芯的线膨胀，铝线的线膨胀对导线的弧垂变化不起作用，而钢芯的线膨胀系数为11.5×10－6/℃，约为普通钢芯耐热铝合金绞线的一半。［1］

2.3 铝基陶瓷纤维芯铝绞线

铝基陶瓷纤维芯铝绞线是一种新型复合材料合成芯导线。其结构与普通钢芯铝绞线基本相同，区别在于材料的不同。在钢芯铝绞线中，内层的钢芯被铝基陶瓷纤维芯所代替，外层和邻外层的硬铝线股被添加了微量锆金属元素的高强度、高耐热的铝绞线所代替。其导线剖面图如图3所示。［4］该种导线内外层绞线同时承担着导线整体电气和机械性能。

由于导线外层高强度铝导体中添加了微量锆金属元素，可使导线的外层绞线的额定持续运行温度达到210℃，短时运行温度达到240℃，从而实现较高的载流量，是同型号常规钢芯铝绞线的1～3倍。［4］

由于铝基陶瓷纤维芯具有较低的线膨胀系数(6.3×10－6/℃)，比普通钢芯的线膨胀系数(11.5×10－6/℃)小许多，［4］这就使铝基陶瓷纤维芯铝绞线整体线膨胀系数低于普通钢芯铝绞线，因此导线在高温下具有低弧垂的特性。

图3 铝基陶瓷纤维芯铝绞线剖面图

图4 碳纤维复合芯软铝线剖面图

2.4 碳纤维复合芯软铝线

碳纤维复合芯软铝线的芯线是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，芯线外层与邻外层为梯形截面铝线股，其导线剖面图如图4所示。［5］

导线中电能传输主要依靠导线部分铝单线完成，与同线径普通钢芯铝绞线相比，复合芯铝绞线可以增加28%的铝截面，由于碳纤维复合芯铝绞线外层软铝线的长期耐热性，在160℃高温下能有效运行，［5］此时的载流量是常规钢芯铝绞线的两倍。

当碳纤维复合芯软铝线温度小于等于拐点温度(约80℃)时，［5］导线张力由内层芯和外层绞线共同承担;当温度大于拐点温度时，导线所有机械张力都将由内层芯来承受，外层软铝线不再承受导线的张力，此时合成芯的线膨胀系数(1.6×10－6/℃)［1］即为碳纤维复合芯软铝线的线膨胀系数，当导线温度继续升高时，弧垂变化不大，起到限制弧垂增加的作用。

3 倍容量导线在架空输电线路上的选择实例

3.1 增容线路概况

要求增容的输电线路是合肥地区220kV永秋2783/2790线，两线路分别为原220kV合肥电厂～东北郊Ⅰ、Ⅱ回线开入永青变及秋蒲变后形成，两回线路径共长8.0公里，导线为1×LGJQ-400，单回路架设，设计气象条件为2505气象区。

3.2 增容改造原因及方式

要求增容的永秋双线为220kV北环网的一部分，随着合肥地区负荷的迅速增长及合肥电厂#5机投运，两线承担潮流十分繁重。两线在各种不同运行方式下，潮流计算结果为:2010年正常方式永秋每回线潮流在180MW，N－1时另一回线潮流在330MW，2015年永秋线N－1时另一回线潮流达到380MW。［6］

根据潮流计算结果，永秋双线原1×LGJQ-400导线在环境温度40℃，最高允许工作温度70℃时，其载流量600A，输送容量228MVA，不能满足N－1的要求。

由于永秋双线位于合肥市城郊结合处，土地资源十分紧张，如果采用原线路走廊新建铁塔架设大截面导线，施工建设时的民事协调难度必将很大，不利于工程建设进度管控，为减小改造工程量，缩短工期，本次永秋双线改造采用在不改变原线路杆塔基础配置的情况下，通过更换倍容导线方式来达到线路增容的目的。

3.3 导线比较分析

参照原线路导线1×LGJQ-400的杆塔使用条件，经比较后选列了与LGJQ-400型导线荷载匹配的四种倍容量导线，殷钢芯超耐热铝合金绞线JLHNR60/LBY10-315/50、间隙型超耐热铝合金绞线GZTACSR-371、铝基陶瓷纤维芯铝绞线ACCR-637、碳纤维复合芯软铝绞线GROSBEAK-816来进行比较分析。四种参选导线参数见表1。

表1 参选导线参数

3.3.1 载流量比较

依据厂家提供的各参选导线在不同工作温度下的载流量，可得到各导线在环境温度为40℃，当工作温度达到表2中的温度值时，所对应的输送容量及载流量。

表2 参选导线载流量

由表2可以看出，当输送功率因素为0.95时，上述四种倍容导线其输送能力均能满足永秋双线在N－1运行方式下所要求的输送潮流380MW。

3.3.2 机械荷载及弧垂特性比较

根据表1四种参选导线参数，利用东北电力设计院的送电电气软件包计算导线机械荷载及弧垂，并与原导线机械荷载及弧垂进行比较，见表3。

表3 参选导线与原导线机械荷载及弧垂特性比较

由表3可以看出，采用GZTACSR-371导线，档距400m时，120℃参考弧垂(对应于钢芯铝绞线70℃)，GZTACSR-371导线与LGJQ-400导线相当，但其断线张力大于原设计条件。考虑到本工程建设方案中采用原线路杆塔，杆塔较单薄，因此本改造不考虑采用GZTACSR-371导线。

JLHNR60/LBY10-315/50导线、ACCR-637导线和GROSBEAK-816导线水平、垂直荷载、断线张力均小于原设计条件，因此原线路可以直接更换导线进行增容改造，不需要更换或加固原来的杆塔和基础。同时三种导线在档距400m时，各自工作温度下参考弧垂(对应于钢芯铝绞线70℃)，均比LGJQ-400导线小，因此不需要对档内导线对地距离做校核，可以满足对地距离要求。

3.3.3 导线经济比较

永秋双线在正常运行方式下每回路要求输送容量为180MW，当输送功率因素为0.95时，正常运行方式下相应输送电流为497A，年损耗小时取3200小时，全年电能损失计算如下:

式中:PZ为电能损失(万度/km);I为线路正常运行方式下输送电流;k为交直流电阻比;R为导线直流电阻(Ω/km，20℃时);τ为年损耗小时数取3200(h);N为导线分裂根数取1(根);CR为直流电阻随温度变化的增大系数，CR=1+α(θ－20)，α为导线电阻温度系数，θ为正常运行方式下输送最大电流时对应的导线温度，根据厂家提供的各参选导线在不同工作温度下的载流量，四种参选导线在正常运行方式下所对应的工作温度如表4。

表4 导线在正常运行方式下的工作温度

表5为各导线全年电阻电能损耗计算结果。

表5 导线在正常运行方式下的全年电能损耗

0.09620 0.0792 0.0828 0.0627最大负荷损耗小时数τ(h) 3200 3200 3200 3200导线分裂数N(根) 1 1 1 1每回全年电能损耗(万度/km)直流电阻20℃时(Ω/km)27.45 22.64 25.98 17.83

若电价按0.4元/度考虑，根据表5计算出的每回线的全年电能损耗，将永秋双线全年电能损失费用及导线造价列于表6。

表6 导线全年电能损耗费用及导线造价表

将3.3.2节比选后满足工程技术要求的JLHNR60/LBY10-315/50导线、ACCR-637导线和GROSBEAK-816进行费用比较，由表6可以看出，ACCR-637导线全年电能损耗费用比GROSBEAK-816导线高出26.08万元，比JLHNR60/LBY10-315/50导线少4.7万元，但前者导线造价高于后两者较多，故本次改造对ACCR-637导线不予考虑。

虽然GROSBEAK-816导线造价比JLHNR60/LBY10-315/50导线造价高出348.8万元，但前者的电能损耗费用要比后者少30.78万元，这就意味着前者经过11.5年运行后，就可收回导线差价。

因此，在技术均满足的前提下，在本工程采用GROSBEAK-816导线为最经济，故本改造工程最终采用高强度碳纤维复合芯铝绞线GROSBEAK-816导线方案。