配网用高导全铝导线与传统导线的比较研究

2015-08-28赵永生

河南科技 2015年7期

赵永生姚辉何卫廖晶

（1.国家电网公司，北京100031；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉430070）

随着社会经济的发展，电力需求和供应之间的不匹配不断加剧，许多地区由于用电负荷的快速增长，原有配电网已不堪承受快速扩容的需求，因过负荷造成的断电故障频频发生，这使得长期薄弱的配电网建设日益受到重视，需要在提高电力输送容量、降低线损等方面加大研究投入，然而在我国城市化建设的高速进程下，土地资源越来越紧张，线路走廊的选择受到极大制约［1-4］；为了将配电网线路进行有效增容和降低线路改造成本，解决现阶段配电网因线路走廊狭窄难以增容的难题，采用高导铝材料研制高导全铝导线，使其导电率超过了62%IACS。

1 高导全铝导线的特点

1.1 高导全铝导线的结构特点

高导全铝导线是使用最新研制的高导全铝材料单丝绞合而成，其主要特点是该导线并没有承重芯，这就要求高导全铝材料具有优异的力学性能。高导全铝材料利用单壁碳纳米管优异的电学和力学性能特点，对纯铝基体进行改性，提高纯铝基体的导电率和力学性能，同时保持纯铝基体良好的塑性和低密度的特性，并采用其研制适用于配电网的高导全铝导线，使其导电率≥62%IACS，抗拉强度≥300MPa。

1.2 高导全铝导线特性

1.2.1 比重轻

其线密度比相同外径钢芯铝绞线减小约20%。

1.2.2 电阻小

其电阻比相同外径钢芯铝绞线减小约12.6%。

图1 高导全铝导线结构示意图

1.2.3 强度高

其抗拉断力比相同外径的钢芯铝绞线提高约1倍。

1.2.4 无涡流损耗

高导全铝导线不需要承重芯线，避免了线路运行时带来的涡流损耗。

1.2.5 安装方便

高导全铝导线安装所需的附件和安装工艺与钢芯铝绞线相同。而与碳纤维复合芯铝绞线［5-6］相比，高导全铝导线的研制可以摆脱国外的垄断控制，同时更加有利于导线的运输、安装、运行维护。

1.2.6 连接附件要求低

相较于耐热铝合金导线［7-9］，高导全铝导线具备更高的导电性能，同时避免因导线温度升高对连接附件提出更高要求的难题。

图2 两种导线的高温弧垂特性曲线

2 新型高强铝合金芯铝绞线与传统导线的比较

2.1 高导全铝导线与普通钢芯铝绞线的材料性能比较

选取直径相近的2种导线，钢芯铝绞线（JL/G1A-630/45）和高导全铝导线（GQLHA4-675）进行对比，2种导线主要材料性能见表1。

从表1中可以看出，两种导线在外径相同的情况下，高导全铝导线其铝线截面积、直流电阻、弹性模量、计算抗拉断力均高于钢芯铝绞线，且导线重量要降低10%以上。高导全铝导线材料的机械性能和电学性能数据均优于普通钢芯铝绞线，这对于配网的增容和节能均有极大帮助。

2.2 高导全铝导线与普通钢芯铝绞线的高温弧垂特性比较

表1 JL/G1A-630/45和GQLHA41-675主要材料性能比较

图2为在三种不同档距不同冰厚情况下所测得的两种导线的高温弧垂数据，从图（a）（b）中都可以看出，高导全铝导线在相同档距下和相同冰厚的前提下弧垂都要小于钢芯铝绞线，且随着档距的增加弧垂也随之增大。

表2 不同档距不同冰厚下两种导线的弧垂差

表2为不同档距不同冰厚下两种导线的弧垂差，是对图2的一种直观细致的补充。从表2中可以看出，在相同冰厚不同档距下，两种导线的弧垂差随着档距的增加而逐渐增大。且在相同档距不同冰厚的情况下，弧垂差也有增大趋势。这是由于导线本身负载增加的缘故，也正好说明了随着档距增大或冰厚增加，高导全铝导线比钢芯铝绞线能发挥更大的优势。导线弧垂的大小是关系到电力线路能否安全运行的重要因素，如果弧垂过大，为了保证带电导线的对地安全距离，在档距相同的条件下，就必须增加杆塔高度或在相同杆塔高度的条件下缩小档距，结果使得线路建设投资成倍增加，同时在线间距离不变的条件下，增加弧垂也就增加了运行中发生混线短路事故的概率。而高导全铝导线由于其弧垂比钢芯铝绞线小，能够降低杆塔高度或者增加档距，在一定程度上能够缩小投资成本。高导全铝导线弧垂小，是由于材料的性能所引起的，导线的弧垂特性与导线的计算拉断力、铝芯截面比、自重等因素有关，而这些性能从表1中可以看出。

2.3 高导全铝导线与普通钢芯铝绞线的载流量对比

在事故运行方式下，交流输电线路可能出现的最大容量由系统的过负荷能力所决定。导线载流量与导线所处气象条件（环境温度、风速、日照强度）有关，在计算导线载流量时，应使导线不超过某一温度，目的在于使导线在长期运行或在事故条件下，由于导线的温升，不致影响导线强度，以保证导线的使用寿命。

本文计算中的环境温度为最高气温月的平均气温，计算导线载流量的环境温度取25℃，日照强度1000w/m2，风速0.5m/s，导线表面辐射、吸热系数均取0.9，根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）条文说明5.0.6公式计算，两种导线在系统输送功率为1 200W的载流量如表3所示。

表3中数据显示高导全铝导线在同等情况下载流量数据要明显优于钢芯铝绞线，提高约4.8%。而电线电缆的导体材料及截面积大小是载流量的决定性因素，导体的外径、结构形式、直流电阻都会影响载流量。显然，在相同条件下，导体外径越大，其输送容量就越大。从表1中可以看出，同样直径大小的两种导线，高导全铝导线要比钢芯铝绞线轻10%以上，在不更换输电杆塔的情况下，可以至少增加10%质量的高导电率铝导体在高导全铝导线上，从而更有效的提升其载流量。20℃直流电阻越小（高导电材料），导体上的损耗越小，电线电缆载流量越大。同样从表1中可知，高导全铝材料要比钢芯铝绞线所用材料20℃直流电阻降低8%以上，也就是说，在同样的情况下高导全铝导线载流量必然要高于普通钢芯铝绞线，正好与表2中数据相符。虽然电线电缆导体的直流电阻与其截面成反比，但对于普通钢芯铝绞线来说，由于其截面增加一倍，存在集肤效应、邻近效应、涡流损耗的影响，电线电缆载流量的平方并没有随之增加一倍。而高导全铝导线由于其完全采用高导铝材料绞合而成，不存在涡流损耗等影响，其截面增加与钢芯铝绞线相同倍数后，载流量增加幅度比钢芯铝绞线更大。载流量对于增容来说具有重要的意义，故高导全铝导线在配网中使用具有明显的技术优势和经济效益。

2.4 高导全铝导线与普通钢芯铝绞线的电阻损耗对比

根据本文的系统条件，各种导线组合分别按照最大负荷损失小时2 500h、3 500h和4 500h计算，同种导线的电阻损耗随输送功率的增大而增加；在不同的输送功率下，全铝合金导线的电阻损耗相对较小，每千米电阻损耗相较于普通钢芯铝绞线降低9%左右。

线损率是供电企业一项重要的经济技术指标，也是衡量综合管理水平的重要标志。电网的线损按性质可分为技术线损和管理线损两大类，抛开管理线损不谈，技术线损主要表现在电网元件，如导线、变压器、开关设备等发热，电能变成热能散发到周围空气中。而目前的状况是导线本来电阻很高，在输送负荷不变的情况下，基本都采用更换导线截面来减少线路电阻，达到降损节电效果。

表3 两种导线载流量数据对比

图3 不同输送容量下两种导线电阻损耗曲线

从图3分析来看，高导全铝导线每千米电阻损耗降低约9%左右，如果配网将钢芯铝绞线更换为此类导线，在不增加导线截面积的情况下将在原来每千米线损的基础上降低9%的线路损耗，如果更换更大截面的高导全铝导线，在保持与钢芯铝绞线重量一致的情况下，线路损耗的降低幅度更大。配电网线路遍及全国各地，分布广、线路长，全国目前110kV配电线路达到5万km以上，10kV线路达到20万km以上。如果把眼光放大到全局上来考量，则发现高导全铝导线对于节能环保具有巨大的优势。