中強度全鋁合金導線在輸電線路中的應用

葉鴻聲

（華東電力設計院，上海市，200063）

0 引言

目前，世界上許多國家的輸電線路上已廣泛使用鋁合金導線，它們主要是高強度鋁合金導線。我國的導線國家標準從1999標準至2008標準，列入的鋁合金導線有3種結構形式：（1）全鋁合金絞線（all aluminum alloy conductor，AAAC），全部線股均由同質的鋁合金線所構成；（2）鋁合金芯鋁絞線（aluminum conductor alloy reinforced，ACAR），其線芯為鋁合金線，外層絞制電工圓鋁線；（3）鋼芯鋁合金絞 線（aluminum alloy conductor steel reinforced， AACSR），其線芯為高強度鋼線，外層絞制鋁合金線。

我國從20世紀60年代開始研制和開發高強度AAAC。在20世紀90年代引進世界先進的生產設備和工藝技術，高強度AAAC產品質量達到國際先進水平，已經在220 kV和±500 kV天廣線輸電線路局部地段采用了高強度AAAC。國內已有武漢線纜廠、杭州線纜廠、上海中天鋁線有限公司等能生產制造該型導線，并已出口東南亞、印度、巴基斯坦、孟加拉國等。高強度全鋁合金鉸線AAAC-400～AAAC-720配套金具（耐張線夾、接續管、補償管等）已由上海寶翔機械有限公司研制成功，并于2002年10月通過專家評審，可生產供貨。

1 中強度全鋁合金線特性

我國導線標準GB/T 1179—2008《圓線同心絞架空導線》中的2種鋁合金線種LHA1和LHA2為高強鋁合金，導電率分別為52.5%IACS和53%IACS，與鋼芯鋁絞線（aluminum conductor steel reinforced，ACSR）采用的硬鋁線LY9的導電率61%IACS相比，在相同導線截面時，其直流電阻要增大15%左右；在通過相同電流時，其電阻損耗也相應增大15%左右。

世界上很多國家，如日本、法國、澳大利亞等都開發使用一種中強度全鋁合金鉸線AAAC，其多半為非熱處理型鋁合金，主要優點是生產工藝簡便，成本低，導電率較好（58.5%～59%IACS），抗拉強度為240～255 MPa，延伸率為1.5%～3%。各國的中強度AAAC品種和牌號也較多，其與硬鋁線主要性能比較如表1所示。

日本住友公司開發的鋁合金導線系列產品如圖1所示。其中型號SI-26導線即為中強度AAAC，其導電率為58.5%IACS，最小抗拉強度為260 MPa，延伸率為3%，運行溫度為90℃。

表1 中強度鋁合金線與硬鋁線主要性能比較Tab.1 Main properties of moderate-strengthAAAC andACAR

2 中強度鋁合金線參數計算

2.1 交流電阻計算

提高交流架空輸電線路的輸送容量和降低電阻損耗都與導線的交流電阻有關。中強度AAAC與ACSR的交流電阻的差異是值得關心的問題。

導線20℃時的直流電阻R20可按式（1）計算：

式中：ρ20為導電金屬線在20℃時的電阻率，Ω·mm2；λam為平均絞入系數，組合絞線假設鋼芯不負載電流，采用導電金屬線的平均絞入系數；A為導電金屬線總截面面積，mm2。

中強度AAAC 20℃時的電阻率雖然比ACSR的硬鋁單絲電阻率要大（中強鋁合金導電率為58.5% IACS，硬鋁線為61%IACS），因為沒有鋼芯，中強度AAAC的導電金屬總截面較相同直徑的ACSR大，所以二者整根導線的20℃直流電阻是相差不大的。

由于鋁線在空氣中氧化而形成具有絕緣性的氧化鋁膜，所以AAAC及ACSR通電載流后，電流是沿鋁股線做螺旋形方向流動的，因而形成軸向磁場。雖然導線中相鄰層鋁線的絞向相反，可使一部分磁化力抵消，但仍足以構成交變的剩余磁場強度，使鋼芯中產生磁滯和渦流，導致功率損耗。同時由于集膚效應和鄰近效應的影響，使導線中電流分布發生變化，導致導線的電阻增大，即產生交流電阻。

由鋼芯中的磁滯和渦流引起的功率損耗稱鐵損，它引起的電阻增大效應稱鐵損效應。對架空輸電線路，當導線間距大于5倍外徑時，鄰近效應影響甚小，可忽略不計，而集膚效應引起的電阻增大是需要考慮的。

交流電阻Ra為渦流及磁滯引起的電阻增量ΔR1和由集膚效應及鄰近效應引起的電阻增量ΔR2與直流電阻Rd的總和，其與直流電阻之比，稱為交直流電阻比，即

日本電線與電纜制作者協會頒發了標準JCS 0374：2003《裸線載流量計算方法》。對應于使用溫度t時的直流電阻RDC為20℃時的直流電阻通過式（3）求得，單位為Ω/km。

而交流電阻為

在交流的情況下，式（4）中的K為考慮式（5）所示的K1和K2所形成的交直流電阻比。

K1和K2的具體計算公式、電線的構造如表2所示。

不同導線的20℃直流電阻R20、40℃直流電阻R40、磁滯渦流效應系數K1、集膚效應系數K2、交直流電阻比K=K1·K2、40℃交流電阻R40N計算結果如表3所示。從表3的計算結果可以看出：

（1）全鋁合金絞線由于沒有鋼芯就沒有磁滯渦流損耗，但其集膚效應比鋼芯鋁絞線要大。

（2）對鋁鋼截面比小的導線（即鋼截面比例大的導線）用全鋁合金線替代后交流電阻降低的要大一些，而對鋁鋼截面比大的導線，交流電阻降低的要小些。

2.2 平均運行應力、鋁（鋁合金）線的應力和Tcp/W

輸電線路設計人員希望盡可能地提高導線的最大設計應力，以降低工程造價。然而，輸電線路不可避免要發生微風振動，嚴重的振動會導致導線的疲勞斷股或斷線，且隨著導線應力的提高而使振動斷股發生的可能性隨之增大。故在導線上必須采取防振措施來抑制微風振動強度，但防振措施應結合導線的應力進行綜合考慮。國際大電網會議（CIGRE）第6工作組，于1960年提出導線平均運行應力EDS（every day stress）的概念，規定了在采取有效防振措施后，可允許使用的導線最大應力值，即EDS上限值，以及不采取防振措施（無保護）時的導線應力值，即EDS下限值。我國標準GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》中，對鋼芯鋁絞線ACSR的EDS上限值規定為25%，按此設計的大量輸電線路運行情況良好。EDS是指年平均氣溫及無外荷載條件下的導線水平應力，習慣上將此時導線張力值以導線極限抗拉強度UTS（ultimate tensile strength）的百分數表示。

表2 不同結構導線的交直流電阻比計算公式Tab.2 Calculation formula of DC andAC resistance ratio of different conductors

導線平均運行應力EDS是指導線在平均氣溫狀態下的綜合應力，而對應的鋁股或鋁合金股的應力值及如何評價是令人關注的。一般而言，選擇導線平均運行應力時，應按不同的導線材料的應力分配，使鋁股或鋁合金股的應力不大于它們各自的疲勞極限。

導線材料的疲勞極限可通過在旋轉反復彎曲試驗機上進行試驗獲得，各種試驗報告的數據不盡相同，但差別不大。硬鋁線的疲勞極限為59.8～68.6 MPa，現取為63.7 MPa，對中強鋁合金，日本住友公司的疲勞試驗數據為88.2 MPa。

ACSR和AAAC的疲勞強度實質上是由外層鋁線（或鋁合金線）的疲勞特性所決定，并與鋁（鋁合金）線承受的靜態應力有關。

組合導線中各層單絲之間受力分配的精確計算是一項復雜的工作，因為它不僅與各層的絞入系數λi有關，還和材料蠕變單絲間的擠壓和切力等有關。根據對各種公式的計算比較，認為用節矩法計算外層鋁（或鋁合金）的應力較合適。按以下公式對各層單絲分配到的應力進行計算。

式中：Pi為絞線中第i層的節距比；Di為絞線中第i層的外徑；di為絞線中第i層的單絲直徑；E0、Ea、Es分別為絞線、鋁線和鋼線的彈性模數；K為鋁鋼比；σ為絞線綜合應力；σai為絞線中第i層鋁絲分配到的應力；cosαi=1/λi；λi為第i層的絞入系數。

表3 不同導線交流電阻計算結果Tab.3 CalculatedAC resistance of different conductors

自1962年CIGRE提出EDS概念后，多年來當采用新導線的線路在新的地區運行后，在這些線路上發生導線疲勞損害，有些并不能用EDS充分揭示。1962年以來的研究和試驗結果表明，EDS并不能完全解釋發生的現象，從而提出以Tcp/W比值來反映振動與導線張力的關系，比以UTS的百分比值更為恰當（Tcp為最低氣溫月平均氣溫時的導線張力，W為導線單位長度質量）。國外資料表明，在檔距不超過500 m的平坦地區，單導線的Tcp/W取值為：無護線條，1 690 m；有護線條，1 750 m；檔中1個防振錘，1 950～2 050 m；檔中2個防振錘，2 150～2 250 m。

不同導線的機械特性如表4所示。由表4看出，在平均運行應力作用下：

（1）ACSR外層鋁線的應力的安全系數為2.91～3.27，而中強度AAAC外層的鋁合金線的應力的安全系數為3.88～3.89；

（2）外層鋁（鋁合金）線的應力占其疲勞極限的百分數，ACSR為76.8%～86.3%，而中強度AAAC為70%～71.5%。顯然中強度AAAC的耐振性能較ACSR要好些。

3 應用舉例

3.1 原始條件

以500 kV某線路為例，正常輸送容量1 150 MW。cosφ=0.95時，四分裂導線每根子導線正常輸送電流350 A。氣象條件：最大風速28.6 m/s（10 m高時）；最大覆冰10 mm。

3.2 導線參數

我國目前能生產的3種鋁合金絲（運行溫度90℃）性能如表5所示。全鋁合金導線參數如表6所示。

其中，LGJ-400/35、LHA1-400、LHA2-400三種導線為國家標準GB/T 1179—1999《圓線同心絞架空導線》中現有的導線。中強度AAAC線LHA3-400（即SI-26導線）在國外已大量應用，在國內最近也已經研發成功。

表5 鋁合金單絲性能Tab.5 Properties of singleAAAC wire

表6 全鋁合金導線參數Tab.6 Parameters ofAAAC

3.3 機械特性比較

表4 不同導線的機械特性Tab.4 Mechanical properties of different conductors

各導線的機械特性如表7所示。表中UTS為 0.95×計算拉斷力。

表7 不同全鋁合金導線的機械特性Tab.7 Mechanical properties of differentAAAC

JLHA1-400和JLHA2-400的使用拉力較大，因而弧垂大大小于LGJ-400/35和JLHA3-400，覆冰過載能力也強于LGJ-400/35和JLHA3-400。JLHA3-400與LGJ-400/35相比，弧垂略小，覆冰過載能力相差不大。

水平荷重方面，由于JLHA3-400與LGJ-400/35線徑基本相同，因而水平荷重也基本相同，JLHA1-400和JLHA2-400則線徑略大，水平荷重比LGJ-400/35分別大4.4%、4.0%。垂直荷重方面，由于JLHA3-400具有最小的單位長度重量，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的使用拉力較大，它們的縱向張力也大大高于LGJ-400/35和JLHA3-400。

3.4 能損比較

各種導線的能損比較如表8所示。

3.5 經濟比較

工程主要材料價格參照近期招標價，LGJ-400/ 35取費價16 800元/t。各種導線的經濟性比較如表9所示。

結合能損比較來看，3種AAAC的總價比較接近，其中JLHA3-400總價最低，并且電能損耗最小。LGJ-400/35價格比全鋁合金導線低20%，但每年線路損耗比JLHA3-400大7.63萬kW·h。2008年華北地區上網電價為0.363 94元/（kW·h），銷售電價為0.487 60元/（kW·h）。以上網電價計，2.26年損耗與差價抵銷；以銷售電價計，1.69年損耗與差價抵銷。

表8 不同全鋁合金導線的能損Tab.8 Energy loss of differentAAAC

表9 不同全鋁合金導線的價格Tab.9 Prices of differentAAAC

4 中強度全鋁合金絞線優點

在超、特高壓輸電線路上采用中強度AAAC較目前普遍采用的ACSR有如下優點。

4.1 加工制造方面

中強度AAAC線為非熱處理的鋁合金線，所以生產工藝簡便，成本低，效率高。

4.2 設計方面

（1）弧垂特性好。AAAC的總拉斷力與其單位重量之比為9.4 km，而常用ACSR為7～8 km，因而弧垂特性好，可降低線路建設投資。

（2）延伸率大。按標準值（2%～3%）為鋁線的2倍，因而AAAC線具有優良的過載能力及疲勞特性。

（3）高溫特性好。加拿大Alcan公司介紹，在80℃持續運行不產生強度損失，在更高溫度下運行，強度損失也少，而且高溫運行起到人工時效作用，提高電導率2%～5%。

（4）荷載方面，與相同直徑的ACSR相比，水平荷載、縱向強力相當，垂直荷載減少10%。

（5）與相同直徑的ACSR相比，在外部條件相同時（分裂數、分裂間距、對地距離、相間距離等），其地面電場強度、磁場強度、無線電干擾、可聽噪聲等也相同。

4.3 施工方面

（1）接續金具簡單。AAAC由同種材料絞成，故僅需1個接續管，施工方便。其屈服強度約為鋁線的1.5倍，壓縮型接續不易產生導線鼓包或燈籠現象。對耐強跳線可減少壓接工作量，提高效率。

（2）表面耐損傷。鋁合金線的硬度（布氏硬度為85HB）為鋁線的2倍，但重量比ACSR輕，施工放線時可減少導線表面擦傷，提高施工質量。而且可減少運行時電暈損失及無線電干擾水平。

4.4 運行方面

（1）電能損失少。雖然總強度鋁合金絲的直流電阻率比硬鋁線約高4.3%，但由于同直徑時，AAAC的導電截面積較ACSR大，所以20℃直流電阻要稍低于ACSR。而ACSR鋼芯要產生磁滯損失和渦流損失，而AAAC無鋼芯，故交流電阻要比ACSR低，故電能損失減少，特別是大容量輸電時降耗明顯。

（2）耐腐蝕。對大氣腐蝕具有天然抵抗能力，而且又避免了鋁線與鍍鋅鋼線之間的電化腐蝕，導線運行壽命長。

（3）AAAC的外層鋁合金絲的受力較ACSR外層鋁絲的受力相對值要小，耐受振動的性能要好。

4.4 小結

中強度AAAC在超、特高壓輸電線路中值得推薦，而且在我國已有廠家制造出成品，通過了型式試驗。

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