螺頭水道大跨越導線的選型及應用

王軼文，姚耀明，張彤，金紅明

(1．浙江省電力設計院，杭州市，310012;2．浙江省電力公司，杭州市，310007)

0 引言

舟山與大陸聯網輸電線路工程于2010年7月順利投產，是連接舟山和寧波兩地的架空線路通道。螺頭水道大跨越是其中最核心的組成部分，跨越北起舟山市大貓山島，南至寧波市外峙島，采用“耐—直—直—直—耐”跨越方式，跨越全長6 215 m，最大跨距2 756 m。

螺頭水道大跨越是一個創紀錄的工程:

(1)大跨越塔高度370 m創世界第一;

(2)大跨越檔距2 756 m創亞洲第一;

(3)大跨越耐張段長度6 215 m創亞洲第一。

在大跨越設計中，導線的選擇與研制是首要的核心技術環節，直接決定了工程跨越方案及建設規模［1-5］。螺頭水道大跨越的建設中，我們堅持以國產和現階段的生產能力為主要原則，通過試制和試驗，選擇了JLB23－380鋁包鋼絞線作為大跨越導線并在工程中獲得了成功應用。現將工程建設中的相關經驗總結如下，供今后工程參考。

1 導線選型

螺頭水道大跨越斷面如圖1所示。

圖1 螺頭水道大跨越斷面示意圖Fig.1 Cross-section of large crossing of Luotou watercourse

由于2 756 m跨距和6 215 m耐張段長度，以及螺頭水道國際航道的通航要求，對大跨越導線選型提出了極其嚴格的要求。與普通導線相比，大跨越導線需要具有下列特性:(1)更好的弧垂特性。由于大跨越的耐張段較長，加上跨越的江、海又有通航要求，且工作環境惡劣，風載較大，因此對導線的弧垂特性要求很高。(2)良好的電性能和耐較高工作溫度的性能以滿足載流量的要求。(3)較好的抗振動疲勞性能和耐腐蝕性能。

在滿足載流量的前提下，選擇具有較高的弧垂特性的導線可以有效地減小弧垂，降低塔高及工程投資。據測算，對于全高超過200 m的跨越塔，導地線荷載僅占桿塔總荷載30%左右，且隨著塔高的增加，比例會進一步降低。因此，選用弧垂特性好的導線以降低塔高是螺頭水道大跨越導線選型的首要目標。

國內已建成的一些較大規模跨越工程，選用導線弧垂特性一般在15 km以上［6-8］，按照這個標準要求，可選的導線類型有高強度鋼芯(或鋁包鋼芯)鋁合金(或耐熱鋁合金)絞線、鋁包鋼絞線、鋼芯鋁包鋼絞線等。其中高強度鋼芯鋁合金(或耐熱鋁合金)絞線具有載流量大、弧垂特性好的優點，近年來在國內外大跨越中得到了廣泛應用，國內生產技術也較為成熟。

鋁包鋼絞線的主要優點是抗拉強度比高強度鋼芯鋁合金絞線更高，接近于鋼絞線，而載流能力又比鋼絞線大，防銹性能好［9-10］。但這種導線用于交流線路時，交直流電阻比較大，載流能力難以提高，電能損耗大。隨著國內鋁包鋼絲制造技術的提高，可以很精確地調整包鋁的厚度，改變鋁包鋼單絲以及鋁包鋼絞線的鋁鋼比和整體強度。目前，國內能夠生產鋁包鋼絞線的廠家已有多家，且絞線質量也比較穩定，國內生產的產品規格齊全，導電率有:14%、20.3%、23%、27%、30%、35%、40%7種，弧垂特性在12.9～18.9之間，可選擇的余地比較大。

具體到本工程，高強度鋼芯鋁合金絞線應用于2 000 m以上的特大跨越檔距時，由于其大風臨界代表檔距較鋁包鋼絞線小的多，其弧垂性能與鋁包鋼絞線相差較大。以螺頭水道大跨越2 756 m檔距為例，江蘇江陰長江跨越選用的日本鋼芯鋁合金導線AASCR－500/230，其弧垂性能與導電率30%的鋁包鋼絞線相當，但與導電率20%、23%和27%的鋁包鋼絞線相比，弧垂特性相差較多。且為了獲得大檔距下較好的弧垂特性，高強度鋼芯鋁合金絞線總截面均需在700 mm2以上，實際上，螺頭大跨越耐張段長6 215 m，其導線整根制造長度將達到6 500 m左右，對于大截面的高強度鋼芯鋁合金絞線，國內廠家現有生產能力不可能實現。

對于鋁包鋼絞線，雖然交直流電阻比大，載流能力較小，但由于本工程屬于聯網線路，設計載流量并不大，鋁包鋼絞線也可滿足工程需要。鋁包鋼絞線在滿足制造長度6 500 m的條件下，單根導線截面不能突破420 mm2，故在滿足輸送容量的前提下，采用四分裂子導線布置可滿足工程需要。故最終在小截面鋁包鋼絞線中選取，經過對導電率在20% ～27%范圍內的鋁包鋼絞線進行技術經濟比較，最終選定了JLB23－380鋁包鋼絞線。

2 鋁包鋼絞線使用溫度

導線允許使用溫度對導線載流量影響極大，在確保安全可靠的前提下合理地提高導線允許運行溫度，可有效地提高單位截面導線輸送容量，節約工程投資，對螺頭水道這樣特大規模的跨越，影響尤其明顯。長期以來，對于鋁包鋼絞線的運行問題各國標準不一，我國設計標準規定，大跨越線路鋁包鋼絞線最高連續運行允許溫度為100℃，而按日本標準可達到200℃，之間存在較大的差異。

我們對此進行了專門的試驗研究，試驗中，將5種規格的鋁包鋼絞線分別加熱至不同溫度并保持100 h后冷卻至常溫，再分別進行抗拉強度試驗、l%伸長時的應力試驗和扭轉性能試驗。

根據試驗結果，國產鋁包鋼絞線的抗拉強度及l%伸長應力，在200℃溫度下持續100 h后均有所提高。經分析，這是因為雖然烘制溫度未達到其標準的退火溫度，但由于時間累積效應，在一定程度上有調質的作用，所以烘后的抗拉強度較常溫時的要高。從試驗數據還可以知道，除了JLB23－465這一個規格外，其余規格的導線未見影響其扭轉性能的變化。而JLB23－465導線扭轉性能的降低，也屬個別現象，可能因單絲直徑較大引起，所以在生產時，不宜將單絲直徑做的太大。

根據上述試驗結果，經專家評審，最終確定螺頭水道大跨越導線溫度按130℃進行設計。事實上，這是由于選用的鋁包鋼絞線JLB23－380在130℃時已可滿足輸送容量要求，其允許運行溫度尚有進一步提高的空間。

3 鋁包鋼絞線交直流電阻比

交流電阻和交直流電阻比是計算導線載流量的一個重要參數，特別是對新型導線，由于沒有使用經驗，又沒有能比較準確計算導線交流電阻的方法，使獲得該參數的困難增加。尤其對于鋁包鋼絞線，國內相關機構的載流量分析報告和有關文獻中，對交流電阻的測量一般不作描述，通常認為鋁包鋼絞線交直流電阻比鋼芯鋁絞線稍大，在1.15左右。但這個數據與國外的相關資料差距較大，如日本有試驗結論認為鋁包鋼絞線交直流電阻比在1.5～1.7之間。

為解決長期以來國內設計和制造界對鋁包鋼絞線輸送能力的困惑，更好地支持螺頭水道大跨越的設計，我們對包括JLB23－380導線在內的5種規格的鋁包鋼絞線進行了載流量等一系列機電性能試驗。

試驗中參考了IEC 61284:1997中有關金具和導線能耗測量的方法，先測量導線的電流、電壓降和有功損耗，再計算交流電阻。多次核算和驗證表明:利用該方法獲得的數據是可靠的。

從試驗結果來看，我們發現了鋁包鋼絞線交直流電阻比變化的規律。開始階段，交直流電阻比隨著電流的上升而增大，而當導線中的電流達到一定數值后，由于磁飽和使磁滯損耗增長變慢，交直流電阻比減小。試驗結果表明:與鋁絞線、鋼芯鋁絞線、鋁合金絞線等相比，鋁包鋼絞線的交直流電阻比高出很多，其最大值可達到1.8。

在獲得交直流電阻比的實驗室數據后，我們利用載流量試驗時獲得的環境參數和實測的導線外徑、直流電阻等參數，對交直流換算系數進行迭代，考慮到試驗結果的測量不確定度，要求計算值和試驗值的誤差控制在3%以內。經多次迭代，對鋁包鋼絞線而言，實測交直流電阻比k與交直流換算系數K間存在著如下關系:K=0.61(k－1) (1)

上述的試驗結果表明，鋁包鋼絞線的交直流電阻比實際上要遠大于以往試驗的測定值，此結論也與日本的有關報告一致。因此，在螺頭水道大跨越JLB23－380鋁包鋼絞線載流量分析時，交直流電阻換算系數按照測定值，根據公式(1)換算后取值為1.47。

4 導線制造

相比普通大跨越導線，螺頭水道大跨越導線JLB23－380具有單線強度要求高、大跨越耐張段長度長、每盤線重量大等特點，給生產帶來了諸多困難:

(1)除電氣性能要求外，單線要求絞后強度大于1 220 MPa，高出標準要求約10%。

(2)大跨越耐張段長度6 215 m，每根線要求長度達到6 500 m，對鋁包鋼單線產品質量要求非常高，必須對從原料開始的各個環節嚴格控制。

(3)每盤線凈質量達到15.656 t，毛質量達到16.7 t，也給生產、包裝、運輸等環節帶來了許多的新的問題，亟需解決。

結合本工程鋁包鋼線及其絞線的生產經驗，總結技術要點如下:

(1)因單線要求強度高，經反復計算選用72B，φ6.50 mm盤元，提高鋼芯強度，同時通過合理的總壓縮比來確保鋁包鋼單線滿足技術條件要求。

(2)采用獨特的壓力潤滑系統、冷卻系統，使用盤元在拉拔時表面形成一層良好的涂敷，更有利于拉拔及隨后的清洗。

(3)通過熱處理，使鋼芯完全索氏體化，消除加工硬化，使之更適于進一步拉拔，同時也改善了鋼芯的通條性能。

(4)采用物理清洗與化學清洗相結合的方法，有效去除鋼芯表面的氧化鐵皮及其他雜物，在包覆過程中鋁與鋼之間形成良好的結合力，有利于AS拉絲。

(5)根據鋼芯規格選用合適的包覆模具，合理裝配，確保包覆的效果及鋁層的同心度。

(6)采用壓力模系統，保證在拉拔中鋼與鋁同步變形。合理確定壓力模的間隙大小及拉拔模具的尺寸是拉拔過程的關鍵要素。

(7)采用渦流探傷裝置，避免漏鋼、脫鋁等現象帶入下道工序。

(8)絞線過程中調節各線盤張力基本一致，調整好預變形，確保絞合緊密、均勻。

(9)線盤質量達到17 t，通過對收線機進行了改造，最大承載質量可以達到20 t。在收線過程中，收線張力控制也至關重要。

5 導線包裝及運輸

因單盤質量達17 t，加之鋁包鋼絞線鋁層包覆較薄，所以導線的包裝和運輸困難較大。經過反復論證，采用全鋼瓦楞盤，最大可收線7 500 m，最大承載質量達20 t。

為避免導線在運輸、轉運或放線過程中出現傷線、亂線，JLB23－380大跨越導線的包裝需滿足以下幾點要求:

(1)瓦楞盤筒體外部、側板內外焊縫必須磨光，表面去毛刺、棱角，倒圓。

(2)筒體、側板粘貼帆布，防止導線與輪體直接摩擦。

(3)每層線之間鋪點子無紡布。點子無紡布耐磨，且具有一定的彈性，可有效減小內層線受到的擠壓、摩擦等傷害。

(4)同一層線與線之間夾牛皮紙，避免線與線直接接觸。

(5)外層采用三類全封閉包裝，用2根鋼帶固定。

(6)裝車時使用加固井支架或全鋼支架固定，防止在運輸過程中工字輪滾動或滑移。

6 結語

由于2 756 m跨距和6 215 m耐張段長度，以及國際航道的通航要求，對螺頭水道大跨越導線選型和制造提出了及其嚴格的要求。在工程建設過程中，對大跨越導線進行了載流量、交直流電阻、機械特性等一系列的電氣性能和機械特性的研究、論證和實驗，并通過專家評審，最終確定螺頭水道大跨越導線采用四分裂JLB23－380鋁包鋼絞線，導線最高允許溫度按照130℃考慮。

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