用于資源節約型輸電線路的導線之二
——節能型系列導線的主要品種和特性

黃豪士

(上海電纜研究所，上海200093)

用于資源節約型輸電線路導線，共分兩大部分，第一部分導線特性和工作原理已在另一篇論文中論述(本刊2011年第1期)，本文論述第二部分節能型系列導線的品種和特性。

1 資源節約型輸電線路用節能型系列導線的主要品種和特性

資源節約型輸電線路用節能型導線，最為突出的是運行時節能，所以往往又被稱為“節能型導線”。按其結構、鋁導體經處理的技術參數和導線的應力轉移的不同，本產品主要可以分成為三個系列:(1)節能型低蠕變導線;(2)節能型增容導線;(3)節能型擴容導線。

1.1 節能型低蠕變導線

結構特點:導線的結構與傳統常用鋼芯鋁絞線ACSR一樣，區別在于鋼芯鋁絞線用硬鋁線而節能型低蠕變導線用軟鋁線。

美國和加拿大于上世紀70年代開發了該產品，并稱為SSAC(steel supported Aluminum conductor)，到80年代習慣上又稱為ACSS(Aluminum conductorsteel supported)，但ACSS對鋼線未作特殊處理。

鋼芯軟鋁絞線的蠕變量最主要是取決于鋼芯，節能型低蠕變導線則對鋼芯進行預先處理，即去除了鋼芯結構引起的初伸長和蠕變前期的快速伸長部分，從而獲得較低的蠕變量。因此，當導線在較高的溫度運行時，最終的弧垂已不受鋁線的影響。從制造角度而言，這種結構制造比較容易，僅將導線的鋁導體改為軟鋁線，它與傳統常用的硬鋁線性能的比較，見表1。節能型低蠕變導線的截面如圖1所示。

表1 軟鋁線和硬鋁線的性能比較

圖1 節能型低蠕變導線(低蠕變鋼芯軟鋁絞線)的截面圖

我國目前線路中，一般由GB/T 1179—1999圓線同心絞架空導線標準中選取，或仍在GB 1179—1983鋁絞線及鋼芯鋁絞線標準中選取。但不管如何選取，由于軟鋁線的強度遠低于硬鋁線，但又希望其弧垂計算值不要差異太大，所以節能型系列導線的鋼芯一般都采用特高強度鋼線(G3A、S3A)或超高強度鋼線(G4A、S4A)制造，這樣拉力/重量比就比傳統常規導線更接近。當輸電線路在高溫狀態運行時，鋼芯承擔所有的力，特高強、超高強度鋼芯不會受到過大的拉應力，使線路安全。

1.2 節能型增容導線

上世紀80年代，美國和加拿大在生產ACSS的基礎上，開發了新一代的鋼芯軟鋁絞線，即ACSS/TW(Aluminum conductor steel supported/trapezoidal)。它把鋁線股的截面形狀由圓形改為梯形，而鋼線仍為圓線。

節能型增容導線是在ACSS/TW的基礎上又作進一步提高，其中的鋁線股除了可以采用T形外，主要采用S、Z形。它使導線更為緊密，其形狀與IEC 62219:2002(GB/T 20141—2006)型線同心絞架空導線相似，而鋼芯又經過特殊處理后其蠕變量更小，應力遷移點(拐點)又能提前出現。

在輸電線路采用節能型增容導線時，鋼芯將全部承載導線的機械荷載，鋁線股主要是承載電流而不承載機械負荷，因此導線運行的工作溫度不會由于鋁線股的軟化特性而受限制。這樣節能型增容導線的運行工作溫度完全由鋼芯的軟化特性所決定。而鋼芯的再結晶溫度很高，能在較高的溫度下保持正常的機械強度，所以允許的運行工作溫度比普通的鋼芯鋁絞線高很多。

如上所述，節能型增容導線的鋁線股制成SZ形或T形的結構，它與普通的鋼芯鋁絞線相比，結構就更緊密了。在整個導線系列中，鋁線截面可由16 mm2至1400 mm2的很大范圍，鋁層結構有1、2、3或4層，多數結構為2或3層。圖2為2層式結構的節能型增容導線截面圖。

圖2 2層式結構的節能型增容導線截面圖

這種節能型增容導線與相同鋁截面的鋼芯鋁絞線相比，直徑更小，可以使導線減少覆冰和風載;較小的直徑和平滑的外表面能減少空氣動力系數，降低微風振動和舞動的危害。在直徑相同的情況下，增容導線具有更大的鋁截面積，可以提高抗電暈和無線電干擾水平。表2為鋼比13%的400 mm2鋼芯鋁絞線與相等鋁截面積或導線相等直徑的節能型增容導線的載流量的比較。

以鋼芯鋁絞線在70℃時的載流量為100%(599 A)為基準，對節能型增容導線進行討論。從表2中可知:

(1)鋁等截面積的節能型增容導線在100℃的載流量為949 A，即達150%以上;當達到140℃時，已能輸送高至2倍的容量;

(2)當節能型增容導線與鋼芯鋁絞線等直徑時，100℃時的載流量為1094 A，達180%以上;在120℃時為1282 A，達214%;

(3)盡管導體溫度達100℃或120℃，節能型增容導線的弧垂仍不超過鋼芯鋁絞線在70℃時的弧垂量，因此線路是安全的。

采用等直徑的節能型增容導線，其總拉斷力也不增加，這對于塔桿就可以不必改變了。

表2 鋼芯鋁絞線JL/G1A與等鋁截面積或等直徑的節能型增容導線AOF(SZ)Gg+S4A載流量比較

節能型增容導線的鋁導體是由型線制成的，各線股間的接觸面積比常用導線的圓鋁線接觸面積大得多，也即各線股之間的摩擦面積加大了。兼之，軟鋁線受張力與工作溫度已超過遷移點，鋁線呈現出一定的松弛，因此，導線的自阻尼特性比相應的鋼芯鋁絞線更好，對線路的安全更有利。

1.3 節能型擴容導線

擴容導線的結構與增容導線大致相似，與后者的區別是在鋁導體與鋼芯之間存在一個間隙，在間隙中充滿耐高溫的潤滑油脂，在210℃也不滴流(實際滴點達250℃以上)且起防腐蝕保護鋼芯作用。

在鋼芯受力狀態下，導線弧垂特性將完全取決于鋼芯特性，鋼芯的熱膨脹系數11.5×10－6/℃，只有鋁的1/2。當擴容導線達140℃時，它的弧垂量與相應的鋼芯鋁絞線在環境溫度為40℃，工作溫度為70℃時基本一致，因此，這時的載流量正好增大1倍，線路是安全的。

擴容導線的力學性能與間隙型導線基本相同，主要由鋼芯承擔，但就具體的結構、電氣性能、施工等均優于間隙型導線，兩者特性比較見表3。

表3 節能型擴容導線與間隙型耐熱鋁合金導線的特性比較

從施工方面考慮，鋁導體的強度較大為宜，參照對應于150℃高溫下導線的鋁導體的要求，即要有足夠高的強度殘存率，規定了在230℃、1 h的加溫后，強度殘存率≥90%作為參考值。

節能型擴容導線具備節能型增容導線幾乎所有的性能，不同的只是直徑略大些，但卻有更為優良的自阻尼特性。這是由于鋁線和鋼芯的固有頻率不同，在風的微振下，它們將相互碰撞而消耗能量的結果。

2 資源節約型輸電線路用節能型系列導線與其它相應的各類導線的特性比較

2.1 綜合性能比較

資源節約型輸電線路用節能型系列導線與耐熱鋁合金型導線、軟型鋁導線等的綜合性能比較見表4和表5。

表4 各類導線的綜合性能比較之一

2.2 不同溫度時各類導線在線路中的弧垂相對位置

如果用相同規格的各類導線，用相等的安裝張力和條件架設在同一檔距中，其弧垂將隨導線溫度變化，如圖3～圖5所示。

圖3為導線在40℃時的弧垂。從圖中可知，因碳纖維芯強度大、自重小且熱膨脹系數小，故碳纖維芯軟鋁絞線具有最小的弧垂，陶瓷纖維芯軟鋁絞線次之，其他各類導線的弧垂基本相同，都在對地距離安全范圍內。

當導線溫度升至90～100℃時，此時的載流量相當于70℃時150%，常規鋼芯鋁合金絞線和鋼芯耐熱鋁合金絞線的弧垂己超出了對地安全距離允許值，如圖4所示。

表5 各類導線的綜合性能比較之二

圖3 在40℃下架線時各類導線的弧垂相對位置

圖4 在100℃時各類導線的弧垂相對位置

圖5 在150℃時各類導線的弧垂相對位置

由圖5可知，當導線溫度升至140～150℃時，此時的載流量已達70℃時的200%，即N－1狀態;常規鋼芯鋁絞線、鋼芯耐熱鋁合金絞線和鋼芯軟鋁絞線的弧垂均超出了對地安全距離允許值，而節能型擴容導線的弧垂仍在安全范圍內。

3 討論和建議

(1)資源節約型輸電線路用導線，本質上是一種特高強度鋼芯的軟鋁型絞線，并需經過應力轉移的特殊處理，這樣使受于軟鋁型線的力能較快地轉移在鋼芯上，特高強度鋼芯將承擔導線所受的拉力。由于鋼芯的強度高，這時它所受到的應力仍是在它受力的允許范圍內，不會由于鋼芯應力過大而影響導線壽命。

(2)經多次實驗證明，由于應力的轉移，導線的熱膨脹系數明顯較小，且不出現清晰的拐點(遷移點)。從線路設計而言，在導線允許的工作溫度范圍內(如150℃)。由于熱膨脹系數的數值是一個定值，所以在弧垂計量時，可以把給出的數值直接代入。

(3)對于新建的線路用導線而言，把允許的最高工作溫度定位為150℃是合適的，不必要用到允許的最高溫度。這是因為我國導線的允許工作溫度為70～80℃，若環境溫度為40℃時，150℃的載流量已達到70℃時載流量的200%或以上，經應力轉移后的這種導線弧垂，將與常規導線在80℃的弧垂量相同，這是允許的。這樣線路便蘊藏著能增容100%的可能，即在N－1時線路也能安全運行。

(4)軟鋁，即使在230℃下長期工作(這是考核耐熱鋁合金線的溫度，即230℃、1 h的強度殘存率≥90%)其強度也不會降低，但卻有較柔軟、強度低、易被擦傷等缺點，給線路設計或是施工造成困難，應該給予改進提高。

(5)這種資源節約型輸電線路用節能導線都有別于碳纖維芯軟鋁絞線，也有別于一般的鋼芯軟鋁絞線。它作為一種新型導線，在制造技術突破以后，應在線路設計和施工技術上給予完善，使它優良的性能能獲得充分發揮，更好地為電力建設服務。

4 結束語

建設資源節約型輸電線路，導線是線路建設中重要的一環。

資源節約型輸電線路用節能導線，在線路建設時采用，它在輸電時節能;用于線路改造增大輸送容量時，可不必更改輸電線路，不必更換鐵塔而節材;對于新建線路，由于它蘊藏著可增大50%～100%的輸電能力，可以節約土地;導線由型線絞成，結構十分緊密，抗振耐蝕壽命長;導線的主要材料鋁和鋼線有優良的性能，而價格不高，有良好的性價比。

由于我國每年對導線的需求量很大，約100萬t之多。近幾年來我國采用多種由國外購置的，或由國內的工廠仿造的耐熱鋁合金系列導線，如鋼芯耐熱鋁合金絞線、殷鋼芯耐熱鋁合金絞線等線種，它們由于導電率偏低，在運行時能耗加大，且弧垂并不能減小，或能減小而價格高昂。從節能的觀點出發，不推薦采用此類導線。鋼芯軟鋁絞線、碳纖維芯軟鋁絞線等都有著很好的導線性能，運行時節能，但施工技術還需要完善。價格是使用與否的重要因素，所以使用時應詳細作經濟核算才能決定。

資源節約型輸電線路用節能導線，將在不斷完善生產條件的基礎上，使生產效率不斷提高;總結設計經驗利用實驗數據，完善線路設計;總結施工經驗，完善施工技術，使建成的輸電線路既節約資源，又更安全可靠。

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