耐熱導線在寧東—山東±660 kV直流工程接地極線路中的應用

羅棟梁，龍曉慧

（國核電力規劃設計研究院，北京 100032）

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電線路工程是貫徹國家西部大開發戰略，優化資源配置，促進西部經濟社會發展，促進“西電東送、全國聯網”總體格局的一大舉措。充分利用西北地區水電閑置容量，提高西北電網水電的利用率，特別是充分利用西部（寧東）地區豐富資源，轉變一次能源優勢，向山東負荷中心送電，對滿足山東省經濟發展對電力的需求，調整我國能源結構，減輕一次能源運輸壓力，加強環境保護，實現經濟可持續發展等方面具有十分重要的意義。

山東換流站接地極線路是寧東—山東±660 kV直流輸電線路的一部分，主要任務是將山東青島換流變電站的入地電流引至接地極，通過接地極將電流泄入大地。

1 耐熱導線簡介

1.1 耐熱導線的發展

眾所周知，銅、鋁等金屬導體材料通電以后，其機械性能將隨著自身溫度的提高而降低，因而大大影響了輸電能力。

1949年，美國通過研究首先發現了在鋁材中適當添加金屬鋯元素能提高鋁材的耐熱性能。該項發現受到國際相關專業人士的關注和重視，而日本在開發和研究耐熱導線方面則取得了較大進展，開發出鋁中添加約0.1%鋯元素的耐熱鋁合金導線，并于20世紀60年代初開始在輸電線路中實際應用[1]。

我國應用耐熱鋁合金導線已有30多年的歷史。1986年首先在安徽繁昌500 kV變電站采用國產1 440 mm2鋼芯58%導電率耐熱鋁合金絞線（NRLH58GJ）作為母線，之后又在江蘇徐州、上海、浙江瓶窯等地大量采用了國產耐熱鋁合金導線。從1995年到2010年，有數萬噸國產耐熱鋁合金導線用于各類線路改造工程，不僅節約了工程投資，而且提高了輸電容量（40%～60%），產生了明顯的經濟效益。目前，各大電纜廠商已具備大量生產導電率為60%的耐熱鋁合金導線的能力，并在國內外電力建設中得到了廣泛應用[2-5]。

1.2 耐熱導線的特性

由于耐熱鋁合金導線是在普通鋁合金導線中添加鋯、釔等元素，提高了鋁的再結晶溫度、蠕動強度及耐熱性能，其長期工作溫度可達150℃（國產導線為110℃），短期工作溫度可達到230℃（國產導線為150℃），而普通鋁導線的工作溫度僅為70℃，短期工作溫度為90℃。耐熱鋁合金導線的載流量較相同規格的鋁線提高40%～50%，抗拉強度超過180 MPa。試驗表明：耐熱鋁合金線和普通硬鋁線的蠕變特性相同，60%導電率的耐熱鋁合金線與普通硬鋁線的導電率基本相同，絞合后的鋼芯60%導電率耐熱鋁合金線和普通鋼芯鋁絞線的機械性能也基本相同，其連續容許載流量大約為普通鋼芯鋁絞線的1.6倍。

常溫下，耐熱鋁合金單線（φ3.22 mm）與電工硬鋁線相比，除導電率略低之外，其它性能大致相同。耐熱鋁合金導線的彈性系數較硬鋁線大，即在同一荷重下耐熱鋁合金導線的伸長率較小。

高溫時,耐熱鋁合金導線的強度性能比硬鋁線要好得多，圖1為從常溫到300℃范圍內硬鋁線和耐熱鋁合金導線在各溫度點加熱1 h后得到的強度殘存率的等時軟化特性。

從圖1中可看出：耐熱鋁合金導線的強度殘存率比硬鋁線高，說明耐熱性有所提高[6-8]。

圖1 導線等時軟化特性

2 耐熱導線在±660 kV直流工程接地極線路中的應用

2.1 特性分析及經濟比較

山東換流站接地極線路起于青島換流站，止于諸城接地極，線路途徑青島膠州、濰坊高密、濰坊諸城3個市縣，線路全長46.879 km。接地極線路的額定輸送電流為3 000 A，最大持續電流為3 300 A（持續時間2 h），雙極運行時不平衡電流為30 A，最大短時電流為4 500 A（3 s）。接地極線路的電壓約3 kV。

根據以往的設計理念，接地極線路一般采用鋼芯鋁絞線。為選擇最合理的導線方案，最大限度地減少投資，本線路初步設計了如表1所示的5種導線方案比選。

表1 導線方案載流量對比

由表1可知，耐熱鋁合金導線2×JNRLH60-630/55、 鋼芯鋁絞線 4×LGJ-630/45 和 5×LGJ-500/45滿足最大持續電流3 300 A的要求。

通過對 2×JNRLH60-630/55 和 4×LGJ-630/45導線方案的詳細分析、對比、論證、調研，其技術參數和主要材料指標對比見表2、表3。5×LGJ-500/45導線方案由于導線根數為奇數，不論如何布置均不能達到受力平衡，因此桿塔結構尺寸需加大，導線配套金具研制困難，方案不合理。

JNRLH60-630/55型耐熱導線與LGJ-630/45型常規導線的外徑、拉斷力、重量、彈性系數及線脹系數等參數相差無幾，但由于2×JNRLH60-630/55導線方案少2根導線，故水平荷重、垂直荷重、張力均較4×LGJ-630/45減少50%，桿塔負荷明顯減小，塔重大大降低。

2×JNRLH60-630/55導線方案運行溫度較高，弧垂比4×LGJ-630/45大2.63 m，故桿塔規劃的檔距相對較小，定位時線路平均塔高增加。

表2 兩種導線方案的技術參數對比

表3 兩種導線設計方案的主要材料指標對比

由表3可知，2×JNRLH60-630/55導線方案的主要工程材料較4×LGJ-630/45有明顯減少，其中塔材減少10.6%，混凝土減少7.5%，導線減少50.0%，從而大大降低了工程造價。此外，2×JNRLH60-630/55導線方案的走廊寬度較4×LGJ-630/45減小1.2 m。

耐熱導線應用于增容工程中的不利因素是線損加大，但在接地極線路工程中線損不是問題，因為接地極線路的作用是將換流站的入地電流引至接地極，通過接地極將電流泄入大地，線路損耗不影響泄流效果。

綜上所述，接地極線路采用2×JNRLH60-630/55導線方案的優勢十分明顯（以兩組形式懸掛在桿塔兩側），得到了工程評審專家的一致肯定。

2.2 設計注意事項

（1）耐熱導線運行溫度的確定。國內電線電纜廠家生產了眾多特性不同的耐熱導線，運行溫度高低不一，從90℃到150℃甚至更高，因而急待出臺行業標準來規范產品技術參數。

（2）開發生產適用于耐熱導線的耐張線夾、補修管、壓接管、間隔棒和防振錘等金具。目前，國內雖然已有金具廠家開發試制出此類耐熱產品，但未能形成行業標準金具。

（3）與換流站或接地極普通設備連接過渡的金具設計。耐熱導線輸送容量大于同等截面的鋁包鋼芯鋁絞線，而變電站引線只能采用鋁包鋼芯鋁絞線，因此要根據耐熱導線的容量選擇相匹配的單根大截面鋁包鋼芯鋁絞線或者雙分裂鋁包鋼芯鋁絞線，同時應根據連接形式選用過渡線夾。

3 結語

寧東—山東±660 kV直流工程接地極線路工程成功采用耐熱鋁合金導線，運行實踐表明接地極線路采用耐熱導線有以下優點：

（1）耐熱導線具有非常好的機電性能，可通過提高導線允許溫度來滿足接地極線路的最大持續電流。

（2）接地極線路采用耐熱導線，對線路的弧垂和線路金具有一定影響，必要時要加大線路對地高度，采用耐熱金具。因此，在采用耐熱導線輸電技術時要權衡利弊，合理運用。

（3）接地極線路采用耐熱導線能大大降低主要材料指標，且無線損問題，既響應了國家節能降耗的政策，也符合建設兩型電網的要求，必將產生顯著的經濟效益和社會效益。

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