關于110kV至500kV架空輸電線路新材料應用情況的探究

楊光武

摘要：110kV至500kV架空輸電線路屬于高壓輸電線路，是國內主要的長距離跨地區電力輸送通道，110kV至500kV架空輸電線路材料目前國內主要使用鋁包鋼芯鋁絞線，在其他新材料上也有很多探索，比如碳纖維復合芯鋁絞線、碳纖維和玻璃纖維混合芯鋁絞線、高強度全鋁合金線等，這些新材料在一定程度上解決或修復了鋁包鋼芯鋁絞線的一些不足，在未來的110kV至500kV架空輸電線路中可能被廣泛運用。

關鍵詞：鋁包鋼芯鋁絞線 高壓輸電線路 碳纖維復合芯鋁絞線 電氣性能 機械強度

電力已經是我們日常生活不可或缺的基本設施，如果沒有電，我們不敢想象生活是什么樣的，首先我們無法吃飯、晚上無法工作、白天無法出門、交通信號燈也會癱瘓等等。可能很多人不清楚的是，這么基礎的物資其實也是通過“高速公路”運輸到全國各地的，只不過電能運輸的“高速公路”是高壓輸電線路。

目前國內高壓輸電線路電壓等級為110kV～220kV，330kV～750kV電壓等級為超高壓，因為110kV至500kV屬于兩者中間，所以不對這個做特殊要求，就統一為高壓。一般高壓電通過架空線路進行輸送，就是我們平常在戶外可能會看到的那種架在高架鐵塔上的線路。110kV至500kV架空線路是我國電力輸送的命脈，而輸送的“高速公路”——導線則影響著輸送的質量和速度。本文將圍繞目前110kV至500kV架空輸電線路新材料進行討論，探究有哪些新材料的運用可以提高電力輸送的效率和質量。

1.目前110kV-500kV架空線路主要使用的材料

現在國內110kV至500kV架空輸電線路主要使用的是鋁包鋼芯鋁絞線，這種導線的應用十分的廣泛，是一種將單層或多層鋁股線絞合在鍍鋅鋼芯線外的加強型導線。

鋁包鋼芯鋁絞線的主要組成部分是鋼線和鋁線，鋼芯是“中芯線”，鋁線通過絞合的方式圍繞在鋼芯上，鋼芯主要用來增加導線強度，鋁線則是用來導電。

鋁包鋼芯鋁絞線在架空線路上具備很多的優勢，它結構簡單、安裝方便，最主要的是經濟性好，能夠傳輸大容量的電能。因為加了鋼芯，導線在抗拉強度上大大加強，可以跨越很多地理障礙，特別適合南方多山水的地形結構，是我國目前架空線路中使用最多的導線。

但是鋁包鋼芯鋁絞線也存在很多的特殊性，在一些特殊場合比如高溫、高寒、腐蝕度高的地區應用不夠廣泛;其次鋼芯使得導線重量大，作為架空線路可能會出現離地間隙小的情況;另外，鋁的導電性雖然比較好，但是還有很大的改進空間。因此開發新的材料解決這些問題一直是很多科研人員努力的方向。

2.110kV-500kV架空線路新材料應用情況探究

隨著國內用電需求的增大，110kV-500kV架空線路建設也越來越多，為了應對特殊的耐熱、耐寒、耐腐蝕環境輸電，電力工作者一直在探索使用新的材料來替代鋁包鋼芯鋁絞線。

目前正在進行研究的有可以耐腐蝕的鋁包鋼芯鋁合金絞線、強度更高的高強度全鋁合金導線、還有耐腐蝕重量更輕的有機復合導線。下面我將主要介紹這幾種新材料在110kV-500kV架空線路中的應用情況。

2.1特殊性能鋼芯鋁絞線

特殊的鋼芯鋁絞線既能算是新材料，也不能說完全是新材料，它是在鋼芯鋁絞線的基礎上進行改進，使得它能夠應用在特殊的環境中。這種新材料不是完全的新材料，更嚴謹的說法是改進材料。

比如上面提到的可以耐腐蝕的鋁包鋼芯鋁合金絞線，還有抗拉強度更高的全鋁合金絞線，還有為了應對高溫地區輸電的耐熱型鋁合金導線等等，這些新材料是替換或者改進鋼線或者鋁線，不能完全算新材料，但也是新材料應用的探索，我就不過多的介紹了。

除了改進，肯定會有創新，下面提到的都是新材料的應用。

2.2碳纖維芯鋁絞線

碳纖維芯鋁絞線的芯線由碳纖維和樹脂組成，是典型的有機新材料的應用。簡單講就是將原來的鋼芯鋁絞線中的鋼芯替換成碳纖維和樹脂，碳纖維的抗拉強度、抗沖擊力、彎曲應力承受力相對鋼芯有很大的提升。因此這種新材料在110kV至500kV架空輸電線路中有更好優勢。

碳纖維作為有機材料，其最大的優勢就在于重量的減輕，對于鋼芯鋁絞線來說，過高的重量導致導線垂弧過大，離地間隙過小，重量輕的碳纖維鋁絞線就很好的解決了這個問題。同時因為重量輕，所以在架設鋼芯鋁絞線的高塔上也能架設碳纖維芯鋁絞線，不用再重新建塔，轉換成本低。但是碳纖維在架設要求更嚴格，在成本上相對傳統的鋼芯鋁絞線會更高，所以在實際使用上也需要根據實際情形進行判斷。

2.3碳纖維和玻璃纖維復合芯鋁絞線

碳纖維和玻璃纖維混合芯鋁絞線是在碳纖維鋁絞線基礎上將樹脂改成了玻璃纖維，在碳纖維的中心層外包裹一層玻璃纖維，然后將形成的芯棒浸漬在環氧樹脂中，經高溫固化形成復合材料芯線[1]。外面的鋁絞線還是使用原來的鋁絞線，也只是將中間的鋼芯替換掉。

碳纖維和玻璃纖維復合芯鋁絞線也稱之為碳纖維復合芯導線，目前在美國和加拿大使用較多，其他如歐洲、墨西哥、中國也同步在嘗試。其中江蘇遠東電纜有限公司、遼寧省電力公司都在這方面進行先進的探索。

碳纖維和玻璃纖維復合芯鋁絞線重量僅為鋼芯的0.25倍，在重量上大大減輕;碳纖維的抗拉強度為3000兆帕，比鋼芯的抗拉強度更大，無論是在運輸還是架設的過程中，都能很好的對抗形變。

對于輸電線路來說還有一個重要的問題需要考慮，那就是線損。碳纖維和玻璃纖維復合芯鋁絞線的線損相對鋼芯鋁絞線來說也是大大降低了。首先是因為碳纖維和玻璃纖維復合芯鋁絞線是用的導電性能更好的軟鋁;其次因為碳纖維和玻璃纖維復合芯鋁絞線是有機材料，不會因為交流電而產生渦流損耗;最后是結構上采用更緊密的排布方式，增加了導線的截面積，增大了導電能力，減小了損耗。

碳纖維和玻璃纖維復合芯鋁絞線具備重量輕、抗拉強度大、導電性能好等優勢，相較于傳統的鋼芯鋁絞線有較大的應用優勢，適合推廣。

2.4高強度全鋁合金線

高強度全鋁合金線是直接增加鋁導線的強度，使之不用增加鋼芯就能達到相應的強度。這是一種非熱處理的鋁合金絞線，生產工藝簡單、成本低、導電性能好[2]。

因為金屬鋁重量相較其他金屬來說是很輕的，而且延展性好，這也是為什么銅導電性更好但是在110kV至500kV的高壓架空長距離輸電線路中很少使用的原因。高強度全鋁合金導線很好的延續了金屬鋁自身的優點，弧垂特性好，有更高的離地間隙，能夠有效的降低鐵塔成本。

3.總結

本文主要討論了110kV至500kV架空輸電線路新材料的應用，原來110kV至500kV架空輸電線路使用最廣泛的材料是鋼芯鋁絞線及鋁包鋼芯鋁絞線，現在通過科技和技術手段進行了多輪創新，一直在尋找更加優化的材料，降低輸電的成本，同時我們也可以從110kV至500kV架空輸電線路新材料的發展中看出產業發展的幾個趨勢。

第一種新材料的應用就是在原材料基礎上進行改進，上面提到的特殊的鋼芯鋁絞線就屬于這種，對原材料局部改進，優化特定的性能。

第二種就是探究零部件的優化和替代，碳纖維芯鋁絞線、碳纖維和玻璃纖維復合芯鋁絞線就屬于零部件替代，用新的有機材料替代原有的鋼芯，使性能得到優化。

第三種就是整體替換，高強度全鋁合金線就是直接用高強度全鋁合金線替代原來的鋼芯和鋁絞線，將原來的零部件直接化成一個整體，不僅使性能得到優化，還能讓結構更加的簡單。

參考文獻：

[1] 盛尊華，王煒，劉哲.?碳纖維導線在500kV雙回輸電線路中的應用研究[J].河北電力技術，2014，33（5）：17-19.

[2] 梁旭明，余軍，尤傳永.?新型復合材料合成芯導線技術綜述[J]. 電網技術，2006，（19）：1-6.