耐熱導線在增容改造工程中應用的研究

肖元博

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

隨著我國經濟的持續發展，對電力的需求也大幅度攀升，為降低線路的損耗，提高輸送能力，有效控制工程建設和運行成本，耐熱導線逐步在新建線路上應用。對于發達地區，難以開辟新的線路走廊，需對大量老舊線路進行改造，利用舊桿塔擴充線路容量，為能滿足老舊線路桿塔的使用條件，則需采用各種耐熱導線對老舊線路進行改造。耐熱導線是在架空輸電線路上使用的特種導線，它是在具有相等導體截面積的情況下，相對于傳統的鋼芯鋁絞線能輸送更多電能的若干種類導線的總稱，也可稱其為“增容導線”。迄今世界上已有很多種增容導線出現，概括起來可分為兩大類：一類是增加導線的輸送容量，導線的溫度提高，但作為導電部分的材料其強度不降低，仍保持著常溫下相接近的總拉斷力，如耐熱鋁合金作導體的系列導線；另一類，則著重于導電部分的節能，即有著高的導電率，而導線總的力學性能由承力的芯部承擔，即使在導線載流量增加，導線溫度提高以后，導線的運行仍是安全的，如有機復合材料作為加強芯的系列導線。

1 增容導線主要類別

目前，國內廣泛使用的耐熱導線主要有碳纖維復合芯導線，軟鋁線，殷鋼芯耐熱鋁合金絞線，應力轉移型導線(間隙型)，鋼芯耐熱鋁合金絞線。

碳纖維芯導線為新型復合材料合成芯導線，具有很強的耐沖擊性、耐抗拉應力和彎曲應力。價格較高，目前碳纖維芯導線價格約是鋼芯鋁絞線的5倍[1]。鋼芯耐熱鋁合金絞線與傳統的鋼芯鋁絞線相類似，僅是將鋁絞線改為鋁合金絞線，增強了導線的耐高溫能力，而張力弧垂等與鋼芯鋁絞線相似[2]。軟鋁線是一種采用1350-0型電工鋁經熱退火處理的鋁線，因通過高溫退火處理，當導線溫度不超200 ℃時，軟鋁線的強度不會降低。目前主要與特強鋼芯、特強鋁包鋼芯、碳纖維復合芯組合。由于耐熱鋁合金的膨脹比殷鋼芯快，且鋁包殷鋼芯與耐熱鋁合金線的熱膨脹系數差別很大，在一定的溫度時，導線的張力全為殷鋼芯承受，此溫度稱為張力遷移點溫度，殷鋼芯耐熱鋁絞線的張力遷移點溫度一般為60～100 ℃。拐點后的導線的弧垂由鋁包殷鋼芯來決定，因鋁包殷鋼芯膨脹系數較小，因此在增加1倍輸送容量時而不增加導線的弧垂，實現倍容[3]。

間隙型增容導線的增容機理是用特殊的施工工藝，使導線的張力遷移點在施工時就出現，即在一般施工溫度以下時，是鋼芯與鋁股共同承受導線張力，而高于施工溫度時，由鋼芯獨自承受導線張力，導線的弧垂變化就是鋼芯的變化。由于鋼芯的熱膨脹系數只有11.5×10-6/℃，只有普通鋼芯(20×10-6/℃)的一半，所以間隙型增容導線有增加1倍的輸送容量而不增加弧垂的優異特性，采用間隙型增容導線輸送容量可達2倍原輸送容量。

2 增容導線特性及經濟性比較

選擇應用較多并有一定運行經驗的增容導線，擬選擇替換鋼芯鋁絞線JL/G1A-300/40，增容導線型號為：碳纖維復合芯導線JLRX1/F-300/35，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線JNRLH3/LBY-240/55，間隙型特強鋼芯耐熱鋁合金絞線JNRLH3S/G5A-240/40，特強鋼芯軟鋁絞線JLRX/EST-300/40。各導線參數見表1。下面對5種導線從電氣特性、機械特性以及經濟性等方面進行比對，分析各導線的優缺點，以便在增容改造工程中更換地使用。

2.1 導線特性比較

2.1.1 載流量比較

導線選擇的原則是導線溫度升高不超過允許值時，導線的輸送容量應滿足系統極限輸送容量(N-1或N-2)的要求。各增容導線溫度及載流量如下：

a.2×JL/G1A-300/40型號導線溫度70 ℃，載流量1 185 A；

b.JLRX1/F-300/35型號導線溫度180 ℃，載流量1 280 A；

c.JNRLH3/LBY-240/55型號導線溫度210 ℃，載流量1 390 A；

d.NRLH3S/G5A-240/40 J型號導線溫度180 ℃，載流量1 189 A；

e.JLRX/EST-300/40型號導線溫度160 ℃，載流量1 186 A。

綜上所述，所選取的增容導線均滿足普通300導線2倍輸送容量的要求，僅考慮載流量方面基本都能滿足倍容的改造需求。

2.1.2 導線對桿塔荷載的影響

5種導線對桿塔荷載的影響見表2。

由于改造線路多為老舊線路，甚至個別線路過于久遠，無法收集到其設計圖紙資料，為保證線路運行安全，更換導線需保證外徑與自身質量均小于原導線，張力如大于原導線，需增大導線安全系數或減小平均運行張力來放松使用。

表1 5種導線參數

表2 5種導線對桿塔荷載的影響

2.1.3 導線的弧垂特性

弧垂特性是增容改造中關鍵的內容，直接影響工程的可行性。增容耐熱導線弧垂之所以在高溫狀態下變化小，就是因為在一定的溫度下(拐點溫度)，增容導線的張力將幾乎完全由鋼芯或碳纖維等特殊材質承受，溫度繼續升高后導線的線膨脹系數即為鋼芯等特殊材質的線膨脹系數，大大減小了溫度對弧垂的影響，在拐點溫度后導線的弧垂變化將會很小。

為使問題簡化，計算增容導線拐點溫度時不考慮導線產生的塑蠕性形變，并認為導線的彈性系數保持不變。這樣假設后，由于溫度變化，導線產生熱脹冷縮；在長度變化過程中，整個導線、軟鋁導體、芯三者各自的變化伸長量是相同的，即：

ΔL=ΔLa=ΔLs

(1)

式中：ΔL為導線的彈性伸長及線膨脹伸長總和；ΔLa為軟鋁型導體的彈性伸長及線膨脹伸長總和；Ls為芯的彈性伸長及線膨脹伸長總和[4]。

導線單位長度伸長量可以由式(2)求得：

(2)

式中：σ為導線的應力；E為導線的彈性模量；α為導線的線膨脹系數；t為導線運行時的溫度；t0為導線的制造溫度，一般取15 ℃。

計算可知，增容導線的拐點溫度隨著代表檔距(張力)的變化而變化。對于JLRX1/F-300/35碳纖維導線，300 m時拐點溫度大約是122 ℃，400 m時大約是135 ℃。對于JNRLH3/LBY-240/55殷鋼導線，300 m時拐點溫度大約是90 ℃，400 m時大約是98 ℃。

間隙型導線與其他增容導線不同，其特點是在鋼芯與鋁線之間存在微量間隙，在間隙中加入潤滑脂，保證鋼芯與鋁線間可以相對滑動。利用這個特性，在導線架線時，張力全部由鋼芯承擔，即架線的時候鋁線就不承受張力，所以其架線溫度就是拐點溫度。各導線倍容時(代表檔距為300 m時)的弧垂特性見表3。

由表3可見，由于張力較大，增容導線需要取較大的安全系數，在最高運行溫度下，很明顯JLRX/EST-300/40特強鋼芯軟鋁絞線弧垂過大，可見特強鋼芯軟鋁絞線無法應用在倍容改造工程中；而對于其他增容導線，在倍容情況下弧垂均是略大于鋼芯鋁絞線40 ℃弧垂，特別是在小代表檔距下；而間隙型導線弧垂則小于鋼芯鋁絞線70 ℃弧垂。

對于JLRX/EST-300/40特強鋼芯軟鋁絞線，只有在導線溫度僅100 ℃左右時，弧垂與鋼芯鋁絞線70 ℃弧垂相近，這時其載流量僅有JL/G1A-300/40型導線的1.42倍左右，可見特強鋼芯軟鋁絞線僅適用于較低載流量的增容工程。

2.2 導線經濟性及安全性比較

增容導線在性能滿足要求的情況下，還要考慮其經濟性及安全性。各導線價格比較見表4。由表4可知，碳纖維導線非常昂貴，殷鋼導線也較貴，而且金具均為特制，價格昂貴；間隙性導線與軟鋁導線較為便宜。

表3 各種導線倍容時的弧垂特性

表4 導線及配套金具價格比較

對各導線安全性以及運行維護比較發現：碳纖維復合芯導線的運行穩定性較差，間隙型導線施工難度較大。具體如下：鋼芯鋁絞線的運行維護經驗豐富，安全性較好，可應用于“三跨”等重要交叉跨越以及舞動區，缺點是容量有限；碳纖維復合芯導線運行維護經驗較少，根據國網特高壓接地極線路等設計經驗，不能用于“三跨”等重要交叉跨越，并不宜用于舞動區，多斷線等事故，運行穩定性差，缺點是不能作為跳線，需選用其他導線作為跳線；鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線運行維護經驗較少，安全性較好，可應用于比較重要交叉跨越以及舞動區，缺點是價格較貴；間隙型導線運行維護經驗較少，安全性較好，可應用于比較重要的交叉跨越，缺點是施工難度較大。

3 結論

a.增容改造線路一般可以考慮殷鋼導線，間隙型導線；軟鋁導線僅能應用在40%及以下的增容項目上；碳纖維導線由于其安全穩定性較差，考慮到增容改造項目多在人口密集，交叉跨越多的地區，不推薦使用。

b.增容改造方案中，增容導線一般均可滿足倍容條件，但由于增容導線弧垂特性的限制，倍容改造方案僅能在原線路導線對地裕度較大，交叉跨越較少且裕度較大的區域實施。一般需要考慮1～2 m的弧垂增大。

c.增容改造方案中，如系統采用降級倍容改造方案(如原單400導線改為2×300容量)，可考慮使用間隙型導線，此時弧垂特性較為接近。

d.增容改造方案中，如系統采用降級倍容改造方案的同時，原線路為放松架線(即安全系數大于2.5)，間隙型導線由于張力較大，放松后弧垂增大較多，可考慮使用殷鋼導線，此時弧垂特性較為接近。