兩種增容導線的性能及應用研究

蔡 鴻，朱本玉，魯修學

（1.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330031；2.中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西 南昌 330046）

0 引言

隨著十八大生態文明建設的提出，環保、水保要求的提高，采用增容導線替換原鋼芯鋁絞線成為老舊線路提升輸送能力的主要手段之一。目前，增容導線主要機理是減緩導線高溫下的弧垂增長來提升導線運行溫度，以提高線路輸送能力。常見增容導線主要有鋁包殷鋼芯、間隙型增容導線、鋁基陶瓷復合芯導線和碳纖維復合芯導線四種。

鋁包殷鋼芯導線最早出現于20 世紀80年代[1]，該導線內層芯為鋁包殷鋼，其熱膨脹系數為3.7×10-6/℃，僅為普通鋼芯的1/3、鋁線的1/5。外層耐熱鋁合金的膨脹伸長量比殷鋼芯大，耐熱鋁合金所受張力逐漸轉移至內層殷鋼芯上，在一定的溫度時，導線的張力全由殷鋼芯承擔，該溫度稱為拐點溫度。拐點溫度后導線特性表現為殷鋼芯特性，具有高溫低弧垂特性。當外層采用耐熱鋁合金時（長期允許運行溫度150 ℃），輸送容量可達普通鋼芯鋁絞線的1.6 倍，當外層采用超耐熱鋁合金時（長期允許運行溫度210 ℃），輸送容量可達普通鋼芯鋁絞線的2 倍[2]。該導線施工工藝簡單，具有較好的應用前景。

間隙型增容導線于1971年由日本首次研制成功[3]，其增容機理是利用特殊的施工工藝在安裝時將導線張力全部落在內層鋼芯上，外層鋁部處于非受力狀態，導線特性表現為鋼芯特性，其熱膨脹系數僅有11.5×10-6/℃，為普通鋼芯鋁絞線芯的1/2，該導線同樣具有高溫低弧垂特性[4-5]，輸送容量可達普通鋼芯鋁絞線的2 倍。但其獨特的增容機理同樣加大了施工運維的難度。

鋁基陶瓷復合芯導線于2001年由美國3M 公司研制成功，其內層芯線是上萬根極細的高強度陶瓷纖維軸向嵌入純鋁而制成[6]，外層絞線為耐高溫鋁鋯合金。該導線熱膨脹系數為6.3×10-6/℃，僅為普通鋼芯鋁絞線的1/3~1/4，因此高溫低弧垂特性同樣明顯，輸送容量可達普通鋼芯鋁絞線的2~3 倍。但因其特殊的材料、制造工藝，價格相當昂貴。

碳纖維復合芯導線增容原理與鋁包殷鋼芯導線相同，拐點溫度后導線特性表現為碳纖維復合芯特性，碳纖維復合芯熱膨脹系數為1.6×10-6/℃，小于鋁包殷鋼芯的1/2，弧垂特性比殷鋼芯導線更優越，增容效果更好。具有強度大、耐高溫、弧垂小、質量輕、耐腐蝕等特點[7]，但因碳纖維復合芯本身抗扭、抗彎、徑向耐壓性能較差[8-9]，對施工要求相對高，因此目前使用較為謹慎，絞合型碳纖維導線的出現及其金具的研究[10]，慢慢緩解了人們對碳纖維脆性的顧慮，該類導線的應用前景也變得越來越好。

在常見的幾種增容導線中，鋁包殷鋼芯導線和碳纖維復合芯導線增容機理相同且增容效果好，施工工藝相對簡單，常作為線路增容改造的優先選項。文中利用斜拋物線公式結合拐點溫度計算方法，搭建了適用于鋁包殷鋼芯導線和碳纖維復合芯導線的張力弧垂計算模型，從機械特性、弧垂特性、拐點溫度、載流量情況、覆冰過載能力等方面對比了鋁包殷鋼芯導線和碳纖維復合芯導線性能差異，分析總結了兩種導線的優劣性，對輸電線路線路增容改造導線選型具有一定的參考意義。

1 導線應力弧垂模型的建立

1.1 狀態方程

輸電線路斜拋物線模型下檔內最大弧垂和線長計算公式如下：

上式中：fm為導線弧垂，m；L為線長，m；l為檔距，m；p 為電線荷載，N/m；T為導線最低點水平張力，N；β為高差角；A為電線截面，mm2。

由（2）式計算出已知檔內導線線長L，減去導線彈性伸長和溫度伸長可得檔內導線的原始長度即制造長度L0，如式（3）。

其中，E為電線彈性系數，N/mm2；為電線熱膨脹系數，1/℃；t為某工況下導線溫度，℃；t0為電線制造時的溫度，℃。

已知某一工況下的導線張力，利用導線初始線長不變的原則，可得式（4），將式（1）、式（2）帶入式（4）簡化可得導線狀態方程式（5）。導線各工況下比載可分別求得，則已知以工況1 下的張力T1，根據式（5）即可求得工況2下的張力T2。

1.2 拐點溫度計算

計算鋁包殷鋼芯導線和碳纖維張力弧垂時，假定導線彈性系數不變，同時不計較扭絞影響，氣象條件變化時導線整體伸長量、加強芯（殷鋼芯、碳纖維，下文統稱加強芯）伸長量和外層鋁股伸長量三者相等，即：

其中，Ts、Ta分別為加強芯和外層鋁張力，N；Es、Ea分別為加強芯和鋁部彈性系數，N/mm2；αs、αa分別為加強芯和鋁部熱膨脹系數，1/℃；As、Aa分別為芯截面和鋁截面，mm2。

加強芯熱膨脹系數遠小于外層耐熱鋁，在導線溫升過程中外層耐熱鋁合金伸長速度遠大于內層加強芯，外層耐熱鋁合金分配的張力在溫升過程中逐漸向加強芯上轉移，當導線達到某一溫度時導線張力完全由加強芯承擔，外層鋁部分配的張力為零，這一溫度稱為拐點溫度ti。將Ta=0 代入式（6），可得拐點溫度計算公式（7）。

式中Ti為拐點溫度下導線張力，N。

已知控制工況下導線張力Tk、荷載pk，將式（7）代入式（5）整理得式（8），如下：

式中pi為拐點溫度下導線荷載。

令：

代入式（8）得：

a、b、c均為可求參數，代入式（9）中，采用牛頓迭代法或Excel 單變量求解法可求得拐點處導線水平張力Ti，進而由式（9）求得檔距l下的拐點溫度ti。

1.3 鋁包加強芯導線的張力弧垂計算

當導線溫底于拐點溫度時，加強芯部和鋁部共同承擔導線張力，計算張力時將控制工況參數代入式（5）求解各工況的張力弧垂，計算中采用導線整體膨脹系數、彈性系數；當導線溫度高于拐點溫度時，導線張力已完全由加強芯承擔，導線特性表現為加強芯特性，求解拐點溫度以上導線的張力弧垂時，利用拐點溫度下工況為已知工況，代入式（5）求解各工況的張力弧垂，計算中采用加強芯的膨脹系數、彈性系數。

2 性能對比分析

文中以常規220 kV輸電線路導線型式2×JL/G1A-300/40鋼芯鋁絞線為參考，從載流量、弧垂性能、覆冰過載能力等方面對比JNRLH1/LBY-240/55 鋁包殷鋼芯和JLRX/F1B-300/40碳纖維導線的優劣性。

2.1 設計氣象條件

文中研究擬定氣象條件為江西省常規設計氣象組合，如表1所示。

表1 設計氣象條件

2.2 導線選型

2.2.1 導線選型原則

利用原桿塔更換導線，導線選型時應注意不超出原桿塔設計條件，需注意以下兩點：

1）所選導線的單重應小于原導線，導線拉斷力與原導線應基本相當，導線外徑應不大于原導線，如此可保證更換導線后桿塔荷載不大于原荷載；

2）在導線選型時考慮選在拉重比與原導線基本接近以保證在正常線溫下應力弧垂特性基本相當，即桿塔受力狀況基本相當。

2.2.2 導線機械特性

根據以上原則，選定了鋁包殷鋼芯導線和碳纖維導線型號，參數如表2所示。

表2 導線技術參數

2.3 載流量比較分析

文中計算了三種導線在不同溫度下的的載流量，繪制了載流量-導線溫度變化曲線，如圖1所示。

圖1 載流量-溫度變化曲線

由表3可知2×JL/G1A-300/40導線最高運行溫度為80℃，最大持續輸送載流量為1 250 A；JNRLH1/LBY-240/55 型鋁包殷鋼芯導線，最高運行溫度為150 ℃，最大持續輸送載流量為1 984 A，更換導線后線路極限輸送能力可提升至原線路的1.58 倍。JLRX/F1B-300/40 型鋁包殷鋼芯導線，最高運行溫度為150 ℃，最大持續輸送載流量為2 216 A，更換導線后線路極限輸送能力可提升至原線路的1.77 倍。由此可見碳纖維導線增容效果比殷鋼芯導線好。

表3 增容效果對比

由圖1 載流量-溫度變化曲線可知在低運行溫度時碳纖導線輸送容量與鋼芯鋁絞線相當且明顯優于殷鋼芯導線，這是因為導線的輸送電流主要由鋁部承擔，輸送容量的大小與外層鋁部截面有直接關系。由于碳纖維質量輕且體積小在滿足桿塔水平荷載和垂直荷載條件下外層可以騰出空間絞合更多耐熱鋁。由表2可知JLRX/F1B-300/40型鋁包殷鋼芯導線鋁截面幾乎等于JL/G1A-300/40 導線且大于JNRLH1/LBY-240/55鋁包殷鋼芯導線的。

另外，由于導線鋁截面的差異，間接導致直流電阻JNRLH1/LBY-240/55 導線> JL/G1A-300/40 導線>JLRX/F1B-300/40 導線，見表2，由此得出，輸送相同容量時碳纖維導線更為節能。

2.4 拐點溫度情況

依據式（8）編制拐點溫度計算程序，計算了JNRLH1/LBY-240/55 型鋁包殷鋼芯導線、JLRX/F1B-300/40 導線不同代表檔距下的拐點溫度-檔距變化的曲線，如圖2所示。

圖2 拐點溫度-檔距變化曲線

由圖2 可知，兩種導線檔距增大拐點溫度均呈現增大趨勢，且隨著檔距的增大變化越小。鋁包殷鋼芯導線的拐點溫度始終大于碳纖維導線的，這是由于碳纖維芯的膨脹系數比殷鋼芯的小，導致加強芯與外層鋁膨脹系數懸殊更大，使得拐點溫度更早到來。

兩種導線在220 kV 線路常規檔距250~600 m 之間，JNRLH1/LBY-240/55型鋁包殷鋼芯導線的拐點溫度變化區間為98.6~116.5 ℃，JLRX/F1B-300/40 導線為88.7~98.1 ℃，后者隨檔距變化更小。

另外，圖2 還可發現碳纖維導線在大檔距下拐點溫度幾乎維持不變，由此可以窺見碳纖維導線在大檔距下應用優勢。

2.5 弧垂特性比較分析

利用文中提出的計算模型，計算了3 種導線不同溫度下的弧垂，并繪制了弧垂-溫度變化曲線，如圖3所示。

圖3 弧垂-溫度變化曲線

由圖3 可知，拐點溫度以前，鋁包殷鋼芯導線和碳纖維導線弧垂隨溫度增率與普通導線增率趨勢基本一致，溫度每提升10 ℃，弧垂僅增加約0.34 m；拐點溫度以后兩種增容導線弧垂隨溫度變化明顯變緩，溫度每提升10 ℃，弧垂僅增加約0.08 m，由此表明兩種增容導線在拐點溫度后相較于普通導線弧垂特性十分優越。

另外，由圖3 可見，碳纖維導線弧垂特性比普通鋼芯鋁絞線和殷鋼芯導線更為優越，從而也從側面反應出其載流能力更強。同時，將其應用在新建線路中可以降低桿塔平均呼高減少線路投資。

2.6 覆冰過載能力

表4 為各導線在70%計算拉斷力下計算出的允許覆冰厚度，由于加強芯導線的強度的提升使其覆冰過載能力比普通導線更強，與殷鋼芯導線相比，碳纖維導線的過載能力提升更大，可提升10%以上，在中重冰區的使用中會更具優勢。

表4 覆冰過載能力

3 結語

文中結合加強芯導線的特點，利用斜拋物線公式引入了“拐點溫度”計算方法，搭建了適用于加強芯導線的計算模型。通過計算分析得出以下結論：

1）載流量：在同等設計條件、最高運行溫度150 ℃下，鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金可將線路極限輸送能力提升至普通導線的1.58倍，碳纖維導線可提升至1.77 倍，二者均具有較好的增容效果，且碳纖維導線更優。同時在相同輸送容量下，因為碳纖維的鋁部面積占比較大，使其更為節能。

2）拐點溫度：兩種導線在220 kV 線路常規檔距250~600 m 之間，JNRLH1/LBY-240/55 型鋁包殷鋼芯導線的拐點溫度變化區間為98.6~116.5 ℃，JLRX/F1B-300/40 導線為88.7~98.1 ℃，后者隨檔距變化更小。

3）弧垂特性：拐點溫度以前，鋁包殷鋼芯導線和碳纖維導線弧垂隨溫度增率與普通導線增率趨勢基本一致，溫度每提升10 ℃，弧垂僅增加約0.34 m；拐點溫度以后兩種增容導線弧垂隨溫度變化明顯變緩，溫度每提升10 ℃，弧垂僅增加約0.08 m，由此表明兩種增容導線在拐點溫度后相較于普通導線弧垂特性十分優越，且碳纖維導線弧垂特性比殷鋼芯導線更為優越。

4）覆冰過載能力：由于加強芯導線的強度的提升使其覆冰過載能力比普通導線更強，與殷鋼芯導線相比，碳纖維導線的過載能力提升更大，可提升10%以上，在中重冰區的使用中會更具優勢。

綜上所述，殷鋼芯導線載流能力、弧垂特性、覆冰過載能力均比普通導線優越。同時其結構與普通鋼芯鋁絞線相同，施工工藝比較成熟，但其導線本體價格為普通鋼芯鋁絞線的7~8 倍，為碳纖維導線的2倍。碳纖維導線因為本身結構內層碳纖維復合芯質量輕、強度大、體積小的特點，使其在載流量、弧垂特性、覆冰過載能力方面明顯優于殷鋼芯導線，在大檔距、大輸送容量、中重覆冰在均表現出較好的性能。但由于我國對于碳纖維的研究年限不長，碳纖維導線本身的結構特點及內層芯的脆性帶來的配套金具復雜、施工工藝要求高的問題尚未得到很好的解決，減緩了其推廣應用的速度。隨著新材料、新工藝的研究發展，相信該類問題終將得到改善，僅以此為后續研究者提供參考。