光伏風力新能源用節約型倍容量導線

黃豪士,滕 筠,黃杰彥

(1.上海電纜研究所有限公司,上海 200093;2.上海功宸儀器有限公司,上海 200086)

0 引 言

在碳中和、碳達峰的背景下,電力作為國民經濟和人類活動的主要能源,正經歷著從石油、天然氣、煤炭等傳統化石燃料火力發電向新型能源發電的轉型。 其中,光伏、風力、水力、生物能等新型能源發電的比重正逐步增長。 不同于傳統化石能源發電與傳輸,新能源發電具有間歇性與波動性,這對輸電線路的穩定性與安全性提出了更高的要求。

為了使輸電線路特性與新型電力系統特性相匹配,可利用增容導線技術。 國際上已有相應的應用案例。 美國通常采用碳纖維芯導線或陶瓷纖維芯導線[1]。 然而,這兩種導線在中國的應用表明,其安全性和穩定性不足,已被棄用;日本開發的鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導線,雖然能夠使輸電線路增容至倍容水平,但成本較高[2],只能應用于少量特殊場合;作為倍容導線之一的間隙型耐熱鋁合金導線,由于施工不便、導線內部性能無法檢測[3]、運行時節能效果較差等缺點,也僅有少量的應用。

從2007年起,由中國自主研發制造的應力轉移型導線已應用于約200 條線路中,可達到倍容效果且性能穩定[4-5]。 但是,應力轉移型導線的結構型號單一,難以滿足各種氣候條件和地形,在導線的應用方面仍有較大空間。 為了進一步改進,經過技術升級,本工作基于新一代增容導線技術研發制造了高強度高導電低弧垂(HHS)、節約型倍容量導線,可實現輸電線路節能,節約建設所需的材料與土地資源,且在倍容量狀態下能夠安全運行。

1 節能導線

在不同運行溫度下,鋼芯鋁絞線(ACSR)、鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導線、碳纖維芯軟鋁導線,以及HHS 導線的弧垂變化曲線見圖1。 其中,α為熱膨脹系數。

圖1 不同導線運行溫度與弧垂的關系曲線

由圖1 可以看出,以ACSR 為基準對象,鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導線、碳纖維芯軟鋁導線和HHS 導線均能夠起到倍容效果。 在實際應用中,鋁包殷鋼芯鋁絞線的安全系數、拉重比較小,且成本高;碳纖維芯軟鋁導線在運行時存在安全隱患。 HHS 導線采用鍍鋅鋼絞線為加強芯,鋁及鋁合金線為導體材料;在傳統金屬材料的制造技術上改進,導線結構采用專用生產技術制造。 相比之下,HHS 導線成本低于其他倍容導線,在運行時不僅能夠保持安全性和穩定性,還能夠達到節能的效果。

2 HHS 導線增容原理

2.1 遷移點(拐點)

在ACSR 中,鋼和鋁的熱膨脹系數不同,鋼芯的熱膨脹系數為1.15×10-5℃-1,鋁的熱膨脹系數為2.30×10-5℃-1。 當電流通過導線時,內部的電阻會產生熱量,導線溫度升高,溫升使得鋁線和鋼線分別產生不同的伸長量。 鋼的熱膨脹系數比鋁小,其伸長增量也相對較小;因此,在導線內部,鋁線的伸長量大于鋼線的伸長量。

當導線溫度上升至一定溫度(如95 ℃)時,鋼芯和鋁線層會分離,不再粘連。 此時,導線的載荷由原來的鋼芯和鋁線共同承擔,轉為全部由鋼芯承擔,該溫度點即為遷移點或拐點。 隨著導線的電流繼續增加,導線溫度繼續升高,導線的弧垂增量僅取決于鋼芯的熱膨脹系數,與鋁線無關。 將導線的遷移點溫度從較高的溫度(95 ℃) 下移至較低的溫度(30 ℃),導線仍能夠保證輸電線路的允許弧垂,也能夠達到增大輸送電流容量的目的,甚至達到倍容的效果。 架空輸電線路中ACSR 與HHS 導線的遷移點見圖2,導線遷移點與弧垂的關系見圖3。

圖2 ACSR 與HHS 導線的遷移點

圖3 ACSR 與HHS 導線遷移點與弧垂的關系曲線

由圖2 可以看出,遷移點從95 ℃下移至30 ℃時,由鋼線承力。 在溫度為150 ℃范圍內,HHS 導線的弧垂小于允許的最大弧垂,滿足要求,能夠達到倍容效果。 由圖3 可以看出,遷移點從95 ℃下移至5 ～25 ℃范圍內時,均可達到倍容效果,且弧垂在允許的范圍內。

2.2 增容方式

維持輸電線路原有的弧垂不變,同時繼續使用原輸電線路或按原線路設計的參數來實現輸送容量的增加,可采用導線的遷移點溫度下移和降低導線鋼芯的熱膨脹伸長量兩種方法。

2.2.1 導線的遷移點溫度下移

當導線的遷移點下移后,導線的熱膨脹系數取決于導線的加強芯。 在輸電線路的弧垂不超過允許值時,輸送電流已經達到倍容狀態。 然而,在實際應用中導線遷移點不能夠無限下移,甚至下移至0 ℃或以下溫度。 因為在運行線路中,太低的遷移點溫度(如0 ℃或以下溫度)會導致導線表面積雪或覆冰,增加導線負重。 此時,只有鋼芯受力,鋁層不受壓力,導致導線的拉斷力下降,從而降低線路的安全性。 因此,當溫度小于0 ℃時,需要同鋁導體一起承擔荷載。

一般情況下,遷移點溫度不應低于5 ℃;當遷移點溫度超過30 ℃時,也難以完全滿足倍容條件。 考慮到氣溫的變化,將遷移點控制在25 ℃以內較為合適,即遷移點溫度應處于5 ～25 ℃范圍內。 在導線生產制造時,HHS 導線采用的是一種專用的絞線機(雙控力框絞機),能夠在制造過程中根據氣溫變化對工藝參數進行微調,從而將遷移點溫度調整至設計范圍內。 例如,圖3 中的遷移點溫度呈帶狀,區域內的溫度均能夠滿足要求。

2.2.2 降低導線鋼芯的熱膨脹伸長量

采用金屬線混絞的形式,可以使導線熱膨脹系數達到1.05×10-5℃-1。 在此情況下,導線溫度與弧垂的關系曲線見圖4,導線可以在倍容狀態下安全運行。 其中,混絞鋼芯均為金屬材料(不包含非金屬材料),可以壓接,安全可靠。

圖4 HHS導線的遷移點范圍

3 關鍵技術

3.1 導線材料

HHS 導體材料采用的是鋁或鋁合金,鋁的導電率不小于62.5%IACS,超過常規ACSR 用鋁導體導電率61.0% IACS 的要求,在運行時可以達到節能的目的。 由于HHS 導線的倍容特性,在大于遷移點溫度運行時,鋁導體是不受力的,因此導體也可以采用軟鋁。

在溫度為150 ℃或160 ℃時,適當提高鋁的抗拉強度和表面硬度,可以保證HHS 導體具有足夠的額定抗拉強度,以及在架設施工時更為便利。 對鋁導體進行熱鍛煉處理,抗拉強度可達到120 MPa 以上。 因此,在惡劣環境下工作時,HHS導線可以采用導電率不小于61.0% IACS的耐熱鋁合金作為導體材料。

鋼芯加強件采用的是GA5/GA6鍍鋅鋼絞線和5%Zn-Al合金鍍層鋼絞線。 為了保證其機械性能,選擇特高強度的鍍鋅鋼絞線作為承力加強件,其抗拉強度至少為1 910 MPa。 為了使制成的導線具有較小的蠕變伸長量,制造前需要對鋼絞線進行松弛處理,以去除鋼絞線快速蠕變起始階段的變形量。松弛處理類似于橋梁纜索用鋼絲的熱處理,可以保證導線的穩定性,消除鋼絞線的不均勻性。

3.2 絞制工藝

絞制是保證HHS 導線整體性能的關鍵工序。采用專用雙控力框絞機進行絞制,以保證絞制后導線的遷移點能夠達到預期設計的張力與溫度。 導線的遷移點溫度檢測在專用的遷移點試驗機上進行,通過測量導體在通電時產生的長度變化量來確定導體的遷移點溫度,可以確保導線的遷移點達到可控制、可調節、可測量的水平,從而保證導線的質量。

4 HHS節約型倍容量導線及應用

4.1 HHS 系列導線

由于復雜的地形和氣候,以光伏、風力、水力等代表的新能源發電站具有多樣性。 為此,研制的HHS導線主要包含自減振型的HHS導線、千米級大跨越型HHS 導線、低電暈型HHS導線、抗臺風導線、抗沙塵暴導線等5 個系列。

自減振型的HHS導線。 不僅適用于光伏電站、風力電場,還可以在分布性光伏電站地區和城市電網中應用。 特別是在電網升級改造中,可以采用具有較小熱膨脹系數加強芯的導線(如熱膨脹系數不大于1.05×10-5℃-1),以及基于遷移點適當下移技術制成的HHS 導線,來替代碳纖維芯導線,以保證輸電線路的安全運行,降低線路成本。

千米級大跨越型HHS 導線。 采用拉重比大的導線,可增大桿間距離,從而減小線路總距離,減少線路投資,適用于西部高原地區的輸電線路。

低電暈型HHS 導線。 采用抽股疏排形式的擴徑導線,能夠減少線路電暈損耗,節約線路投資。 結合新能源輸電,不僅能夠減小線路電暈損耗,還能夠實現倍容輸電,較適用于高海拔地區的新能源輸電線路。

抗臺風導線。 采用非圓形外觀以減少導線正面受風面積;設置泄壓通道以減小導線的分壓;適用于南方沿海風電場及沿海線路,能夠有效應對臺風帶來的強風影響。

抗沙塵暴導線。 表面外層采用硬度較高的鋁合金層,并在結構中增加抗振能力,可以抵御沙塵暴的侵襲和振動影響等;適用于沙塵暴頻發地區,能夠保證輸電線路的穩定運行。

自減振型的HHS導線、千米級大跨越型HHS導線和低電暈型HHS 導線具有明顯的經濟和技術優勢,適用于新能源線路。 以內蒙古的光伏發電為例,在受沙塵暴影響的地區,自減振型的HHS 導線能夠保障線路的可靠運行;在海上風電場,抗臺風導線則能夠有效應對臺風帶來的挑戰。

4.2 應用范圍及前景

HHS導線的應用范圍包括新能源領域的光伏、風能、水能發電的輸電線路,以及分布式電網線路。不僅能夠應用于新建線路,還可應用于老線路改造,實現無需改造線路,無需改造桿塔,即可增容100%的優勢。

HHS 導線還可廣泛應用于500 kV及以下超高壓輸電線路的增容及改造建設。 500 kV 及以下輸電線路數量占整個輸電網線路用導線的80% 以上,每年市場需求量為5.0×105t。

隨著早期架設的輸電線路已臨近使用壽命,需要更換新的導線,適合采用具有更高輸電能力的增容導線。 同時,在新農村建設中,除了原有用電需求外,還需要考慮新增的分布式電源,可以在不新增線路的情況下,通過更換導線和金具,來實現輸電線路的增容。

5 結 論

HHS 節約型倍容量導線組件采用的是鋁和鍍鋅鋼絞線,已在電力輸電線路上投入使用將近100多年,全球80% 及以上的輸電線路至今仍采用ACSR,證明了ACSR 是安全可靠的。 HHS 節約型倍容量導線在常規導線結構上進行改進,可以提升電力輸配電線路的可靠性,節省增容和擴容費用,縮短周期,降低電氣輸配電線路的總運行成本,提高安全性,且適用范圍更廣。 此外,HHS 節約型倍容量導線配套完整,施工便捷,施工方法與常規ACSR相似,僅在個別部分進行改進。 在新輸電線路建設或老舊線路的改造中,HHS 導線可發揮重要作用,使得輸電網建設更安全、節約、高效。