架空輸電線路導(dǎo)線的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

摘要：架空輸電線路是電力系統(tǒng)中典型的電能傳輸途徑和載體，對(duì)“西電東送”和“雙碳”國(guó)家戰(zhàn)略的落地起到關(guān)鍵支撐作用。導(dǎo)線作為架空輸電線路中的重要組成部分，其性能優(yōu)劣直接決定了架空輸電線路電力傳輸能力的強(qiáng)弱。為滿足電能高質(zhì)量輸送和野外復(fù)雜環(huán)境的需要，架空導(dǎo)線線路導(dǎo)線在材料組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了不斷的革新和優(yōu)化。針對(duì)國(guó)內(nèi)外架空輸電線路導(dǎo)線的類型、運(yùn)行參數(shù)及應(yīng)用情況等進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)不同類型導(dǎo)線的技術(shù)短板與瓶頸問題進(jìn)行了分析。進(jìn)一步針對(duì)架空導(dǎo)線的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了歸納和對(duì)比，并參照國(guó)內(nèi)輸電線路工程實(shí)際分析了不同類型架空輸電線路導(dǎo)線的使用情況，最后，針對(duì)目前架空輸電線路導(dǎo)線的使用現(xiàn)狀和瓶頸問題進(jìn)行了總結(jié)，并提出架空輸電線路導(dǎo)線未來的技術(shù)發(fā)展方向及趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：架空導(dǎo)線；導(dǎo)線材料；鋼芯鋁絞線；新型導(dǎo)線；經(jīng)濟(jì)性分析

中圖分類號(hào)：TM726.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-582X（2025）03-050-16

在中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶動(dòng)下，電網(wǎng)發(fā)展完成了從規(guī)模擴(kuò)張到技術(shù)創(chuàng)新、從結(jié)構(gòu)優(yōu)化到能源轉(zhuǎn)型、從市場(chǎng)化改革到國(guó)際化發(fā)展的全方位跨越。電力系統(tǒng)的良好運(yùn)行與發(fā)、輸、變、配、用這5 個(gè)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定密不可分。其中，輸電環(huán)節(jié)承擔(dān)了連接發(fā)電廠與負(fù)荷中心的橋梁任務(wù)，對(duì)保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。架空線路是輸電環(huán)節(jié)最常用的輸電方式之一，參考《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告》，截止2022 年，我國(guó)220 kV 及以上輸電線回路長(zhǎng)度變化趨勢(shì)如圖1 所示。部分研究表明，架線投資通常會(huì)占到工程總體投資的30%[1]，選線方案直接影響輸電線路整體投資成本與后期維護(hù)費(fèi)用。此外導(dǎo)線選型會(huì)對(duì)環(huán)境造成多方面影響，不同類型的導(dǎo)線在傳輸電能過程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的電磁輻射，且會(huì)隨著電壓等級(jí)的提升而顯著增加，特別是在特高壓輸電條件下，其電磁強(qiáng)度更為顯著，直接影響周圍生物體的生理機(jī)能[2]。同時(shí)選線的改變，會(huì)導(dǎo)致配套金具、施工方法等技術(shù)層面的變化。綜上所述，充分認(rèn)識(shí)不同架空導(dǎo)線結(jié)構(gòu)組成、性質(zhì)特點(diǎn)與適用范圍具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)方面的綜合意義。

文中全面歸納了當(dāng)前廣泛應(yīng)用的架空導(dǎo)線類型，并梳理了架空導(dǎo)線中單線技術(shù)的演進(jìn)歷程，對(duì)比了經(jīng)典的鋼芯鋁絞線（aluminum conductor steel reinforced，ACSR）與現(xiàn)代多種新型導(dǎo)線的特性與關(guān)鍵參數(shù)差異，隨后對(duì)比國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際上的相應(yīng)規(guī)范，展示我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展與國(guó)際接軌情況；之后以國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司某分公司為例，展示并分析其架空導(dǎo)線使用情況，最后架空導(dǎo)線發(fā)展方向與趨勢(shì)進(jìn)行展望并提出研究建議。

1 導(dǎo)線單線

工程使用導(dǎo)線往往需要經(jīng)過絞合，即將2 股或多股的導(dǎo)線按照?qǐng)A周螺旋纏繞在一起，以增大導(dǎo)體面積、降低渦流損耗、減小斷裂可能性[3-4]。與絞線相對(duì)應(yīng)的是單線，通常指的是只用一股導(dǎo)體材料（如銅線或鋁線）制成的傳輸線，在絞線之中，構(gòu)成其每一獨(dú)立部分的導(dǎo)線均可視為單線，因此了解單線是分析架空導(dǎo)線結(jié)構(gòu)、組成與性質(zhì)的前提。以下將從材料與截面2 個(gè)方面對(duì)單線發(fā)展歷程進(jìn)行介紹。

1.1 架空導(dǎo)線材料的歷史演變與性能發(fā)展

電力工業(yè)發(fā)展初期，導(dǎo)線的選取原則主要是材料電導(dǎo)率、線路運(yùn)行能量損耗及材料加工冶煉難度。由表1 可知，銅電導(dǎo)率僅次于銀，具有較小的能量損耗；銅具有良好的軟度與可延展性，可以輕松彎曲和成形，適合安裝在各種復(fù)雜線路環(huán)境[5]。因此，在電力工業(yè)發(fā)展初期，銅導(dǎo)線因其優(yōu)異的導(dǎo)電性與易加工性，在架空線路的架設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著架空線路的擴(kuò)張，銅導(dǎo)線因其價(jià)格高昂而難以滿足需求。鋁逐漸成為替代品，由于電解鋁方法的發(fā)明，鋁的制備效率獲得了空前的提高，雖然銅的導(dǎo)電性能略優(yōu)于鋁，但在相同導(dǎo)電截面條件下，銅導(dǎo)線的電導(dǎo)率僅有鋁導(dǎo)線一半，因此，從經(jīng)濟(jì)性和傳輸效率對(duì)比來看，鋁導(dǎo)線具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，能夠滿足電力傳輸?shù)男枨骩5]。后續(xù)伴隨電力需求的不斷增加，超遠(yuǎn)距離輸電工程對(duì)傳輸線的性能要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的鋁導(dǎo)線雖然具有良好導(dǎo)電性，但強(qiáng)度較低，難以承受長(zhǎng)距離、大跨度的輸電需求。1907 年，美國(guó)鋁業(yè)公司研發(fā)出鋼芯鋁絞線，鋼芯鋁絞線的誕生解決了架空導(dǎo)線無法同時(shí)保持良好導(dǎo)電性與機(jī)械強(qiáng)度的問題。隨后鋼芯鋁絞線逐漸在美國(guó)、德國(guó)等眾多國(guó)家開始大量使用，并占據(jù)了架空導(dǎo)線的主要市場(chǎng)。鋼芯鋁絞線常用鋼材為鍍鋅鋼，按強(qiáng)度劃分為5 個(gè)等級(jí)（1～5 級(jí)）；以標(biāo)稱直徑滿足1.24 mmlt; D ≤2.25 mm 的鋼絲為例，其不同等級(jí)的物理性能參數(shù)對(duì)比見表2[6]所示。近年來，材料科學(xué)與電力科學(xué)融合加深，促使多種的鋁合金、鋁包鋼導(dǎo)線隨之出現(xiàn)，非金屬材料如碳纖維也開始應(yīng)用于架空導(dǎo)線的制造中[7]?？梢灶A(yù)見未來架空導(dǎo)線的材料將更加多元化。不同材料將根據(jù)其特性被應(yīng)用于不同的場(chǎng)合下，以滿足各種復(fù)雜的電力傳輸需求。

1.2 架空導(dǎo)線截面形狀的發(fā)展與優(yōu)化

同心絞架空導(dǎo)線通常采用圓形截面，即圓線同心絞架空導(dǎo)線，具體來說指的是沒有絕緣和保護(hù)層，單線截面為圓形的導(dǎo)電線材[8]。以傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線為例，其典型的截面結(jié)構(gòu)見圖2 所示。圓線同心絞架空線具有價(jià)格低廉、安裝維修方便、導(dǎo)電性能好、機(jī)械強(qiáng)度高等多方面優(yōu)勢(shì)[9-10]，但在實(shí)際應(yīng)用中，鋼芯鋁絞線也暴露出一些缺點(diǎn)：如外部環(huán)境（溫度、冰雪、風(fēng)速等）會(huì)影響鋼芯鋁絞線的弧垂，造成安全距離的減少，可能會(huì)引發(fā)導(dǎo)線斷股、舞動(dòng)、覆冰等現(xiàn)象，為抑制上述現(xiàn)象需要在桿塔與基礎(chǔ)設(shè)施中增加投資[9]；在沿?；蛘咧毓I(yè)腐蝕地區(qū)，鋼芯鋁絞線的壽命通常只有10～15 a[11]，在腐蝕格外嚴(yán)重區(qū)域其運(yùn)行年限甚至不到6 a[12]；隨著我國(guó)大容量、長(zhǎng)距離輸電線路的不斷架設(shè)，鋼芯鋁絞線電導(dǎo)率較低也會(huì)導(dǎo)致線損過高問題的出現(xiàn)[13]。

為克服上述存在的缺陷，部分學(xué)者嘗試改變傳統(tǒng)圓形截面結(jié)構(gòu)，得到了截面利用率更大、電暈損耗更低、耐腐蝕性能更優(yōu)良的型線同心絞架空線[14]。型線同心絞架空線的單線具有不變橫截面且非圓形。實(shí)際中由于加工難度與實(shí)用性、穩(wěn)定性等多種因素，應(yīng)用最多的截面形狀是Z 形與梯形[15]。其典型的截面結(jié)構(gòu)如圖3所示。型線結(jié)構(gòu)相比圓形導(dǎo)線具有更大自阻尼，在等直徑條件下，型線可增大截面20%～25%，且單位質(zhì)量、導(dǎo)體截面積、抗拉力、載流量都大于鋼芯鋁型線[16-18]，在等截面積下，型線能增大截面利用率[18]，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 20141-2018[19]，對(duì)鋼芯鋁絞線與鋼芯鋁型線的性質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比。由表3 可知，鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁型線在直流電阻、額定拉斷力、單位長(zhǎng)度質(zhì)量和載流量方面僅存在細(xì)微差異；但鋼芯鋁型線絞線的直徑比鋼芯鋁絞線小約10%，具有更大的導(dǎo)線截面利用率。在我國(guó)線路應(yīng)用中，圓線同心絞架空線占有相當(dāng)大的比例，約有90%。而型線同心絞架空線屬于新工藝，主要應(yīng)用在導(dǎo)體是軟鋁的情況下，雖然也有用于硬鋁和鋁合金的例子，但在我國(guó)整體應(yīng)用較少[20]。

2 傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線與新型高性能導(dǎo)線比較

與單線技術(shù)持續(xù)演進(jìn)的歷史軌跡相呼應(yīng)，導(dǎo)線材料與技術(shù)本身亦隨著全球電力需求的急劇增長(zhǎng)，以及超特高壓輸電工程的蓬勃發(fā)展，經(jīng)歷了深刻的變革與不斷創(chuàng)新。一系列具有獨(dú)特性質(zhì)與優(yōu)勢(shì)的新型導(dǎo)線應(yīng)運(yùn)而生。這些新型導(dǎo)線在保留傳統(tǒng)導(dǎo)線優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和先進(jìn)制造工藝的引入，實(shí)現(xiàn)了性能的顯著提升。

2.1 傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線

鋼芯鋁絞線自1907 年問世以來，已經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展與應(yīng)用，是我國(guó)架空線路的架設(shè)中使用最多的類型，約占所有導(dǎo)線用量的80% 以上[21]。鋼芯鋁絞線共分2 部分，鋼芯位于絞線的中心，用于承受拉力與壓力，鋼芯的存在使得鋼芯鋁絞線具有較高的機(jī)械性能。鋁絞線位于外層，由于交流電路會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，鋁絞線表面的電流密度會(huì)遠(yuǎn)高于其內(nèi)部，電流主要集中在鋁絞線的表面，因此表面鋁絞線主要承擔(dān)傳送電能的作用[22]。

鋼芯鋁絞線的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可參考GB/T 1179—2017，標(biāo)準(zhǔn)將鋼芯鋁絞線所用硬鋁分為L(zhǎng)、L1、L2、L3 共4 個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)鋁線規(guī)定見表4 所示；將鍍鋅鋼芯依據(jù)厚度分為A、B 級(jí)，依據(jù)強(qiáng)度分為G1-G5 共5 個(gè)等級(jí)。此外標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了如絞合工藝、接頭處理、拉斷力、表面質(zhì)量、型號(hào)表示等一系列要求。值得一提的是，在電線電纜領(lǐng)域從業(yè)較久的從業(yè)者可能使用舊版本GB/T 1179-1983 版本的命名習(xí)慣，以“LGJ-XX/YY”來簡(jiǎn)稱鋼芯鋁絞線，相較于GB/T 1179-2017 命名規(guī)則無法體現(xiàn)出所用鋁與鍍鋅鋼的等級(jí)[23]。

2.2 新型高性能導(dǎo)線

隨著全球經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展與人口規(guī)模的不斷擴(kuò)張，能源需求呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的強(qiáng)勁態(tài)勢(shì)，而環(huán)境保護(hù)意識(shí)的普遍提升則要求在滿足能源需求的同時(shí)，必須采取更加綠色和可持續(xù)的發(fā)展方式[24]。面對(duì)雙重挑戰(zhàn)，電力行業(yè)正經(jīng)歷一場(chǎng)深刻而全面的變革，在這場(chǎng)變革中，導(dǎo)線作為電力傳輸?shù)年P(guān)鍵組成部分，其技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展顯得尤為重要。為了響應(yīng)全球能源轉(zhuǎn)型的號(hào)召，多種新型導(dǎo)線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如擴(kuò)徑導(dǎo)線、節(jié)能導(dǎo)線、增容導(dǎo)線等，它們各自擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景，共同構(gòu)成了電力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要驅(qū)動(dòng)力。

2.2.1 擴(kuò)徑導(dǎo)線

擴(kuò)徑導(dǎo)線通過增大導(dǎo)體的外部直徑來削減導(dǎo)體表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，降低導(dǎo)線電暈損失，并改善導(dǎo)線周圍電磁環(huán)境與降低噪聲[25-26]。此外擴(kuò)徑導(dǎo)線中空結(jié)構(gòu)還具有減輕導(dǎo)線重量、提高抗風(fēng)能力、增加導(dǎo)線機(jī)械強(qiáng)度、減輕鐵塔質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)建設(shè)中具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，畢聰來[27]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)使用擴(kuò)徑導(dǎo)線替代分裂導(dǎo)線可降低輸電線路發(fā)生冰災(zāi)的概率，擴(kuò)徑導(dǎo)線逐漸成為傳統(tǒng)分裂導(dǎo)線的一種高效替代方案[28]。

擴(kuò)徑導(dǎo)線按用途分為輸電線路和變電站2 類，在輸電線路中，為達(dá)到減小弧垂與降低塔體高度的目的，擴(kuò)徑導(dǎo)線的設(shè)計(jì)需確保其拉重比達(dá)到或接近傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線的水平，擴(kuò)徑導(dǎo)線鋪設(shè)通常采用張力架線法，且放線過程需保證在歷經(jīng)多個(gè)滑車后不發(fā)生跳股和松股等不利狀況[29]，因此，輸電線路用擴(kuò)徑導(dǎo)線的擴(kuò)徑比設(shè)計(jì)應(yīng)趨于合理，避免過大以確保操作的安全性與穩(wěn)定性。而變電站用擴(kuò)徑導(dǎo)線，其主要目的在于高效地將電流從變壓器傳輸至輸電線路上，因?yàn)閭鬏斁嚯x往往局限于數(shù)十米之內(nèi)，故無需考慮弧垂控制與張力調(diào)節(jié)等因素。此外，變電站母線與線路導(dǎo)線在分裂數(shù)上具有明顯差異（前者通常較少），且在兩者電磁噪聲環(huán)境限制相近的條件下，變電站母線外徑顯著大于線路用導(dǎo)線，這一特殊需求促使變電站擴(kuò)徑導(dǎo)線設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出無鋼芯但擴(kuò)徑比例相對(duì)較大的特點(diǎn)，以滿足其獨(dú)特的電氣與機(jī)械性能要求[30]。

擴(kuò)徑導(dǎo)線按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分成2 類，分別是層間支撐型和中間空心型[25]，結(jié)構(gòu)見圖4 所示。層間支撐型擴(kuò)徑導(dǎo)線對(duì)應(yīng)型號(hào)為L(zhǎng)GJK，LGJK 鋼芯上的硬圓鋁線采用疏絞方式支撐擴(kuò)徑，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，沒有金屬軟管，從而降低了原材料成本。中間空心型擴(kuò)徑導(dǎo)線對(duì)應(yīng)型號(hào)為L(zhǎng)GKK，LGKK 型擴(kuò)徑導(dǎo)線的中心采用鍍鋅軟管涂“FZ903”防蝕脂后支撐擴(kuò)徑，這種設(shè)計(jì)使得導(dǎo)線在保持一定機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，還具有良好的防腐性能。二者差異見表5 所示。

我國(guó)于2005 年在750 kV 官亭—蘭州東輸電工程中首次使用LGJK-300/50 型號(hào)擴(kuò)徑導(dǎo)線。LGJK-300/50擴(kuò)徑導(dǎo)線是在LGJ-400/50 常規(guī)導(dǎo)線基礎(chǔ)上取出13 根鋁股線而成的，但通過制造新工藝處理，兩者的機(jī)械特性相差不大，如表6 所示，擴(kuò)徑導(dǎo)線鋁線部分截面約300 mm2，但導(dǎo)線直徑同樣達(dá)到了27.63 mm，能夠滿足輸電線路電暈放電與環(huán)境效應(yīng)的相關(guān)要求[31]。

雖然擴(kuò)徑導(dǎo)線在抗風(fēng)振、抗冰雪等方面具有優(yōu)勢(shì)[32]，但在實(shí)際施工條件下，跳股問題也時(shí)有發(fā)生，且由于需要特殊安裝工藝與額外維護(hù)工作，會(huì)帶來投資成本的上升。此外由表6 可知，擴(kuò)徑導(dǎo)線采用了較大的導(dǎo)線截面，導(dǎo)致電能傳輸過程中電阻與傳輸損耗增大，特別是在長(zhǎng)距離、大容量的輸電工程中，損耗的增加會(huì)更加明顯。

2.2.2 節(jié)能導(dǎo)線

為克服擴(kuò)徑導(dǎo)線損耗明顯增加的問題，研究人員提出通過降低導(dǎo)線的直流電阻，即成為節(jié)能導(dǎo)線。輸電線路的損耗主要由3 部分組成，分別是電阻損耗、電暈損耗和部分電磁效應(yīng)引起的損耗（集膚效應(yīng)、鐵心損耗）。其中電磁效應(yīng)損耗只占線路損耗的約2%～5%[33]，占比較少；電暈損耗與氣象條件、環(huán)境狀況、導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度及導(dǎo)線類型等多種因素有關(guān)，難以定量分析。節(jié)能導(dǎo)線主要是通過降低直流電阻，從而降低電阻損耗來實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。依據(jù)GB/T 15320-2001《節(jié)能產(chǎn)品評(píng)價(jià)導(dǎo)則》規(guī)定，節(jié)能產(chǎn)品是指在符合產(chǎn)品要求的前提下，與同類產(chǎn)品或完成相同功能的產(chǎn)品相比，其能效指標(biāo)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且具有合理的用戶增加投資回收期的產(chǎn)品。在GB/T 15320-2001 定義中，節(jié)能導(dǎo)線屬于間接節(jié)能產(chǎn)品，在使用過程中自身不消耗能源，但促使應(yīng)用該產(chǎn)品的系統(tǒng)降低能耗[34]。目前使用較多的節(jié)能導(dǎo)線主要有3 種，分別是鋼芯高導(dǎo)電率硬鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線、中強(qiáng)度全鋁合金絞線[35-38]。其截面如圖5 所示，節(jié)能導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線的參數(shù)對(duì)比見表7 所示。

鋼芯高電導(dǎo)率硬鋁絞線是采用63%IACS 的硬鋁替代普通鋼芯鋁絞線的61%IACS 硬鋁，進(jìn)而提高導(dǎo)線整體電導(dǎo)，降低輸電損耗；鋁合金芯鋁絞線是將普通鋼芯鋁絞線中的鋼芯和部分鋁線替換為53%IACS 導(dǎo)電率高強(qiáng)鋁合金芯，外層鋁線則與普通鋼芯鋁絞線相同。將本身導(dǎo)電率較低的鋼芯（9%IACS）進(jìn)行替代，降低了導(dǎo)線的電阻；中強(qiáng)度全鋁合金絞線將鋼芯與61%IACS 硬鋁全部用58.5%IACS 中強(qiáng)度全鋁合金替代，與普通鋼芯鋁絞線相比，增大了截面積，因此也增強(qiáng)了導(dǎo)電能力[37，39-40]。

我國(guó)對(duì)于節(jié)能導(dǎo)線在輸電線路中的應(yīng)用做了大量研究，魏飛[41]進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，將平均成本回收周期時(shí)間進(jìn)行排序?yàn)椋轰X合金芯鋁絞線、中強(qiáng)度全鋁合金絞線、鋼芯高導(dǎo)電率硬鋁絞線、鋼芯鋁絞線；回收時(shí)間分別為2～3 年、4 年、6.5 年、8 年；張瑞永[35]認(rèn)為高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線的機(jī)械特性與普通鋼芯鋁絞線完全相同，可以直接取代鋼芯鋁絞線使用；史成城等[42]結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)集電線路試點(diǎn)工程，認(rèn)為中強(qiáng)度鋁合金絞線可以替換鋼芯鋁絞線在風(fēng)電場(chǎng)線路中的應(yīng)用，且具有良好的節(jié)能效果；徐炳亮等[43]通過計(jì)算估量了節(jié)能導(dǎo)線效果與減少碳排放效果，得出各型節(jié)能導(dǎo)線年費(fèi)用比鋼芯鋁絞線低約3%；節(jié)能導(dǎo)線使用小時(shí)數(shù)越多、計(jì)算年限越長(zhǎng)、電價(jià)越高，節(jié)電效果與減少碳排放效果越顯著?？梢?，節(jié)能導(dǎo)線在節(jié)能減排方面具有顯著成效，對(duì)助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要意義。

雖然節(jié)能導(dǎo)線能夠顯著降低線路損耗，但由于采用了更高導(dǎo)電率的材料或特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其制造成本比傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線高5%～10%[40]。因此，使用節(jié)能導(dǎo)線往往會(huì)帶來初期投資成本的增加，導(dǎo)線的選擇需要綜合考慮項(xiàng)目的整體投資回報(bào)和經(jīng)濟(jì)效益[44]。

2.2.3 增容導(dǎo)線

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，東部地區(qū)的電力需求急劇增加，西電東送工程作為緩解東部地區(qū)電力供需矛盾的重要措施，其輸電能力需不斷提升以滿足日益增長(zhǎng)的電力需求。傳統(tǒng)的輸電線路由于多年運(yùn)行，其輸電能力和距離已無法滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。特別是在如“西電東送”類長(zhǎng)距離、大容量輸電工程中，傳統(tǒng)線路的局限性更加凸顯[45]。隨著科技進(jìn)步和新型材料的研發(fā)，增容導(dǎo)線為輸電線路的增容改造提供了可能。將老舊線路改造為增容線路，而無需更新或增強(qiáng)桿塔，成為了一種性價(jià)比較高的線路改造方式。增容導(dǎo)線是指在與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線相同導(dǎo)線截面積情況下，能夠輸送更多電能的導(dǎo)線[46]。由于導(dǎo)線的增容效果是通過提高導(dǎo)線的運(yùn)行溫度來實(shí)現(xiàn)，因此增容導(dǎo)線也被稱作為耐熱導(dǎo)線。我國(guó)使用較多的增容導(dǎo)線主要包括：耐熱鋁合金導(dǎo)線、間隙型導(dǎo)線（也稱松套型導(dǎo)線）、鋁基陶瓷復(fù)合芯導(dǎo)線和碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線[47-49]。

耐熱鋁合金導(dǎo)線通過使用耐熱溫度更高的鋁合金來替代鋼芯鋁絞線中的硬鋁線（HAl），用來替換的鋁合金主要包括：耐熱鋁合金線（58Tal，簡(jiǎn)稱TAl）、60%IACS 耐熱鋁合金線（60TAl）、超耐熱鋁合金線（UTAl、ZTAl）、高強(qiáng)度耐熱鋁合金線（KTAL）。各鋁線性能見表8 所示，其中UTAl 與ZTAl、60TAl 與TAl 除電導(dǎo)率之外不具有其他差異，KTAl 機(jī)械強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋁合金線（KAl）相同，而耐熱性與TAl 相同[50]。為彌補(bǔ)鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線導(dǎo)電率較低與防腐性能低的缺點(diǎn)，可采用鋁包鋼、特高強(qiáng)度鋼芯來代替普通鋼芯。日本曾于20世紀(jì)80 年代研發(fā)出的殷鋼耐熱鋁合金導(dǎo)線，使用殷鋼芯來代替普通鋼芯，因其具有的同弧同徑條件下的倍容特性，也被稱為“倍容導(dǎo)線”，由于運(yùn)行穩(wěn)定，已掛網(wǎng)運(yùn)行約有30 年，但其存在造價(jià)較高、工程性價(jià)比低的問題[51]。

間隙型導(dǎo)線所使用鋁線也為鋁合金，依據(jù)鋁合金是耐熱鋁合金（TAl）或是超耐熱鋁合金（ZTAl），間隙型導(dǎo)線分為間隙型鋼芯耐熱鋁合金絞線和間隙型鋼芯超耐熱鋁合金絞線。間隙型導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)與鋼芯鋁絞線略有不同，在鋼芯與鋁線之間存在一定的間隙并填充有間隙潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油在210 ℃以下不滴流，起到防止鋼芯銷蝕的作用，填充的潤(rùn)滑油能夠減少鋼芯與內(nèi)層鋁合金之間的摩擦[52]，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。耐熱鋁合金可在150 ℃下持續(xù)正常工作，此時(shí)間隙型導(dǎo)線載流量約為普通導(dǎo)線的1.6 倍，超耐熱鋁合金可在210 ℃下持續(xù)工作并達(dá)到約2 倍的載流量[53]。但是間隙型增容導(dǎo)線存在需更換金具、施工不便、內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)不易檢測(cè)等問題，該類導(dǎo)線在我國(guó)應(yīng)用較少。

鋁基陶瓷復(fù)合芯導(dǎo)線（aluminum conductor composite reinforced，ACCR）最早由美國(guó)3M公司于2001 年研發(fā)。ACCR 內(nèi)部材料芯是由上萬(wàn)根高強(qiáng)度陶瓷纖維嵌入到高純度鋁中復(fù)合而成，外部為鋁鋯合金，具有較好耐高溫性與抗拉強(qiáng)度，二者共同承擔(dān)導(dǎo)線的機(jī)械與電氣特性[54]。導(dǎo)線截面圖見圖7 所示，鋁基陶瓷纖維芯的特性參數(shù)見表9 所示。

同樣使用復(fù)合材料芯的導(dǎo)線還有碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，根據(jù)復(fù)合芯結(jié)構(gòu)不同，又可分為棒型和絞合型2種[53]，二者的截面見圖8 所示。棒狀碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（aluminum conductor composite core，ACCC）內(nèi)芯采用覆蓋有玻璃纖維的棒型碳纖維芯，這種材料最大耐受溫度超過2 000 ℃，并且可保持機(jī)械強(qiáng)度不降低，外層通常采用經(jīng)過處理的軟鋁線或耐熱鋁合金型線[55-57]。ACCC 導(dǎo)線具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、導(dǎo)電性強(qiáng)、弧垂低等優(yōu)勢(shì)，載流量可到達(dá)普通鋼芯鋁絞線2 倍左右，碳纖維材料不同于鐵磁性材料，因此也不存在磁滯損耗與渦流損耗，同時(shí)導(dǎo)線還可提高電暈的起始電壓，抑制電暈現(xiàn)象[56，58]。碳纖維本身是一種脆性材料，雖然有較高的硬度，但韌性卻較差易于斷裂，因此在架線過程中需嚴(yán)格避免大角度的折彎，這加大了施工難度；且該材料具有價(jià)格較高問題[59]。絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線外層與ACCC 導(dǎo)線完全相同，內(nèi)層采用絞合結(jié)構(gòu)能一定程度上緩解ACCC 導(dǎo)線較顯著的斷裂缺陷，更有利于施工與運(yùn)輸。由于二者的材料相同，絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線也具有ACCC 導(dǎo)線的高強(qiáng)度、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)。ACCR 與ACCC 這2 種復(fù)合材料芯導(dǎo)線在美國(guó)已經(jīng)有了相當(dāng)多應(yīng)用案例，但由于碳纖維復(fù)合芯材料本身抗扭、抗彎、徑向耐壓等性能差，對(duì)施工要求較高，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少[51]。

2.2.4 特殊用途導(dǎo)線

除去上述介紹的導(dǎo)線類型，實(shí)際應(yīng)用中還存在一些特殊用途的導(dǎo)線，如光電復(fù)合型線纜、抗復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)線。光電復(fù)合型導(dǎo)線包括光纖復(fù)合相線（optical phase conductor，OPPC）、光纖復(fù)合架空地線（optical fibercomposite overhead ground wire，OPGW），其中OPPC 在傳統(tǒng)的輸電線中復(fù)合光纖單元，兼具電力傳輸與通信功能[60]?？箯?fù)雜環(huán)境導(dǎo)線如稀土導(dǎo)線、防舞動(dòng)導(dǎo)線、耐腐蝕導(dǎo)線、亞光導(dǎo)線、抗冰雪導(dǎo)線等，這些導(dǎo)線經(jīng)過特殊工藝處理，如抗冰雪導(dǎo)線通常在導(dǎo)線中添加特殊材料或發(fā)熱元件，通過產(chǎn)生熱能融冰，降低冰雪對(duì)導(dǎo)線的黏著力[61]；此外，部分歐美國(guó)家要求機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合下需使用亞光導(dǎo)線，以減少光污染對(duì)飛行員起降過程的影響[62]。

3 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

在電氣領(lǐng)域，目前受國(guó)際廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)是IEC 標(biāo)準(zhǔn)，IEC（International Electrotechnical Commission，國(guó)際電工委員會(huì)），是全球最為權(quán)威的三大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化與評(píng)定組織之一。我國(guó)于1957 年加入了IEC，我國(guó)制定國(guó)標(biāo)參考IEC 標(biāo)準(zhǔn)，也有修改使之更符合我國(guó)國(guó)情，部分我國(guó)架空導(dǎo)線領(lǐng)域國(guó)標(biāo)與IEC 對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)見表10所示。

在國(guó)際電線尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)方面，美國(guó)線規(guī)（American wire gauge，AWG）具有較高影響力，成為眾多國(guó)家和地區(qū)輸電工程中導(dǎo)線選型與設(shè)計(jì)的重要參考。AWG 從1857 年開始在美國(guó)使用，AWG 前的數(shù)字表示導(dǎo)線形成最后直徑前要經(jīng)過的孔的數(shù)目，這個(gè)數(shù)字是基于一個(gè)特定的、逐步減小的孔徑序列來確定的，因此數(shù)字越高的AWG 編號(hào)對(duì)應(yīng)越細(xì)的導(dǎo)線。AWG 通過編號(hào)來表示導(dǎo)線的粗細(xì)規(guī)格，面積采用千圓密耳（kcmil）作為單位，其與我國(guó)的公制單位mm2的換算關(guān)系為：1 kcmil=0.507 mm2，AWG 規(guī)格與國(guó)標(biāo)線徑換算見表11 所示。

4 典型應(yīng)用場(chǎng)景下導(dǎo)線的實(shí)際運(yùn)行分析

以國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司某分公司110～220 kV 運(yùn)行線路為例，探究各類導(dǎo)線實(shí)際運(yùn)行中的使用情況，為保證數(shù)據(jù)真實(shí)性，僅考慮單一導(dǎo)線線路，忽略多導(dǎo)線組合線路。線路使用情況見圖9 所示。由圖可知，國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司某分公司架空導(dǎo)線使用仍是以鋼芯鋁絞線為主，占比約94%。正如前文所述，鋼芯鋁絞線因其優(yōu)良的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性，成為架空輸電線路中最常用的導(dǎo)線類型。此外中強(qiáng)度全鋁合金絞線也占有較大比重，其具有密度小、重量輕、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，有助于減輕線路重量，降低桿塔負(fù)荷，提高電網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)性。稀土鋼芯鋁絞線與碳纖維復(fù)合芯軟鋁型線絞線共占總線路約0.5%，較少使用是由于該類型導(dǎo)線存在造價(jià)較高和運(yùn)行穩(wěn)定性較低的問題，體現(xiàn)了重慶電網(wǎng)對(duì)于運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的重視。

國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司該分公司對(duì)于架空輸電導(dǎo)線的使用情況一定程度上也反映出我國(guó)架空導(dǎo)線的整體使用狀況，鋼芯鋁絞線在全國(guó)架空導(dǎo)線市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，成為電網(wǎng)建設(shè)中的首選材料，但全國(guó)范圍內(nèi)還廣泛使用了包括碳纖維復(fù)合芯軟鋁型線絞線、稀土鋼芯鋁絞線、中強(qiáng)度全鋁合金絞線等在內(nèi)的多種新型或特殊類型的導(dǎo)線，這些導(dǎo)線在不同地區(qū)、不同應(yīng)用場(chǎng)景下發(fā)揮著各自的優(yōu)勢(shì)，但各地出于經(jīng)濟(jì)因素或運(yùn)行安全穩(wěn)定性考慮，使用比例較少；未來在相關(guān)研究較為成熟后，新型導(dǎo)線所占比重有望不斷增大。

5 結(jié) 論

文中總結(jié)了架空輸電線路導(dǎo)線在使用材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的迭代和優(yōu)化，并對(duì)不同類型導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用情況和瓶頸問題進(jìn)行了分析。同時(shí)根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工程情況對(duì)架空輸電線路導(dǎo)線的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究。結(jié)論如下：

1）在傳統(tǒng)導(dǎo)線方面，鋼芯鋁絞線因其具有良好的導(dǎo)電性能、機(jī)械強(qiáng)度與經(jīng)濟(jì)性，在我國(guó)架空輸電線路建設(shè)中占較大比重。但其也具有線損過高、不耐腐蝕和易受環(huán)境影響等缺點(diǎn)。

2）在新型導(dǎo)線方面，擴(kuò)徑導(dǎo)線通過增大等效直徑而在減小導(dǎo)線電暈和降低噪聲等方面表現(xiàn)良好，但實(shí)際施工過程中會(huì)有跳股問題，且由于需要特殊安裝技術(shù)與制造工藝，增加了投資成本；節(jié)能導(dǎo)線通過提高導(dǎo)線的電導(dǎo)率來降低導(dǎo)線的損耗，部分導(dǎo)線具有與鋼芯鋁絞線相同的機(jī)械強(qiáng)度可以直接替代使用。但其在降低線路損耗的同時(shí)也會(huì)增大初始投資，具體使用與否需根據(jù)設(shè)計(jì)及施工時(shí)的多方面經(jīng)濟(jì)因素決定；增容導(dǎo)線在改造已有線路而不增加輸電走廊占地面積方面具有良好的應(yīng)用前景，但部分導(dǎo)線如ACCC 導(dǎo)線材料本身較脆，在我國(guó)輸電線路的實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

雖然，當(dāng)前架空輸電線路導(dǎo)線的制備和應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，但是，面對(duì)極端的自然環(huán)境影響和未來復(fù)雜的工程應(yīng)用場(chǎng)景，架空輸電線路導(dǎo)線仍具有巨大的發(fā)展?jié)摿εc廣闊的提升空間，未來我國(guó)架空輸電線路導(dǎo)線的發(fā)展方向包括：

1）加強(qiáng)新型導(dǎo)線如碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在我國(guó)輸電環(huán)境下應(yīng)用的研究，該類導(dǎo)線具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，我國(guó)需加強(qiáng)對(duì)于導(dǎo)線長(zhǎng)期運(yùn)行性能和工程應(yīng)用技術(shù)等的深入研究，確保其能滿足實(shí)際工程需求。

2）進(jìn)一步提高電工鋁導(dǎo)電性能，如提高鋁的純度至99.996%，則電導(dǎo)率可以達(dá)到65%IACS，遠(yuǎn)高于當(dāng)前導(dǎo)線制造用鋁導(dǎo)電率的61%IACS，將減少能量損耗，從而帶來經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的提升。

3）加強(qiáng)導(dǎo)線新材料的研究，創(chuàng)造更多“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”導(dǎo)線，加快我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變。

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（編輯 詹燕平）

基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助（52209624000G）。