新型节能导线在输电线路工程中的应用技术

新型节能导线工程应用技术一、概述导线作为输送功率的载体，一直是输电线路设计的核心内容，导线的每次技术进步和改良创新都能够带来巨大的经济和社会效益。目前在我国新建输电线路中，应用最为广泛的是圆线同心绞钢芯铝绞线，多年的运行实践证明其具有稳定的机械电气性能，施工运行和维护方便，能够较好地适应我国大部分地区的条件和环境。常用的普通钢芯铝绞线组成结构图如图1-3-1。图1-3-1普通钢芯铝绞线结构图进入21世纪，国家大力倡行节能减排，国网公司也积极应用“新材料、新技术和新工艺”，以达到环友好和资源节约，因此输电线路的节能耗成为关注点。同时随着我国电线电缆行业制造技术和工艺的进步，五花八门的新型导线层出不穷，在提供了更多选择的同时，也造成了一定的混乱甚至是安全隐患。因此必须区分新建线路和改造线路的不同需求，从而有针对性地合理选用新型导线，更好地贯彻“两型三新”的建设原则。在国家电网公司基建部的大力推动和指导下，经过建设、科研、设计单位和制造企业的通力合作，梳理、总结和规范了适合新建线路应用的新型节能导线，并开展了系统的试点应用和推广工作。二、技术原理（一）导线节能技术原理（1）导线节能技术分类近年来，我国线缆行业发展较快，为达到增容、节能、改善弧垂特性和防振、防腐性能、降低噪声和电晕等目标，出现了各式各样的新型导线产品，其中很多61%IACS硬铝线镀锌钢丝导线都能达到节能的效果。宽泛地说，只要在同等截面水平下，单位长度电阻低于常规钢芯铝绞线的导线，都可以称为节能导线。这些新型导线主要通过三类技术原理来降低电阻损耗：一是采用退火工艺处理的软铝代替电工硬铝，导电率可由61%IACS提高到63%IACS。主要代表产品有钢芯软铝绞线、应力转移型特强钢芯软铝导线、复合芯软铝倍容量导线等。二是采用具有一定强度和导电率的铝合金代替钢芯和部分乃至全部电工硬铝，在保证机械强度的同时，总的直流电阻可降低3%左右，并且没有钢芯的磁滞涡流损耗。主要代表产品有铝合金芯铝绞线、中强度全铝合金绞线等。三是保持钢芯铝绞线的结构形式不变，通过材料和工艺手段提高硬铝的导电率，实现63%IACS的高导电硬铝。主要产品为钢芯高导电率铝绞线。（2）软铝类节能导线将拉制的铝线经退火工艺处理，使其再结晶变成软铝线，一般电阻率在0.027151-0.027367Ω·mm2/m，导电率可提升到63%IACS，比普通的硬铝线高出约2%IACS。再绞制成软铝导线，可以达到降低导线电阻的目的。根据导线所采用芯线不同，目前比较成熟的主要有钢芯软铝绞线、应力转移型钢芯软铝导线、复合芯倍容量导线等1）钢芯软铝绞线20世纪60年代，美国、加拿大采用软铝与钢芯绞制成钢芯软铝绞线ACSS，70年代又开发出型线同心绞软铝导线ACSS/TW（AluminumConductorSteelSupported/TrapezoidalWire）（如图1-3-2）由于采用了63％IACS的软铝，可减少线损约3％，节能效果显著。图1-3-2钢芯软铝绞线ACSS/TW结构图63%IACS软铝线高强/特强钢丝由于软铝线的机械为60~90MPa，比普通硬铝线的机械强度低很多，因此钢芯软铝绞线施工和运行过程中，导线的机械载荷主要由钢芯来承担，铝线股对导线的主要贡献是承载电流而不承担绞线载荷，因此导线运行在高温时不会因铝线强度发生软化而受到影响。由于软铝线具有较高的伸长率为20%~30%，比普通硬铝线的伸长率（1.2%~2.0%）高很多，因此可以充分发挥钢芯的承力作用。钢芯软铝绞线的运行工作温度完全由钢芯的软化特性所决定。由于钢芯的再结晶温度较高，可以在较高的温度下保持正常的机械强度，其允许运行工作温度较普通钢芯铝绞线高很多，从而相同截面钢芯软铝绞线的载流量能比钢芯铝绞线高1倍。2）应力转移型特强钢芯软型铝导线由我国江苏通光集团自主开发的应力转移型特强钢芯软型铝导线是在前述钢芯软铝绞线ACSS/TW的基础上又作了进一步提高，其中的铝线股主要采用S/Z形单丝，它使导线更为紧密（如图1-3-3）。导线在生产过程中通过采用钢铝之间的应力转移技术，使热膨胀系数较小的钢芯承担导线的主要应力，导线的温度—弧垂曲线的拐点（应力转移点）向较低的温度移动，从常用的钢芯铝绞线的拐点温度110℃～115℃左右，可以移至40℃至20℃（即移至制造时的工作温度左右），其移动量可控。应力转移技术将常规间隙型导线在施工现场的应力转移工作变成在导线制造过程中完成，保证了应力转移的准确与施工的便利。该导线的最高运行温度可达到150℃，增容100％而弧垂不超过普通钢芯铝绞线。图1-3-3钢芯软铝绞线ACSS/TW结构图3）碳纤维复合材料芯软铝绞线碳纤维复合材料芯导线的种类较多，按碳纤维复合材料芯的形状可以分为多股绞合碳纤维芯和单股芯棒两类；按导体材料可分为硬铝、软铝、耐热铝合金三63%IACS软铝线特强钢丝类；按导体的形状可分为圆线和型线两类。目前，碳纤维复合材料芯与导体的组成产品有以下三类：日本ACFR导线（多股绞合碳纤维芯+硬铝+圆线）、碳纤维复合材料芯耐热铝合金绞线（单股芯棒+耐热铝合金+圆线）和碳纤维复合材料芯软铝绞线（单股芯棒+软铝+型线），后二者在中国均已得到了应用。硬铝的导电率低于软铝，耐热铝合金导电率较低，它们与碳纤维复合材料芯的组合都不能使碳纤维复合材料芯的强度充分发挥作用，且损耗较大。软铝的导电率高，可以耐受高温，与碳纤维复合材料芯的组合可以在高温下运行。型线可以减少导线直径，改善机电性能。因此“碳纤维复合材料芯＋软铝＋型线”的导线型式最能够充分发挥碳纤维的技术优势，并且具有节能的效益。这类产品以美国CompositeTechnologyCorporation（CTC，Irvine,CA）研制开发的碳纤维复合材料芯软铝导线(AluminumConductorCompositeCore，简称ACCC/TW)为代表（如图1-3-4所示）。其芯线是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，将碳纤维与玻璃纤维进行预拉伸后，在环氧树脂中浸渍以提高耐冲击性、抗拉应力和弯曲应力，然后在高温模具中固化成型为复合材料芯线。其导体为梯形截面的铝线股。无锡远东电缆有限公司生产的同类产品型号为JLRX/T系列，在国内有较多应用案例。图1-3-4ACCC导线（左）与ACSR导线（右）碳纤维复合材料芯软铝绞线采用了导电率较高的软铝，并且没有钢芯的磁滞涡流损耗，所以在同样的导电截面下输送交流电时，电阻损耗比钢芯铝绞线低约4%。另外，由于碳纤维的抗拉强度大、密度小、线膨胀系数低，所以碳纤维复合芯软铝绞线的额定拉断力大、单重小、线膨胀系数低，这些特点直接导致其具有更好的弧垂特性。（3）铝合金类节能导线钢芯铝绞线中的钢芯比重大、截面小、电阻率低，又是铁磁材料，因此在主要起到承力的作用，在交流线路中基本不输送电流，反而会引起磁滞和涡流损耗，并增加导线重量。如果将导线的钢芯用导电性能较好且有一定强度的的非铁磁材料来代替，既充分利用了芯部截面，避免了铁损，又能保证整体强度，降低导线重量，高强度铝合金（LHA1、LHA2）和中强度铝合金（LHA3）就是这样的替代材料。表1-3-1铝合金与镀锌钢丝及电工硬铝的性能对比材质型号/性能镀锌钢丝G1A电工硬铝LY9高强度铝合金LHA1高强度铝合金LHA2中强度铝合金LHA3抗拉强度（MPa）（3.5mm）1290~1340165~200325295250抗拉强度（MPa）（3.5mm）1290160315295240最小延伸率（250mm）%3.0~4.01.5~2.03.03.53.0导电率（IACS%）96152.553.058.5密度（t/m3）7.782.7032.7032.7032.7031）铝合金芯铝绞线ACAR（AluminumConductorAlloyReinforced）铝合金芯铝绞线采用52.5%或53%IACS的高强度铝合金芯替代普通钢芯铝绞线中的钢芯和部分铝线，导线外部铝线与普通钢芯铝绞线铝线相同，组成结构如图1-3-5。在等总截面应用条件下，由于基本无导电能力的9%IACS钢芯被铝合金芯替代，所以铝合金芯铝绞线的直流电阻比普通钢芯铝绞线更小，且没有钢芯的磁滞涡流损耗，从而达到了节能的目的。图1-3-5铝合金芯铝绞线结构2）中强度全铝合金绞线AAAC（AllAluminumAlloyConductor）中强度全铝合金绞线全部采用58.5%IACS的中强度铝合金材料，组成结构如图1-3-6。与等总截面的普通钢芯铝绞线相比，由于铝合金材料替代了钢芯，相当于增大了导线的导电截面，使导线的整体直流电阻值降低，且同样没有钢芯的磁滞涡流损耗，从而达到了节能的目的。图1-3-6中强度全铝合金绞线结构（3）高导电率硬铝类节能导线铝的导电率除了与铝的状态（硬态、软态）相关外，与铝的纯度也有关。根据相关研究，纯铝的极限导电率约为64%IACS，这也是目前厂家大量使用牌号AL99.70%电工铝锭，并采用普通熔炼、轧制工艺后，其导电率一直维持在61%IACS的一个原因。但如果使用99.99%的高纯铝锭，一是目前高纯铝锭的资源不足，满足不了市场需求，另外其成本约是普通铝锭的150%左右，缺乏商业价值。江苏无锡华能电缆有限公司联合东南大学开发出新一代高导电率硬铝导61%IACS硬铝53%IACS高强度铝合金芯58.5%IACS中强度全铝合金线，通过从晶粒细化、铝线冷拉拔过程的低缺陷控制以及敏感元素的精确控制上着手改进，通过一系列的研究试验分析，在保障铝线强度满足国标规定的LY9硬铝线条件下，铝线导电率达到63%IACS，而其结构、力学性能及施工条件与普通钢芯铝绞线完全一致。依此开发的钢芯高导电率硬铝绞线，承力构件采用镀锌钢线，导体采用导电率63％IACS（对应电阻率0.027367Ω·mm2/m）的硬铝线（结构如图1-3-7），可降低线路的电阻损耗，节能效益明显。图1-3-7钢芯高导电率硬铝绞线（二）型线工程应用技术原理相对于常规的圆线同心绞导线，S/Z形型线同心绞导线由于其特殊的结构形式，具有以下良好的机电性能：（1）等截面条件下线径可压缩约9％，减小了风、冰荷载；（2）大风时体形系数低，进一步减小了风荷载；（3）表面光洁，不易附着杂质，从而降低了电晕放电产生的损耗和电磁环境问题；（4）型线由于其特有的结构，股线间相互干扰，具有更高的内部自阻尼，有利于微风振动能量的吸收；（5）型线绞合，结构紧凑，表面光洁，湿雪不易粘附在导线表面，覆冰容易脱落；（6）型线绞合紧密，使雨水灰尘等电化学物质不易进入，有利于保护内部的镀锌层或防腐油脂；（7）Z型绞线相互交叠压制，即使有少量断股也不会脱离导线，不易造成整根导线松动散股；钢芯63%IACS硬铝将S/Z型铝线拉丝和绞制技术与导线节能技术相结合，能够开发出各种型线同心绞节能导线，如ACSS/TW、ACCC/TW、应力转移型特强钢芯软铝绞线、钢芯高导电率硬铝S/Z型绞线、铝合金芯S/Z型铝绞线等。这些导线不仅具备普通型线的前述多重优点，还能降低电阻损耗，是名符其实的节能型线，目前比较成熟的代表产品除前述各种软铝导线外，还有钢芯高导电率硬铝S/Z型绞线（如图1-3-8）。图1-3-8钢芯高导电率硬铝S/Z型线同心绞导线三、主要技术内容（一）适合新建线路推广应用的节能导线选择（1）选择的标准由前述可见，具有节能效果的导线种类繁多，原理各异，因此在推广应用中首先要明确的就是适用范围的问题。对于老旧线路的增容改造，要求是尽量利用原塔换线增容，在不增大荷载和弧垂的前提下提高允许载流量。由于往往是无法开辟新通道时“无奈”且“必须”的选择，因此能够接受很高的导线价格和严苛的施工要求。对于新建线路，则应按全寿命周期经济性选择截面，并校验过负荷要求和电磁环境指标。由于新建线路总量巨大，且有优化选择的条件，因此必须注重全寿命周期内的经济性，尽量与现有设计施工方案衔接，而不必刻意追求运行温度和允许载流量的提高。具体到新建线路工程，节能导线应满足以下几个条件，才具备推广应用的价值：1、导线价格与常规钢芯铝绞线持