架空电力线路用增容导线.pdf

2 0 0 5 年第 2 期 No. 2 2 0 0 5 电 线 电 缆 E l e c t ri c Wi r e 2 . 江门市新会三新电工器材有限公司， 广东 江门5 2 9 1 4 5 ) 摘要: 阐述了具有代表性的由耐热铭合金线、 或退火铝线、 或成型铝线的导体与碳钢、 或“ I n v a r 钢、 或碳纤维- 聚合物复合加强材料组合的大容童导线的结构与材料， 介绍了经改进后的型号为 N R L H ( 6 0 % I A C S ) G J 4 0 0 / 3 5 “ 钢芯耐热铝合金导线” 的试验结果。为了推广应用和开发新颖的大容童导线， 建议对大容量导线的选择应进 行多方案考虑 调研总结经使用后的耐热铝合金导线线路设计和运行的经验; 组织不同学科和行业的有关单 位进行深入的研讨。 关键词: 大容童; 导线; 架空; 线路 中图分类号二 T M 2 4 4 . 2文献标识码: A文章编号: 1 6 7 2 - 6 9 0 1 ( 2 0 0 5 ) 0 2 - 0 0 0 9 - 0 5 w i t h I m p r o v e d C a p a c i t y f o r O v e r h e a d P o w e r L i n e s ( S h a n g h a i H U A N G C h o n g - q i ， e t a l . C a b l e R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a ) A b s t r a c t 二 T h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e E l e c t ri c a l ma t a ri a la n d c o n s t r u c t i o n o f t y p i c a l l a r g e c a p a c i ty A l a ll o y w i re s o r a r m s t r e n g th m e m b e r . I t s t e e l rei n f o r c e d. I n o e a l e d AI wi resi A l wi re a s o f i m p r o v e d c o n d u c t o r a n d c a r b o n s t e e l c o n d u c t o r s c o n s i s t i n g o f h e a t r e s i s t a n t o r I n v a r o r c a r b o n f i b e r - p o l y m e r a s 3 5 h e a t re s i s t a n t A l a ll o y c o n d u c t o r s c a p a c i ty c o n d u c t o r s b e m a d e c o n s i d e ri n g a n u m b e r o f c a n d i d a t e s , o p e r a t i o n o f h e a t re s i s t a n t A l a ll o y c o n d u c t o r s a n d t h a t f u r t h e r t h a t e x p e ri e n c e s b e s u m m e d u p c o n c e rn i n g d e s i g n a n d s t u d y b e m a d e b y p e o p l e f r o m d i ff e re n t i n d u s t r i e s a n d K e y w o r d s : l a r g e c a p a c ity; c o n d u c t o r ; o v e r h e a d i n s t a ll a t i o n ; l i n e 1 前宫 大容量导线是在电力需求不断增长、 新线路输 电容量不断增大、 老线路增容改造的推动下发展起 来的。现在我国和世界经济发达国家的电力工业都 对大容量导线给予非常的关注。因此， 与大容量导 线有关的国际电工委员会( I E C ) 标准， 如型线同心绞 架空导线 I ( I E C - 6 2 2 1 9 ) 已经公布， 耐热铝合金线和 钢芯软( 退火) 铝绞线( A C S S ) 已由I E C / T C 7 作为项 目建议提出。大容量导线主要用于新建大容量架空 输电线路、 变电站内部的大电流母线、 老线路增容改 造和特殊需要的大跨越工程等场合。导线要传输大 的容量， 从导线而言有三种思路: ( 1 ) 采用耐热铝合 金， 提高导线的运行温度; ( 2 ) 采用退火的软铝线， 提高导线的运行温度; ( 3 ) 改变导线的结构， 采用由 收稿 日期 作者简介) ， 男， 江苏常熟人， 中国工程 成型铝线， 在等直径下， 提高填充系数， 增加导线的 载流面积。大容量导线的制造， 关键在于材料的选 择( 导体和加强材料) ， 通过不同材料的组合， 各展材 料之长， 从而制造出具有不同特性的导线， 故一般大 容量导线均属组合导线( C o m p o s i t e C o n d u c t o r ) 。大容 量导线的开发和应用， 我国与日本、 欧洲、 北美等先 进工业国相比有相当大的差距2 ) 。上世纪8 0 年代， 上海电缆研究所曾开发过5 8 %和6 0 % I A C S 的耐热 铝合金线， 但品种及其使用均少， 所以线路的设计和 运行经验也少; 也曾开发过钢芯软( 退火) 铝绞线和 型线同心绞架空导线， 但仅作为技术储备。大容量 导线的开发的确需采用新材料和新技术， 以及在生 产中需要增添一点新装备， 但也不全是， 有的只属老 树开新花而已。在应用中不仅有高温和超高温架空 线路的 设计， 亦有配套金具、 连接和施工等问题 3 1 0 在2 0 2 0 年以前， 我国的电力事业将是一个超常发展 的时期， 大容量输电需要大容量导线， 在这种大好形 势下， 电力、 电缆、 冶金和化工行业的有关部门应互 相交流和研讨是很有意义的。 作者地址 : 2 0 0 4 - 0 8 - 0 3 黄崇棋( 1 9 3 4 - 院院士 . 上海市军工路 1 0 0 1) 号 2 0 0 0 9 3 . 万方数据 2 0 0 5年第 2 期 No. 2 2 0 0 5 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e 固溶析出型耐热铝合金。超耐热铝合 金就属这种类型。首先使错在铝中强制过饱和固 溶， 然后进行冷加工和长时间的热处理， 如果通过连 铸连轧得不到应有的组织， 甚至要进行二次热处理， 这样制造厂不仅要增添必要的大型热处理装备， 且 生产效率下降， 成为制约生产的瓶颈， 故这种线的价 格必然会有大幅度的增加。 高强度耐热铝合金线的强度与5 0 0 5 或 K A L中 强度铝合金相当， 约为 2 5 0 M P a 。但其导电率( 5 5 % I A C S ) 较低， 适用于大跨越或大高差等线路。 ( 2 ) 退火软铝线( 见表 1 ) 它的特点是导电率 高( 6 3 % I A C S 以上) 、 柔软( 伸长率约2 0 %， 远比钢高 得多) 、 弹性模量低、 应力应变曲线没有明显的屈服 极限转变点、 强度低( 约 8 4 M P a ) ， 但制造方便， 价格 比耐热铝合金线低得多。 2 . 2 加强材料 加强材料可分两类， 即金属( 钢) 加强材料、 碳纤维 或碳纤维与聚合物复合的非金属加强材料( 见表 1 ) 0 表 1 大容f导线用的导体、 加强材料及它们的组合导线 导线线种代号 导电率 不小于 / ( % I A C S ) 抗拉强度 不小于 / Mp a 允许温度/ 耐热性 加强材料线种 大容量组合导线 名称( 举例)代号( 举例)连续短时 强度残存率， 不小于1 % 试验条件 超耐热 铝合金0 5 7巧8. 81 7 5. 02 0 02 3 0 1 .热 镀 锌 钢线 ( 镀纯锌或锌 一 5 %铝 一稀 土 的G a l f a n 合金) 2 .热 镀 G a l f a n 合金高强度 殷钢 (I N V A R - F e - 3 6 % a N i ) 线或 铝包殷钢线 3 .碳 纤 维 加 强 线 4 .碳 纤 维 和 聚 合 物 复 合 的 加强线 5 . 铝包钢线 6 . 热镀铝钢线 7 . B e z i n a l .镀锌 钢线 1 2 1 1 . 钢芯耐热铝合金绞 线 5 8 或 6 0 T A C S R 5 8 U T AL5 8 1 5 8. 81 7 5. 0 叩 2 7 0 C x 1 h 2 . 钢芯超耐热铝合金 纹线 5 8 或 6 0 U T A C S R Z T AC S H X T A C S R X T A L5 8巧8. 81 7 5. 02 3 02 9 0叩2 8 0 C x 1 h 印1 5 8. 81 7 5. 02 1 02 4 0 3 . 铝包钢芯耐热铝合 金绞线 5 8 或 6 I T A C S R T A C S R / A C S I 川 印 U T AL印1 5 8. 81 7 5. 0叩2 7 0 C x l h Z T A L 6 1 印 1 5 8. 8一1 7 5. 02 1 0 2 4 09 02 8 0 0 x 1 h 4 . 钢芯高强度耐热铝 合金绞线 K T A, SR 印1 5 8. 81 7 5. 02 8 09 02 8 0 9 0 x 1 h 特别耐热 铝合金 5f .巧8. 8-1 7 5. 02 3 03 1 0 5 . 铝包钢芯高强度耐 热铝合金纹线 K T A C S R / AC 耐热 铝合金 5 8 T AL5 81 5 8. 8一1 7 5. 01 5 01 8 09 02 3 0 C xIh 6 0 T A L6 0巧8. 8一1 7 5. 01 5 01 8 0卯2 3 0 9 0 x I h 6 . 殷钢芯低弧垂超耐 热铝合金绞线 X T或 2 T A C I R 高强度耐 热铝合金 KT AL5 52 2 5. 0一2 5 2. 01 5 01 so9 0 2 3 0 9 0 x I h 5 02 7 4. 4 相当于 1 5 0 9 0 下加热 3 6 年 1 8 0oo1 8 09 0 x 4 0 0 h 5 92 3 5. 21 5 0 1 8 08 74 0 0 x 4 h 7 . 碳纤维芯超耐热铝 合金绞线 Z T A C F R 8 . 碳纤维和聚合物复合 芯耐热铝合金绞线 AC F R T AC F R 9 . 钢芯软( 退火) 铝绞 线 AC S S 电工铝圆 线或电工 铝型线 硬线 6 1 巧8. 81 7 5. 09 0 1 2 0 软线6 3 约8 4 . 0 ( 伸长 率约2 0 %) 2 以】 1 0 . 型线同心绞架空导 线 T V AXF / S XY AXF / AYF 2 5 0 ) 本产品的技术参数摘自于 日本电气共同研究 第4 3 卷第3 号第7 页。 抗拉强度值系指导线直径为2 . 3 一 4 . 8 m m时的测量值。 连续允许温度系指连续运行温度下导线允许最高温度; 短时允许温度系指由于事故等原因， 要求在3 0 m i n内短时的条件下， 导线允许( 短时) 的最高温度。 据J E C 3 4 0 6 ( 日 本电工委员会标准) J C S 1 4 0 5 和1 4 0 4 ( 日本电线电缆制造厂协会) 标准， 短时允许温度是指持续时间为4 0 0 h ， 而且强度残存率不小于9 0 %时的 允许温度值。 根据 A l c a n 公司A C S S 导线信息报道， 与镀铝钢线或铝包钢线组合后， 导线连续允许温度可达 2 5 0 9C o 1 0 万方数据 2 0 0 5 年第 2 期 N o . 2 2 0 0 5 电 线 电 缆 E l e c t ri c Wi r e 由于耐蚀要求的不同， 钢丝的镀层可采用 热镀纯锌、 锌一 5 %铝一 稀土( 即G a l f a n ) 耐蚀合金、 热镀 铝( 或铝包钢) ; 如既要增强， 又要兼顾组合导线的导 电率和耐热性， 可用铝包钢线; 为减小导线的弧垂， 以降低钢线的热膨胀系数的特殊需要， 可用殷钢 ( I n v a r ) 线。 ( 2 ) 非金属加强材料这种材料与组合导线中 的钢绞线相比 5 具有重量轻、 强度高、 热膨胀系数小 ( 1 . O x 1 0 - 6 / 9 C ) 、 耐热( 允许的连续温度为 1 5 0 9 C , 短 时温度为1 8 0 9 C ) 等特点， 重量和热膨胀系数分别仅 为钢绞线的1 / 5 的1 / 1 2 ， 而两者的拉断力几乎相等， 因此开发和应用于大容量低弧垂组合导线的前景看 好。 3 大容量组合导线 如上所述， 经不同导体材料和加强材料的绞合 可制造出符合不同特性要求的组合导线， 现将具有 代表性的大容量组合导线( 见表 1 ) 举例如下。 3 . 1 耐热铝合金一 碳钢加强的大容f组合导线 由于耐热铝合金线种较多， 与碳钢加强材料组 合， 可组合出许多不同特性的组合导线， 此类导线与 钢芯铝绞线相比， 其容量约可增加到 1 . 5一2 . 0 倍 7 1 。 3 . 2 耐热铝合金 非金属加强的大容量组合导线 这类组合导线5 .7 1 可设计得与钢芯耐热铝合金 绞线具有相同的综合拉断力， 但导线的重量大大减 轻， 并在 1 5 0 的连续允许温度下运行， 弧垂明显改 小， 且不需更多地关注线路的热膨胀。另外， 不需改 变通常输电线路的铁塔和支持物。这种导线已于 2 0 0 2 年 1 0 月在日本“ T o h o k u ” 公司管辖区的输电线 路上投人试运行。 3 . 3 超耐热铝合金一 殷钢加强的低弧垂大容t组合 导线 这类组合导线 4 .8 - lo 现以超耐热铝合金一 高强度 热镀 G a l f a n合 金 殷 钢 线 加 强 的大 容 量 导 线 ( Z T A C I R ) 为例， 它可在连续 2 1 0 c C , 短时 2 4 0 下工 作， 从而使输电容量为钢芯铝绞线的2 倍; 由于殷钢 的热膨胀系数小， 在 2 0 一1 0 0 为小于 2 . 8 x 1 0 - 6 / c C , 1 0 0 一 2 4 0 为小于3 . 6 x 1 0 - 6 / 9 C ， 所以铁 塔间导线的弧垂可减小; 由于 G a l f a n 合金镀层的耐 蚀性好， 所以组合导线具有良好的耐蚀性。 3 . 4 钢芯软( 退火) 铝线大容f组合导线( A C S S和 A C S S / T W ) ” 这种导线的制造基本上与钢芯铝绞线相同， 只 增加了退火工序， 因此价格只是稍有提高而已， 它具 有下列特点: ( 1 ) 可提高线路输电容量。由于电工软( 退火) 铝股线具有第 2 . 1 节( 2 ) 所述的特性， 当导线在高温 下运行时， 根据软铝线和钢线的应力应变曲线可以 看出， 导线上所受的力将绝大部分转向钢芯， 实际上 软铝线已和导线的强度损失无关， 所以导线可在 2 0 0 和2 5 0 O C ( 软铝线和镀铝钢线或铝包钢线组合) 下运行， 从而线路容量可增加到1 . 5 一 2 . 0 倍。 ( 2 ) 可提高阻尼能力、 允许的每日应力， 和减少 蠕变。由于导线中软铝线所受的应力很低， 且蠕变 伸长减少， 故阻尼能力提高， 可提高每日 应力和少考 虑或不考虑消振措施。由于软铝线伸长率很高， 导 线的蠕变主要取决于钢芯， 而钢芯的蠕变是非常低 的。 A C S S 导线亦可用梯形等型线制造， 这种紧密的 导线， 因载流面积增加而使载流量增加约2 0 %. 这种导线在重冰区使用， 由于其拉断力( 相对于 标准的钢芯铝绞线而言) 降低了， 所以在导线的强度 上可能不应有太多的苛求。此外， 由于软铝股线柔 软， 因此在紧线和控制弧垂以前可能需要预应力。 3 . 5 型线同心绞架空导线( T W和A E R O - Z I 0 1 ) 这种导线具有下列特点: ( 1 )由梯形或 Z形铝股线与加强材料同心绞 合， 与自阻尼导线相类似， 这种结构在长期试验和应 用中已得到证实是可靠的。 ( 2 ) 可增加载流量， 与标准的钢芯铝绞线相比， 在等直径下， 可增加载流面积2 0 %， 由此， 电阻可减 小 1 7 %， 如果以等面积相比， 直径可减小 1 0 %0 ( 3 ) 有较低的径向温度梯度， 这是由于梯形股 线间接触面的增加， 传热改善所致， 从而具有较低的 运行温度; 有较低的 A C - D C电阻比， 这是由于梯形 股线尺寸大， 导线一般只需 2 层股线， 从而排除了钢 芯的磁效应而使电阻降低。也因股线尺寸大， 加工 中冷加工率低， 所以导电率较高; 可改善电流的分布 和耐蚀性， 因为股线间接触面的增加， 改善了圆周上 和层间的电流分布， 使电流更趋向于按直线流动， 从 而减小了不平衡的磁化力。梯型股线绞合密集性 好， 减少了有盐分的潮气和污染气体向导线中渗透， 从而改善了耐蚀性。 ( 4 ) 安装、 金具和设备与钢芯铝绞线相同。 综上所述， 如果集上述大容量组合导线结构、 导 体材料和加强材料之长， 可以预计将可进一步开发 出性能更好的新颖大容量导线。 万方数据 2 0 0 5 年第2 期 N o. 2 2 0 0 5 电 线 电 缆 E l e c t ri c Wir e 4 d 卷绕试验弯曲直径为4 d , d 为导线的标称直径( m m ) ， 以下相同。 扭转试验的试样的标距长度为 1 0 0 d e 表 3 导线主要特性试验结果 项目结果条件 项目 结果条件 1 . 常温综合拉断力1 0 9 . 5 , 1 00. 8 和 1 的 . 6 k N, 平均 1 0 9 . 6 k N 试样长 1 2 m ， 环氧树 脂端头， 5 0 0 k N卧式 拉力机 一“流 导体温度 / 载流量 / A 无风、 无日照自然对流， 试样 张力 2 5 . 9 8 k N ( 2 5 % R T S ) ， 加 热区长 1 3 m， 热电偶测温， 环 境温度 1 0 . 5 一1 0 . 8 9 0 4 5. 4 6 1 . 0 8 3. 1 1 0 4. 4 1 2 6. 1 1 4 7. 9 1 5 7. 7 1 6 8. 6 5 印 6 6 0 8 0 0 9 如 10 6 0 11 印 1 1 9 0 1 2 3 8 2 . 高温综合拉断力1 5 0 9 0 x 3 h r : 1 0 9 . 5 , 1 0 8 . 9 , 1 0 9. 3 k N 加热区长 1 0 m ， 热电 偶测温， 其它同上 3 . 弹性模量及应力- 应变曲线 最终弹性模量为 6 6. 4 G P a 标距长 2 m , 测试精 度: 应力为土1 %， 应 变为t 0 . 0 1 m m / 2 m , 其它同上 7 在 20 9v “ 的 直 流 电 一 理论值: 鉴 0 . 0 7 5 1 4 0 / k m 实验值: 0 . 0 7 4 2 5 0 / k m 试样长度为 1 2 m, 测试有效 长度为 1 0 m 4 . 振动疲劳性能3 . 0 1 x 1 0 ; 3 . 0 2 x 1 0 ; 3 . 0 1 x 1 0 次振 动后， 未见有任何开 裂断股现象 振动角: 2 5 ， 一 3 0 ， 张 力2 5 %计算拉断力， 试样塔距5 6 m 5 . 热膨胀性能热膨胀系数: ( 1 ) 室温 一 1 0 0 9 0 : 2 1 . 2 x 1 0 一 6 / ( 2 ) 1 0 0 1 6 0 9 v : 2 1 . 1 x 1 0 一 4 / ” 热 区 长 13 .5 m ，张 一 力 2 5 . 9 8 k N 2 5 % 一 R T S ) ，侧 试 有 效 长 度 一 刀3一一变性能 端 变量: 在 1 5 %、 2 5 %和 3 5 % R 1 5张 力下的蠕变方程可 推算出1 0 年( 8 7 6 0 0 h ) 后的蟠变量分别 为 2 0 7 , 4 9 1和 9 0 8 mm/ k m 1 0 0 k N卧式拉力试验机， 试 样端间长 1 4 m， 试样标距长 5 m， 环氧树脂端头 试验温度: 2 0 :t 1 9 0 张力: 1 5 %( R T S ) 2 5 0l o ( R T S ) 3 5 % ( R T S ) 试验时间: 1 0 0 0 h 注: 导线结构: 耐热铝合金线4 8 根 x 3 . 2 2 m m; 镀锌钢线 7 根 x 2 . 5 0 m m . 1 2 万方数据 2 0 0 5年第 2 期 No. 2 2 0 0 5 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e 保护自 然， 万物共存 . 、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 万方数据