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!""#年$!月第%卷第$!期电!力!设!备&'()*+,)-'&./,01(2*!3()4!""#56'7%867$!新一代复合导线 "##$的特点及其应用杨!韬" 马庆强#"$%&中国有限公司北方技术中心 北京市"''"() #$%&中国有限公司研发中心 上海市#''#%%摘!要 介绍了一种全新的架空输电线路用导线*++, 铝基陶瓷纤维复合芯加强导线 该导线主要由内层的铝基陶瓷纤维复合芯和外层的铝锆耐热合金绞线构成 具有高耐热 自重轻 强度大 低弧垂 低热膨胀 耐腐蚀等优点 文章从*++,复合导线的结构及特性 应用特点及优势 性能测试和现场试验等方面进行介绍 并评估了其技术经济性 展望了其在我国输电系统中的发展前景关键词 *++,复合导线 复合导线 耐热导线 输电线路中图分类号 -&(.""9引言长期以来 传统的架空输电线主要采用的是钢芯铝绞线 */012301+4350674897::/,:23;486:5 *+9, 近年来 随着经济的高速发展和用电量的急剧上升 由于钢芯铝绞线耐热能力较差而导致传输能力不足已成为限制电网供电能力的 瓶颈 为了解决此问题 一般采用提高电压等级 改造线路或使用大截面导线等方法 但这些方法的采用也带来了很多问题 如必须更换原来的杆塔设备 提高绝缘水平 新征土地 而且要研究可行的实施方案 这些问题不仅带来经济上的巨大投入 而且经常在时间上也满足不了线路增容的迫切需求 同时也会给环境及规划带来一定压力%&公司凭借其在陶瓷纤维材料领域的优势 研发了新一代高耐热 低弧垂的新型架空复合导线铝基陶瓷纤维复合芯加强导线 */012301+43506748 +41<4=27:,:23;486:5 *++, 这种新型导线充分发挥了其复合材料的长处 与钢芯铝绞线 *+9, 相比 *++,导线的耐热性能大大提高 导线额定持续工作温度可达#"'> 短时温度达#?'> 应急温度可达%''> 同时 *++,导线还具有质量小 仅为铝的"$#倍 强度高 @倍于铝 与钢相当 热膨胀小 钢的"A# 传导率高 钢的?倍 等一系列优点 因此 当使用*++,对原有线路进行增容升级时 比同等直径的钢芯铝绞线的载流量大"B #倍 并且可沿用原有线路的杆塔和基础 不需要增建新的电力杆塔 从而大大节省了土地等资源成本 而且安装简单 快速 对环境几乎没有影响 可见*++,的这些优点对于环境敏感区域 人口密集区域以及大跨越地区的线路增容升级或线路新建来说尤为重要 $9 导线的结构及特性$%$9结构简介*++,的主要结构看上去与传统的*+9,基本相同 但其外层绞线和内层芯线都与*+9,不一样 *++,导线的内层芯线是由数千根极细的高强度陶瓷纤维沿着与导线相同方向嵌入到高纯度铝中复合而成 同时 外层的绞线是由添加了微量锆金属元素的高强度 高耐热铝线绞制而成 如图"所示 外层的铝锆合金绞线和内层的复合芯线同时承担着导线的整体机械性能和导电特性图"!*++,导线的基本结构$%!9"##$导线的复合芯陶瓷纤维材料具有高耐热性 高机械强度 低膨胀率和质量较小的特性 %&公司研究陶瓷纤维材料的工艺和应用已经超过了%'年*++,复合芯从表面上看像是一般的铝导线 但其机械性能和电气性能却远远超过普通的铝线或者钢线 如*++,的复合芯的拉断强度可达@倍同样铝线 与钢相当 其质量仅为同等体积钢芯的一半 其电导率远超过钢芯 线膨胀率也不到钢芯的一半 更重要的是 在高达%''>的高温下 *++,复合芯仍能保持原有的机械强度 不同截面的导线 *++,复合芯的单丝外径也是不同的 其范围是"$C B#$C11 表国际电力杨韬等(新一代复合导线)))*++,的特点及其应用@.!"为*++,导线复合芯的基本特性参数*"+$表$9"##$复合芯的基本特性参数*++,复合芯特性参!!数最小拉断强度A&D E"%@'密度A F,1/G"%$%%硬度A H D E#".B#%'电导率"#%I B#.I#J*+9线膨胀系数"#'>#A>G")K"'G)抗疲劳特性")C'&D E#A万次L"'''强度保持温度A>L%''$%:9"##$的铝锆合金绞线在高强度铝导体中添加微量的锆"M8#元素!可使*++,导线的外层绞线的额定持续运行温度达到#"'>!短时运行温度达到#?'>$同时!铝锆合金绞线还具有相当于"%.'N"C硬铝的特性和硬度$更重要的是!*++,铝锆合金绞线的特殊微结构工艺能够使其在额定持续的高温后其机械强度不丧失!即抵抗退火$与之对比!"%.'N"C 铝线在达到"''>以后快速地退火!其机械强度会大大降低$所以!*++,的铝锆合金导线在具有类似"%.'N"C硬铝线机械强度和应力应变特性的同时!而且是一种高耐热的合金导线!其基本特性参数如表#所示*"+$表!9"##$铝锆合金绞线的基本特性参数*++,铝锆合金绞线特性参!!数最小拉断强度A&D E")#断裂伸长率A I L#抗拉强度残存率"#@'>!"O#A I L C'密度A F,61G%#$(电导率"#'>#L)'IJ*+9额定运行温度A>#"'短时运行温度A>#?'!9 导线的应用特点!%$9线路输送容量升级改造*++,导线非常适用于受现有导线耐热性能限制而不能提高输送容量的架空线路$因为*++,具有较高的额定工作温度"L#"'>#及高温下低弧垂的特性$*++,可在杆塔档距保持不变的情况下!大幅提升输送能力"#B%倍原载流量#!并且导线的弧垂不增加!架空导线的净空距离不会减小$图#为导线弧垂G温度曲线比较$由图可见!当载流量增加!温度提升至"''>时!普通*+9,的弧垂已经超过设计限值!不能再保证最小安全净空距离!所以载流量已经到达极限$而同等截面的*++,(C.复合导线!由于其质量小于*+9,!所以在相同的张力下!其初始弧垂较小!随着载流量的增加和导线温度的升高!即使导线温升超过#"'>!其弧垂仍不会超过导线的设计弧垂限值!此时的输送容量已大大提升*#+$图#!*++,和*+9,的弧垂温度曲线因此!使用*++,复合导线进行输电线路的增容升级时!仅仅更换导线无需改变杆塔或输电通道$由于*++,导线在高线温的情况下仍能保证较小的弧垂!因而为现有的杆塔上选用大截面的*++,导线'减少杆塔负载'提高覆冰能力'减小新建杆塔高度等创造了条件!提供了相应的设计空间和裕度$图%为普通*+9,导线在"''>时和*++,复合导线在#''>时载流量的对比$由图可看出!*++,的载流量远大于同等截面的*+9,导线*%+$图%!*++,和*+9,的截面载流量曲线!%!9大跨越或需要改变净空高度的场合高压架空输电线路由于遇到河流'湖泊'山地或者人口密集区域时!往往需要加大输电杆塔之间的档距或者提高净空距离$提高档距或者净空高度的一般方法是提高杆塔的高度或使用强度更高的杆塔$这既费时又需要增加投资$因而在这种场合!使用*++,复合导线最为合适$因为*++,复合导线的质量较小且线膨胀率@)!电!力!设!备第@卷第"#期较低$图?显示了在大跨距场合降低弧垂的例子$在载流量都为"?''*时!*+9,的弧垂较大!已经超过了最小净空距离的限制-在相同的情况下!*++,的净空高度比*+9,导线约高#"1$图?!两种导线的净空距离比较!%:9重污染区和靠海区域*++,导线的芯材由陶瓷纤维和纯铝制成!外层的绞线是耐高温铝锆合金$无论是在潮湿的环境还是在弱酸性或盐雾的环境对它都不会产生腐蚀$而且由于芯材和导线是用属性基本相同的铝基材料制成!所以*++,导线即使长期工作在高温的情况下!复合芯和绞线间也不会出现不同金属间的电离现象$ *++,的电性能表现类似于纯铝导线!适合用在污染较大和重腐蚀性的环境下运行$为测试*++,导线抵抗污染及海边盐雾的性能! %&公司于#''#)#''.年与夏威夷电力公司"N P+Q#在夏威夷的瓦胡岛北岸合作完成了*++,导线的现场测试$夏威夷瓦胡岛北岸地区常年经受太平洋季风和重盐雾的侵袭!普通架空导线往往在短时间内就出现被严重腐蚀现象$%&与夏威夷电力公司在这个重腐蚀性环境中安装了.#%1*++,?((导线!在?)RS电网中经过#年半的实际运行!再取下进行检测!未发现任何腐蚀现象!因而顺利通过了实验$:9 导线的性能测试和现场试验:%$9"##$导线及配套金具的实验室性能测试%&与美国国家电力试验中心"T P P-,*+#以及美国橡树岭国家实验室等实验研究机构对*++,导线和金具进行了大量的研究和试验$到目前为止! *++,导线已获得了接近#''份的实验报告和研究数据$试验几乎涵盖了*++,导线及其金具在各种不同机械和电气条件下的性能测试和研究!包括拉断强度'应力应变特性'电阻'常温蠕变'高温蠕变'热膨胀系数'化学和环境稳定性'剪切试验'短路电流'微风振动'舞动'耐腐蚀'冲击强度和耐雷击等$同时! %&公司及其合作机构在高温耐热导线性能的实验研究也得到了业界的认可$表%是*++,导线在美国测试情况下的大致总结*?+$表&!&'"##$各种规格导线的试验情况试验项目?(((C."#(#.C)-U)(.-U((?"?)A%(#抗拉强度V V V V V V应力应变曲线V V V V V V室温蠕变V V V Q Q Q高温蠕变V Q Q Q Q Q冲击V V Q Q Q Q碾压V V Q Q Q Q扭转V V Q Q Q V热膨胀V V Q Q Q Q复合芯拉力V Q Q Q Q Q直流电阻V V V V V V故障电流V V Q V Q V雷击V V Q Q Q Q微风振动V V V V Q V弧垂V V V Q V V耐腐蚀Q V Q Q Q Q过滑轮V V V V Q V后续试验V V V V!!注(%V&表示导线性能完好-%Q&表示不适用此试验$通过长达.年的各种规格导线和金具的实验室性能测试和研究!为*++,导线在实际的应用和设计积累了大量的数据和经验!同时!也验证了*++,作为新一代复合材料导线的众多性能优势和应用特点$:%!9"##$导线及金具的现场试验%&与相应研究机构和电力公司在现场进行了长达?年的全面测试研究$为了这一系列测试!多家电力公司和美国国家电力实验室共同开发了C条线路!以提供进行不同场地'不同环境条件'不同项目的现场试验!其中包括位于田纳西的美国橡树岭国家实验室'西部电力管理局在亚利桑那的站点'亚利桑那盐水河项目'夏威夷电力公司'华盛顿的邦纳维尔电力管理局等$同时!*++,导线还顺利通过了在众多极端条件下进行的现场试验!如海水盐雾侵蚀'强风'覆冰'震动以及极冷'极热的环境$表?列出了*++,的现场试验地点和试验项目$经过多年的现场试验!证明了*++,导线的各种性能与设计值基本一致!验证了其实验室性能测试结果和长期运行的可靠性$国际电力杨韬等(新一代复合导线)))*++,的特点及其应用@(!表(!&'"##$的现场试验地点及测试项目项目名称电压A RS年份导线尺寸A W612/条件!测量项目!艾克塞尔能源公司"".#''"*++,?((冰!低温!弧垂!夏威夷电力公司?)#''#*++,?((腐蚀!目视和质量损失!西部电力管理局#%'#''#*++,(C.冰!低温!拉力和振动!橡树岭实验室X+#''#*++,?((!(C.!)(.-U!"#(#高温!拉力!弧垂!金具温度!电流!美国高压输电网"".#''?*++,.C'-U冰!低温!拉力!盐水河项目)C#''?*++,(C.高温!拉力!环境!电流!邦纳维尔电力管理局"".#''?*++,)(.-U高温!拉力!环境!电流!西部电力管理局#%'#''?*++,"#(#安装!拉力!环境!电流!圣地亚哥"".#''.*++,(C.高温!拉力!环境!电流!弧垂;9 技术经济性分析及在中国的应用展望;%$9"##$应用的技术经济性分析相对普通的*+9,钢芯铝绞线!*++,的成本较高$但采用它进行输送容量升级!仅仅替换原有导线!无需更换杆塔或新建通电走廊!不仅节省了建杆塔和新征土地的费用!还节省了施工时间$以美国艾克塞尔电力公司*++,输电工程为例! *++,导线的成本约为#?'万美元!加上放线工程费用!总计工程成本为#C'万美元$如果使用一般钢芯铝绞线进行同等输送容量升级的改造!虽然导线的费用仅为#.万美元左右!但加上新建杆塔费用'征地以及对环境破坏的补偿费用等!总成本则需%'@万美元$可见!使用*++,导线的工程总体成本要低于使用一般导线的工程成本!而且还大大节约了安装时间$;%!9"##$复合导线在中国的应用展望随着我国经济的快速发展和用电量急剧上升!增加输电线路的容量!解决电力传输的%瓶颈&问题已经迫在眉睫$而且土地资源紧张使增加架空线路走廊或新增杆塔受到了更大的制约$这种条件下!*++,复合导线能够提供简便'快速且不影响环境的输电线路增容解决方案!能获得较好的社会效益和经济效益!所以在输电市场!特别在线路增容方面!*++,导线具有较好的应用前景$<9结束语""#*++,是由%&公司开发的新一代复合架空输电导线!特点是高耐热'高强度'质量小'低膨胀$ "##*++,复合导线特别适用于线路输送容量升级'大跨越和污染较严重的场合!它可以在不新建杆塔的情况下大幅提升线路载流量$"%#*++,导线已经完成了全系列的性能试验和在美国的多个现场试验!并且开始成功应用于众多商业实际运行线路!积累了相应的试验和实际运行经验$ "?#与普通导线的输电增容工程相比!采用*+Y +,不仅能降低工程总成本!而且还能大大缩短建设时间!减小对环境的压力$所以!*++,在中国输配电行业中具有较好的应用前景$参考文献*"+!NPX P S P!,+Z*,W![9-Q S*Z Z$\2:/57:=723F4;*++,643Y 506748$+J H,P#'')$]#%"?$*#+!XP[Q N T9Q T$%&*++, <84^:3643506748;48O2F O6E<E627_0<Y F8E5:=$Q^:8O:E5-8E3=12==243E35X2=782`07243N E35`44R$#'')$ *%+!J P P P=7E35E85;486E/60/E723F7O:6088:377:1<:8E708:8:/E7243=O2< 4;]E8:4^:8O:E5643506748="J P P P97E35E85(%@"CC%#$*?+!%&*++,(C.R612/7:6O326E/347:`44R$收稿日期 #''('@#C作者简介杨韬""C(@#!男!高级工程师!从事*++,复合导线的研究工作-马庆强""C()#!男!高级工程师!从事*++,复合导线的应用设计与研究工作$责任编辑!王柏臣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。