新型導(dǎo)線助力架空線提升輸電能力

• 陳博 2023年11月6日 來源：中研網(wǎng) 1033 65
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承力芯部分，可以采用高強(qiáng)度的鋁合金芯（52%-55%IACS）取代鋼芯，形成鋁合金芯鋁絞線，以獲得更高的導(dǎo)電率，同時也擁有了優(yōu)秀的抗拉強(qiáng)度。高強(qiáng)度的鋁合金主要是鋁鎂硅系鋁合金，部分品種可再加入一些鐵、銅、銻、鈮等元素，獲得一些蠕變性能和耐腐蝕性能。由于鋁合金5

電線電纜行業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)第二大的配套產(chǎn)業(yè)，僅次于汽車產(chǎn)業(yè)，年市場規(guī)模超萬億，按產(chǎn)品可分為電力線纜、電氣裝備用線纜、通信線纜以及繞組線等。電力線纜包括0.4kV及以上用于輸電的線纜，本報告主要針對10kV及以上的電力線纜行業(yè)進(jìn)行討論。

10kV及以上的電力線纜主要用于發(fā)輸配領(lǐng)域以及一部分大型工商業(yè)用戶，受到電力"現(xiàn)代流通網(wǎng)絡(luò)"以及新型電力系統(tǒng)建設(shè)的需要，未來有望加速發(fā)展。從技術(shù)形態(tài)上看，目前電力線纜主要以架空、電纜、GIL(氣體絕緣輸電線路)的形式存在。

三種技術(shù)方案各有各的優(yōu)點，架空優(yōu)點主要是便宜、缺點主要是占地;電纜優(yōu)點主要是不占地，缺點是故障點難以發(fā)現(xiàn)，絕緣易老化;GIL優(yōu)點主要是性能接近架空線，且不占地，缺點主要是貴。

預(yù)計三種輸電方案將繼續(xù)作為建設(shè)電力網(wǎng)絡(luò)的主要方案，支撐更大規(guī)模的電網(wǎng)建設(shè)。同時，技術(shù)、政策的演變使電力線纜行業(yè)出現(xiàn)了一些新的變化，帶來投資機(jī)會。

架空線路主要由桿塔基礎(chǔ)，桿塔，導(dǎo)線，金具，絕緣子，避雷線，和接地裝置等組件構(gòu)成，其中導(dǎo)線用于傳輸電能，是架空線承載電力能量的核心載體。絕緣子串用于連接導(dǎo)線和桿塔，是架空線核心的絕緣材料。

由于架空輸電方案主要依靠空氣絕緣，因此成本低、占地大，容量大，是遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的高電壓等級輸電的主流方案。750kV及以上特高壓長距離輸電項目中，幾乎只會采用架空輸電方案。

另外根據(jù)電力系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程，一般按5-10年的遠(yuǎn)景發(fā)展水平進(jìn)行容量規(guī)劃。隨著新型電力系統(tǒng)的加快建設(shè)，能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整、電能替代的深入推進(jìn)，我們預(yù)計系統(tǒng)整體輸送容量需求或加速上升。因此架空線需要向大容量化發(fā)展，新建項目可以更多地采用節(jié)能導(dǎo)線、已建項目可以進(jìn)行增容改造。

傳統(tǒng)導(dǎo)線為鋼芯鋁絞線，導(dǎo)電部分主要為硬鋁絞線，導(dǎo)電率達(dá)61%IACS(標(biāo)準(zhǔn)退火銅導(dǎo)電率)，承力部分主要為鋼芯，導(dǎo)電率僅9%IACS。為了提升導(dǎo)線的整體導(dǎo)電率、降低損耗、實現(xiàn)節(jié)能，通常的思路就是提升外層鋁絞線部分的導(dǎo)電率或者使用更高導(dǎo)電率的承力芯，或者兩者結(jié)合。

照此想法，外層絞線部分，可以采用高導(dǎo)電率硬鋁合金(61.5%-63%IACS)或軟鋁(63%IACS)。研究表明，通過合理控制合金元素的種類、含量及配比，采用合理的加工手段及熱處理工藝，可以使得合金的細(xì)晶強(qiáng)化、加工硬化以及凈化晶界的效果顯著，從而得到導(dǎo)電率有較大程度提高的硬鋁合金。如果采用軟鋁，不僅能夠獲得更高的材料導(dǎo)電率，還可以加工成T型或者SZ型的型線取代圓線，從而獲得更大的導(dǎo)電截面，進(jìn)一步降低電阻。但由于軟鋁抗拉強(qiáng)度低，因此需要采用更強(qiáng)的承力芯，如特/高強(qiáng)度鋼芯、殷鋼芯或碳纖維復(fù)合芯等。最后可制造出多種芯的高導(dǎo)電率鋁絞線和軟鋁型線。

承力芯部分，可以采用高強(qiáng)度的鋁合金芯(52%-55%IACS)取代鋼芯，形成鋁合金芯鋁絞線，以獲得更高的導(dǎo)電率，同時也擁有了優(yōu)秀的抗拉強(qiáng)度。高強(qiáng)度的鋁合金主要是鋁鎂硅系鋁合金，部分品種可再加入一些鐵、銅、銻、鈮等元素，獲得一些蠕變性能和耐腐蝕性能。由于鋁合金優(yōu)異的性能，如果采用全鋁合金的絞線，還可以消除磁滯損耗和渦流損耗，進(jìn)一步提升節(jié)能效果，比如，目前已經(jīng)應(yīng)用在部分項目中的中強(qiáng)度全鋁合金絞線(58.5%-59%IACS)等。

由于軟鋁還擁有優(yōu)秀的耐高溫性能，因此它更加適合用于增容項目，而不是新建項目，畢竟新建項目可以靠增大截面來提升容量。因此，新建項目主要采用高導(dǎo)電率鋁系的、鋁合金芯系的、或全鋁合金系的節(jié)能型導(dǎo)線。

增容導(dǎo)線適用于已建項目，性價比極高。在已建線路增容改造方面理論上主要有兩種方法：

1)更換導(dǎo)線為更大截面的架空導(dǎo)線。例如，把原本的240/30導(dǎo)線截面增大至400/35及以上。但是，因為增大截面會大幅增加架空導(dǎo)線的總重量，導(dǎo)致鐵塔無法承受，因此需要換塔重建。此方法投資高、改造施工周期長、停電時間長、約等于新建需要規(guī)劃審批同意，同時，我國架空線目前大多只建設(shè)了5-20年，鐵塔部分尚未達(dá)到30-50年的設(shè)計壽命，綜合性價比非常低。

2)僅將導(dǎo)線替換為增容導(dǎo)線。增容導(dǎo)線在不增加過多導(dǎo)線總重量的同時達(dá)成增容效果，具有無需換塔、無需規(guī)劃審批(僅辦理施工許可)、總投資少、工期短、停電時間短的優(yōu)勢，通?？蓪崿F(xiàn)30%-150%容量提升，一般已經(jīng)可以滿足中期發(fā)展的容量需求，是極具性價比的選擇。

由于鋼、鋁為基礎(chǔ)材料的導(dǎo)線密度差別不大，如果要求重量不顯著增加，則體積不能顯著增加，因此導(dǎo)線截面也無法顯著增加。又因為各種導(dǎo)線的導(dǎo)電率實際相差不大(53%-63%IACS)，因此當(dāng)要求容量倍增時，導(dǎo)線的運行溫度會上升很多，耐高溫能力是增容導(dǎo)線的重要考慮因素，另外還需考慮機(jī)械特性等因素。

鋼的軟化溫度很高，一般不會有什么問題。但由于傳統(tǒng)硬鋁材料軟化溫度低，一般運行溫度不大于80度，因此無法滿足增容后正常運行溫度在100-150度的要求。對此，技術(shù)上有兩種思路可以提升導(dǎo)線耐高溫能力：一種是采用基于各種特高強(qiáng)度芯的軟鋁型線，軟鋁有更高的軟化溫度，因此它是可以耐高溫的;另一種是采用添加了稀土元素鋯、釔等的鋁合金，形成耐熱鋁合金系列導(dǎo)線，用來增容。再經(jīng)過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計和選型，便可實現(xiàn)只換導(dǎo)線達(dá)到增容效果。

碳纖維復(fù)合芯具有重量輕、抗拉強(qiáng)度大、載流量大、耐高溫等多種優(yōu)點，與軟鋁型線結(jié)合在一起構(gòu)成的碳纖維復(fù)合芯軟鋁型線，是未來導(dǎo)線的重要發(fā)展方向。但目前，也存在缺陷難檢測、施工易斷線、彎曲性能受限等缺點。根據(jù)南網(wǎng)電科院的研究成果，絞合型的碳纖維復(fù)合芯具有更好的柔軟性、徑向耐壓性和穩(wěn)定性、導(dǎo)線施工和金具安裝也更加簡單等優(yōu)點，目前已于海南220kV福豐I線的增容改造項目中試運行。

綜上所示，以高導(dǎo)電率鋁、鋁合金芯或全鋁合金為代表的節(jié)能導(dǎo)線，和以耐熱鋁合金、軟鋁型線以及碳纖維復(fù)合芯類為代表的增容導(dǎo)線是未來新型導(dǎo)線的重要發(fā)展方向，可以有效提升架空線路的輸電能力。

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