葉鴻聲

（華東電力設(shè)計(jì)院，上海市，200063）

0 引言

目前，世界上許多國(guó)家的輸電線路上已廣泛使用鋁合金導(dǎo)線，它們主要是高強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線。我國(guó)的導(dǎo)線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)從1999標(biāo)準(zhǔn)至2008標(biāo)準(zhǔn)，列入的鋁合金導(dǎo)線有3種結(jié)構(gòu)形式：（1）全鋁合金絞線（all aluminum alloy conductor，AAAC），全部線股均由同質(zhì)的鋁合金線所構(gòu)成；（2）鋁合金芯鋁絞線（aluminum conductor alloy reinforced，ACAR），其線芯為鋁合金線，外層絞制電工圓鋁線；（3）鋼芯鋁合金絞 線（aluminum alloy conductor steel reinforced， AACSR），其線芯為高強(qiáng)度鋼線，外層絞制鋁合金線。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研制和開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度AAAC。在20世紀(jì)90年代引進(jìn)世界先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)，高強(qiáng)度AAAC產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，已經(jīng)在220 kV和±500 kV天廣線輸電線路局部地段采用了高強(qiáng)度AAAC。國(guó)內(nèi)已有武漢線纜廠、杭州線纜廠、上海中天鋁線有限公司等能生產(chǎn)制造該型導(dǎo)線，并已出口東南亞、印度、巴基斯坦、孟加拉國(guó)等。高強(qiáng)度全鋁合金鉸線AAAC-400～AAAC-720配套金具（耐張線夾、接續(xù)管、補(bǔ)償管等）已由上海寶翔機(jī)械有限公司研制成功，并于2002年10月通過(guò)專家評(píng)審，可生產(chǎn)供貨。

1 中強(qiáng)度全鋁合金線特性

我國(guó)導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1179—2008《圓線同心絞架空導(dǎo)線》中的2種鋁合金線種LHA1和LHA2為高強(qiáng)鋁合金，導(dǎo)電率分別為52.5%IACS和53%IACS，與鋼芯鋁絞線（aluminum conductor steel reinforced，ACSR）采用的硬鋁線LY9的導(dǎo)電率61%IACS相比，在相同導(dǎo)線截面時(shí)，其直流電阻要增大15%左右；在通過(guò)相同電流時(shí)，其電阻損耗也相應(yīng)增大15%左右。

世界上很多國(guó)家，如日本、法國(guó)、澳大利亞等都開(kāi)發(fā)使用一種中強(qiáng)度全鋁合金鉸線AAAC，其多半為非熱處理型鋁合金，主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，成本低，導(dǎo)電率較好（58.5%～59%IACS），抗拉強(qiáng)度為240～255 MPa，延伸率為1.5%～3%。各國(guó)的中強(qiáng)度AAAC品種和牌號(hào)也較多，其與硬鋁線主要性能比較如表1所示。

日本住友公司開(kāi)發(fā)的鋁合金導(dǎo)線系列產(chǎn)品如圖1所示。其中型號(hào)SI-26導(dǎo)線即為中強(qiáng)度AAAC，其導(dǎo)電率為58.5%IACS，最小抗拉強(qiáng)度為260 MPa，延伸率為3%，運(yùn)行溫度為90℃。

表1 中強(qiáng)度鋁合金線與硬鋁線主要性能比較Tab.1 Main properties of moderate-strengthAAAC andACAR

2 中強(qiáng)度鋁合金線參數(shù)計(jì)算

2.1 交流電阻計(jì)算

提高交流架空輸電線路的輸送容量和降低電阻損耗都與導(dǎo)線的交流電阻有關(guān)。中強(qiáng)度AAAC與ACSR的交流電阻的差異是值得關(guān)心的問(wèn)題。

導(dǎo)線20℃時(shí)的直流電阻R20可按式（1）計(jì)算：

式中：ρ20為導(dǎo)電金屬線在20℃時(shí)的電阻率，Ω·mm2；λam為平均絞入系數(shù)，組合絞線假設(shè)鋼芯不負(fù)載電流，采用導(dǎo)電金屬線的平均絞入系數(shù)；A為導(dǎo)電金屬線總截面面積，mm2。

中強(qiáng)度AAAC 20℃時(shí)的電阻率雖然比ACSR的硬鋁單絲電阻率要大（中強(qiáng)鋁合金導(dǎo)電率為58.5% IACS，硬鋁線為61%IACS），因?yàn)闆](méi)有鋼芯，中強(qiáng)度AAAC的導(dǎo)電金屬總截面較相同直徑的ACSR大，所以二者整根導(dǎo)線的20℃直流電阻是相差不大的。

由于鋁線在空氣中氧化而形成具有絕緣性的氧化鋁膜，所以AAAC及ACSR通電載流后，電流是沿鋁股線做螺旋形方向流動(dòng)的，因而形成軸向磁場(chǎng)。雖然導(dǎo)線中相鄰層鋁線的絞向相反，可使一部分磁化力抵消，但仍足以構(gòu)成交變的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度，使鋼芯中產(chǎn)生磁滯和渦流，導(dǎo)致功率損耗。同時(shí)由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，使導(dǎo)線中電流分布發(fā)生變化，導(dǎo)致導(dǎo)線的電阻增大，即產(chǎn)生交流電阻。

由鋼芯中的磁滯和渦流引起的功率損耗稱鐵損，它引起的電阻增大效應(yīng)稱鐵損效應(yīng)。對(duì)架空輸電線路，當(dāng)導(dǎo)線間距大于5倍外徑時(shí)，鄰近效應(yīng)影響甚小，可忽略不計(jì)，而集膚效應(yīng)引起的電阻增大是需要考慮的。

交流電阻Ra為渦流及磁滯引起的電阻增量ΔR1和由集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)引起的電阻增量ΔR2與直流電阻Rd的總和，其與直流電阻之比，稱為交直流電阻比，即

日本電線與電纜制作者協(xié)會(huì)頒發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)JCS 0374：2003《裸線載流量計(jì)算方法》。對(duì)應(yīng)于使用溫度t時(shí)的直流電阻RDC為20℃時(shí)的直流電阻通過(guò)式（3）求得，單位為Ω/km。

而交流電阻為

在交流的情況下，式（4）中的K為考慮式（5）所示的K1和K2所形成的交直流電阻比。

K1和K2的具體計(jì)算公式、電線的構(gòu)造如表2所示。

不同導(dǎo)線的20℃直流電阻R20、40℃直流電阻R40、磁滯渦流效應(yīng)系數(shù)K1、集膚效應(yīng)系數(shù)K2、交直流電阻比K=K1·K2、40℃交流電阻R40N計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）全鋁合金絞線由于沒(méi)有鋼芯就沒(méi)有磁滯渦流損耗，但其集膚效應(yīng)比鋼芯鋁絞線要大。

（2）對(duì)鋁鋼截面比小的導(dǎo)線（即鋼截面比例大的導(dǎo)線）用全鋁合金線替代后交流電阻降低的要大一些，而對(duì)鋁鋼截面比大的導(dǎo)線，交流電阻降低的要小些。

2.2 平均運(yùn)行應(yīng)力、鋁（鋁合金）線的應(yīng)力和Tcp/W

輸電線路設(shè)計(jì)人員希望盡可能地提高導(dǎo)線的最大設(shè)計(jì)應(yīng)力，以降低工程造價(jià)。然而，輸電線路不可避免要發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)，嚴(yán)重的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線的疲勞斷股或斷線，且隨著導(dǎo)線應(yīng)力的提高而使振動(dòng)斷股發(fā)生的可能性隨之增大。故在導(dǎo)線上必須采取防振措施來(lái)抑制微風(fēng)振動(dòng)強(qiáng)度，但防振措施應(yīng)結(jié)合導(dǎo)線的應(yīng)力進(jìn)行綜合考慮。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）第6工作組，于1960年提出導(dǎo)線平均運(yùn)行應(yīng)力EDS（every day stress）的概念，規(guī)定了在采取有效防振措施后，可允許使用的導(dǎo)線最大應(yīng)力值，即EDS上限值，以及不采取防振措施（無(wú)保護(hù)）時(shí)的導(dǎo)線應(yīng)力值，即EDS下限值。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)鋼芯鋁絞線ACSR的EDS上限值規(guī)定為25%，按此設(shè)計(jì)的大量輸電線路運(yùn)行情況良好。EDS是指年平均氣溫及無(wú)外荷載條件下的導(dǎo)線水平應(yīng)力，習(xí)慣上將此時(shí)導(dǎo)線張力值以導(dǎo)線極限抗拉強(qiáng)度UTS（ultimate tensile strength）的百分?jǐn)?shù)表示。

表2 不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的交直流電阻比計(jì)算公式Tab.2 Calculation formula of DC andAC resistance ratio of different conductors

導(dǎo)線平均運(yùn)行應(yīng)力EDS是指導(dǎo)線在平均氣溫狀態(tài)下的綜合應(yīng)力，而對(duì)應(yīng)的鋁股或鋁合金股的應(yīng)力值及如何評(píng)價(jià)是令人關(guān)注的。一般而言，選擇導(dǎo)線平均運(yùn)行應(yīng)力時(shí)，應(yīng)按不同的導(dǎo)線材料的應(yīng)力分配，使鋁股或鋁合金股的應(yīng)力不大于它們各自的疲勞極限。

導(dǎo)線材料的疲勞極限可通過(guò)在旋轉(zhuǎn)反復(fù)彎曲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)獲得，各種試驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)不盡相同，但差別不大。硬鋁線的疲勞極限為59.8～68.6 MPa，現(xiàn)取為63.7 MPa，對(duì)中強(qiáng)鋁合金，日本住友公司的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為88.2 MPa。

ACSR和AAAC的疲勞強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上是由外層鋁線（或鋁合金線）的疲勞特性所決定，并與鋁（鋁合金）線承受的靜態(tài)應(yīng)力有關(guān)。

組合導(dǎo)線中各層單絲之間受力分配的精確計(jì)算是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，因?yàn)樗粌H與各層的絞入系數(shù)λi有關(guān)，還和材料蠕變單絲間的擠壓和切力等有關(guān)。根據(jù)對(duì)各種公式的計(jì)算比較，認(rèn)為用節(jié)矩法計(jì)算外層鋁（或鋁合金）的應(yīng)力較合適。按以下公式對(duì)各層單絲分配到的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

式中：Pi為絞線中第i層的節(jié)距比；Di為絞線中第i層的外徑；di為絞線中第i層的單絲直徑；E0、Ea、Es分別為絞線、鋁線和鋼線的彈性模數(shù)；K為鋁鋼比；σ為絞線綜合應(yīng)力；σai為絞線中第i層鋁絲分配到的應(yīng)力；cosαi=1/λi；λi為第i層的絞入系數(shù)。

表3 不同導(dǎo)線交流電阻計(jì)算結(jié)果Tab.3 CalculatedAC resistance of different conductors

自1962年CIGRE提出EDS概念后，多年來(lái)當(dāng)采用新導(dǎo)線的線路在新的地區(qū)運(yùn)行后，在這些線路上發(fā)生導(dǎo)線疲勞損害，有些并不能用EDS充分揭示。1962年以來(lái)的研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，EDS并不能完全解釋發(fā)生的現(xiàn)象，從而提出以Tcp/W比值來(lái)反映振動(dòng)與導(dǎo)線張力的關(guān)系，比以UTS的百分比值更為恰當(dāng)（Tcp為最低氣溫月平均氣溫時(shí)的導(dǎo)線張力，W為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度質(zhì)量）。國(guó)外資料表明，在檔距不超過(guò)500 m的平坦地區(qū)，單導(dǎo)線的Tcp/W取值為：無(wú)護(hù)線條，1 690 m；有護(hù)線條，1 750 m；檔中1個(gè)防振錘，1 950～2 050 m；檔中2個(gè)防振錘，2 150～2 250 m。

不同導(dǎo)線的機(jī)械特性如表4所示。由表4看出，在平均運(yùn)行應(yīng)力作用下：

（1）ACSR外層鋁線的應(yīng)力的安全系數(shù)為2.91～3.27，而中強(qiáng)度AAAC外層的鋁合金線的應(yīng)力的安全系數(shù)為3.88～3.89；

（2）外層鋁（鋁合金）線的應(yīng)力占其疲勞極限的百分?jǐn)?shù)，ACSR為76.8%～86.3%，而中強(qiáng)度AAAC為70%～71.5%。顯然中強(qiáng)度AAAC的耐振性能較ACSR要好些。

3 應(yīng)用舉例

3.1 原始條件

以500 kV某線路為例，正常輸送容量1 150 MW。cosφ=0.95時(shí)，四分裂導(dǎo)線每根子導(dǎo)線正常輸送電流350 A。氣象條件：最大風(fēng)速28.6 m/s（10 m高時(shí)）；最大覆冰10 mm。

3.2 導(dǎo)線參數(shù)

我國(guó)目前能生產(chǎn)的3種鋁合金絲（運(yùn)行溫度90℃）性能如表5所示。全鋁合金導(dǎo)線參數(shù)如表6所示。

其中，LGJ-400/35、LHA1-400、LHA2-400三種導(dǎo)線為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1179—1999《圓線同心絞架空導(dǎo)線》中現(xiàn)有的導(dǎo)線。中強(qiáng)度AAAC線LHA3-400（即SI-26導(dǎo)線）在國(guó)外已大量應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)最近也已經(jīng)研發(fā)成功。

表5 鋁合金單絲性能Tab.5 Properties of singleAAAC wire

表6 全鋁合金導(dǎo)線參數(shù)Tab.6 Parameters ofAAAC

3.3 機(jī)械特性比較

表4 不同導(dǎo)線的機(jī)械特性Tab.4 Mechanical properties of different conductors

各導(dǎo)線的機(jī)械特性如表7所示。表中UTS為 0.95×計(jì)算拉斷力。

表7 不同全鋁合金導(dǎo)線的機(jī)械特性Tab.7 Mechanical properties of differentAAAC

JLHA1-400和JLHA2-400的使用拉力較大，因而弧垂大大小于LGJ-400/35和JLHA3-400，覆冰過(guò)載能力也強(qiáng)于LGJ-400/35和JLHA3-400。JLHA3-400與LGJ-400/35相比，弧垂略小，覆冰過(guò)載能力相差不大。

水平荷重方面，由于JLHA3-400與LGJ-400/35線徑基本相同，因而水平荷重也基本相同，JLHA1-400和JLHA2-400則線徑略大，水平荷重比LGJ-400/35分別大4.4%、4.0%。垂直荷重方面，由于JLHA3-400具有最小的單位長(zhǎng)度重量，因此其垂直荷重也最小，比LGJ-400/35小8.3%，JLHA1-400和JLHA2-400的垂直荷重比 LGJ-400/35小 2.6%和 3.2%。也由于JLHA1-400和JLHA2-400的使用拉力較大，它們的縱向張力也大大高于LGJ-400/35和JLHA3-400。

3.4 能損比較

各種導(dǎo)線的能損比較如表8所示。

3.5 經(jīng)濟(jì)比較

工程主要材料價(jià)格參照近期招標(biāo)價(jià)，LGJ-400/ 35取費(fèi)價(jià)16 800元/t。各種導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性比較如表9所示。

結(jié)合能損比較來(lái)看，3種AAAC的總價(jià)比較接近，其中JLHA3-400總價(jià)最低，并且電能損耗最小。LGJ-400/35價(jià)格比全鋁合金導(dǎo)線低20%，但每年線路損耗比JLHA3-400大7.63萬(wàn)kW·h。2008年華北地區(qū)上網(wǎng)電價(jià)為0.363 94元/（kW·h），銷售電價(jià)為0.487 60元/（kW·h）。以上網(wǎng)電價(jià)計(jì)，2.26年損耗與差價(jià)抵銷；以銷售電價(jià)計(jì)，1.69年損耗與差價(jià)抵銷。

表8 不同全鋁合金導(dǎo)線的能損Tab.8 Energy loss of differentAAAC

表9 不同全鋁合金導(dǎo)線的價(jià)格Tab.9 Prices of differentAAAC

4 中強(qiáng)度全鋁合金絞線優(yōu)點(diǎn)

在超、特高壓輸電線路上采用中強(qiáng)度AAAC較目前普遍采用的ACSR有如下優(yōu)點(diǎn)。

4.1 加工制造方面

中強(qiáng)度AAAC線為非熱處理的鋁合金線，所以生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，成本低，效率高。

4.2 設(shè)計(jì)方面

（1）弧垂特性好。AAAC的總拉斷力與其單位重量之比為9.4 km，而常用ACSR為7～8 km，因而弧垂特性好，可降低線路建設(shè)投資。

（2）延伸率大。按標(biāo)準(zhǔn)值（2%～3%）為鋁線的2倍，因而AAAC線具有優(yōu)良的過(guò)載能力及疲勞特性。

（3）高溫特性好。加拿大Alcan公司介紹，在80℃持續(xù)運(yùn)行不產(chǎn)生強(qiáng)度損失，在更高溫度下運(yùn)行，強(qiáng)度損失也少，而且高溫運(yùn)行起到人工時(shí)效作用，提高電導(dǎo)率2%～5%。

（4）荷載方面，與相同直徑的ACSR相比，水平荷載、縱向強(qiáng)力相當(dāng)，垂直荷載減少10%。

（5）與相同直徑的ACSR相比，在外部條件相同時(shí)（分裂數(shù)、分裂間距、對(duì)地距離、相間距離等），其地面電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、無(wú)線電干擾、可聽(tīng)噪聲等也相同。

4.3 施工方面

（1）接續(xù)金具簡(jiǎn)單。AAAC由同種材料絞成，故僅需1個(gè)接續(xù)管，施工方便。其屈服強(qiáng)度約為鋁線的1.5倍，壓縮型接續(xù)不易產(chǎn)生導(dǎo)線鼓包或燈籠現(xiàn)象。對(duì)耐強(qiáng)跳線可減少壓接工作量，提高效率。

（2）表面耐損傷。鋁合金線的硬度（布氏硬度為85HB）為鋁線的2倍，但重量比ACSR輕，施工放線時(shí)可減少導(dǎo)線表面擦傷，提高施工質(zhì)量。而且可減少運(yùn)行時(shí)電暈損失及無(wú)線電干擾水平。

4.4 運(yùn)行方面

（1）電能損失少。雖然總強(qiáng)度鋁合金絲的直流電阻率比硬鋁線約高4.3%，但由于同直徑時(shí)，AAAC的導(dǎo)電截面積較ACSR大，所以20℃直流電阻要稍低于ACSR。而ACSR鋼芯要產(chǎn)生磁滯損失和渦流損失，而AAAC無(wú)鋼芯，故交流電阻要比ACSR低，故電能損失減少，特別是大容量輸電時(shí)降耗明顯。

（2）耐腐蝕。對(duì)大氣腐蝕具有天然抵抗能力，而且又避免了鋁線與鍍鋅鋼線之間的電化腐蝕，導(dǎo)線運(yùn)行壽命長(zhǎng)。

（3）AAAC的外層鋁合金絲的受力較ACSR外層鋁絲的受力相對(duì)值要小，耐受振動(dòng)的性能要好。

4.4 小結(jié)

中強(qiáng)度AAAC在超、特高壓輸電線路中值得推薦，而且在我國(guó)已有廠家制造出成品，通過(guò)了型式試驗(yàn)。

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