羅棟梁，龍曉慧

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100032）

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電線路工程是貫徹國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略，優(yōu)化資源配置，促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，促進(jìn)“西電東送、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”總體格局的一大舉措。充分利用西北地區(qū)水電閑置容量，提高西北電網(wǎng)水電的利用率，特別是充分利用西部（寧東）地區(qū)豐富資源，轉(zhuǎn)變一次能源優(yōu)勢(shì)，向山東負(fù)荷中心送電，對(duì)滿足山東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力的需求，調(diào)整我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，減輕一次能源運(yùn)輸壓力，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面具有十分重要的意義。

山東換流站接地極線路是寧東—山東±660 kV直流輸電線路的一部分，主要任務(wù)是將山東青島換流變電站的入地電流引至接地極，通過(guò)接地極將電流泄入大地。

1 耐熱導(dǎo)線簡(jiǎn)介

1.1 耐熱導(dǎo)線的發(fā)展

眾所周知，銅、鋁等金屬導(dǎo)體材料通電以后，其機(jī)械性能將隨著自身溫度的提高而降低，因而大大影響了輸電能力。

1949年，美國(guó)通過(guò)研究首先發(fā)現(xiàn)了在鋁材中適當(dāng)添加金屬鋯元素能提高鋁材的耐熱性能。該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)受到國(guó)際相關(guān)專業(yè)人士的關(guān)注和重視，而日本在開發(fā)和研究耐熱導(dǎo)線方面則取得了較大進(jìn)展，開發(fā)出鋁中添加約0.1%鋯元素的耐熱鋁合金導(dǎo)線，并于20世紀(jì)60年代初開始在輸電線路中實(shí)際應(yīng)用[1]。

我國(guó)應(yīng)用耐熱鋁合金導(dǎo)線已有30多年的歷史。1986年首先在安徽繁昌500 kV變電站采用國(guó)產(chǎn)1 440 mm2鋼芯58%導(dǎo)電率耐熱鋁合金絞線（NRLH58GJ）作為母線，之后又在江蘇徐州、上海、浙江瓶窯等地大量采用了國(guó)產(chǎn)耐熱鋁合金導(dǎo)線。從1995年到2010年，有數(shù)萬(wàn)噸國(guó)產(chǎn)耐熱鋁合金導(dǎo)線用于各類線路改造工程，不僅節(jié)約了工程投資，而且提高了輸電容量（40%～60%），產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。目前，各大電纜廠商已具備大量生產(chǎn)導(dǎo)電率為60%的耐熱鋁合金導(dǎo)線的能力，并在國(guó)內(nèi)外電力建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[2-5]。

1.2 耐熱導(dǎo)線的特性

由于耐熱鋁合金導(dǎo)線是在普通鋁合金導(dǎo)線中添加鋯、釔等元素，提高了鋁的再結(jié)晶溫度、蠕動(dòng)強(qiáng)度及耐熱性能，其長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)150℃（國(guó)產(chǎn)導(dǎo)線為110℃），短期工作溫度可達(dá)到230℃（國(guó)產(chǎn)導(dǎo)線為150℃），而普通鋁導(dǎo)線的工作溫度僅為70℃，短期工作溫度為90℃。耐熱鋁合金導(dǎo)線的載流量較相同規(guī)格的鋁線提高40%～50%，抗拉強(qiáng)度超過(guò)180 MPa。試驗(yàn)表明：耐熱鋁合金線和普通硬鋁線的蠕變特性相同，60%導(dǎo)電率的耐熱鋁合金線與普通硬鋁線的導(dǎo)電率基本相同，絞合后的鋼芯60%導(dǎo)電率耐熱鋁合金線和普通鋼芯鋁絞線的機(jī)械性能也基本相同，其連續(xù)容許載流量大約為普通鋼芯鋁絞線的1.6倍。

常溫下，耐熱鋁合金單線（φ3.22 mm）與電工硬鋁線相比，除導(dǎo)電率略低之外，其它性能大致相同。耐熱鋁合金導(dǎo)線的彈性系數(shù)較硬鋁線大，即在同一荷重下耐熱鋁合金導(dǎo)線的伸長(zhǎng)率較小。

高溫時(shí),耐熱鋁合金導(dǎo)線的強(qiáng)度性能比硬鋁線要好得多，圖1為從常溫到300℃范圍內(nèi)硬鋁線和耐熱鋁合金導(dǎo)線在各溫度點(diǎn)加熱1 h后得到的強(qiáng)度殘存率的等時(shí)軟化特性。

從圖1中可看出：耐熱鋁合金導(dǎo)線的強(qiáng)度殘存率比硬鋁線高，說(shuō)明耐熱性有所提高[6-8]。

圖1 導(dǎo)線等時(shí)軟化特性

2 耐熱導(dǎo)線在±660 kV直流工程接地極線路中的應(yīng)用

2.1 特性分析及經(jīng)濟(jì)比較

山東換流站接地極線路起于青島換流站，止于諸城接地極，線路途徑青島膠州、濰坊高密、濰坊諸城3個(gè)市縣，線路全長(zhǎng)46.879 km。接地極線路的額定輸送電流為3 000 A，最大持續(xù)電流為3 300 A（持續(xù)時(shí)間2 h），雙極運(yùn)行時(shí)不平衡電流為30 A，最大短時(shí)電流為4 500 A（3 s）。接地極線路的電壓約3 kV。

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)理念，接地極線路一般采用鋼芯鋁絞線。為選擇最合理的導(dǎo)線方案，最大限度地減少投資，本線路初步設(shè)計(jì)了如表1所示的5種導(dǎo)線方案比選。

表1 導(dǎo)線方案載流量對(duì)比

由表1可知，耐熱鋁合金導(dǎo)線2×JNRLH60-630/55、 鋼芯鋁絞線 4×LGJ-630/45 和 5×LGJ-500/45滿足最大持續(xù)電流3 300 A的要求。

通過(guò)對(duì) 2×JNRLH60-630/55 和 4×LGJ-630/45導(dǎo)線方案的詳細(xì)分析、對(duì)比、論證、調(diào)研，其技術(shù)參數(shù)和主要材料指標(biāo)對(duì)比見表2、表3。5×LGJ-500/45導(dǎo)線方案由于導(dǎo)線根數(shù)為奇數(shù)，不論如何布置均不能達(dá)到受力平衡，因此桿塔結(jié)構(gòu)尺寸需加大，導(dǎo)線配套金具研制困難，方案不合理。

JNRLH60-630/55型耐熱導(dǎo)線與LGJ-630/45型常規(guī)導(dǎo)線的外徑、拉斷力、重量、彈性系數(shù)及線脹系數(shù)等參數(shù)相差無(wú)幾，但由于2×JNRLH60-630/55導(dǎo)線方案少2根導(dǎo)線，故水平荷重、垂直荷重、張力均較4×LGJ-630/45減少50%，桿塔負(fù)荷明顯減小，塔重大大降低。

2×JNRLH60-630/55導(dǎo)線方案運(yùn)行溫度較高，弧垂比4×LGJ-630/45大2.63 m，故桿塔規(guī)劃的檔距相對(duì)較小，定位時(shí)線路平均塔高增加。

表2 兩種導(dǎo)線方案的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

表3 兩種導(dǎo)線設(shè)計(jì)方案的主要材料指標(biāo)對(duì)比

由表3可知，2×JNRLH60-630/55導(dǎo)線方案的主要工程材料較4×LGJ-630/45有明顯減少，其中塔材減少10.6%，混凝土減少7.5%，導(dǎo)線減少50.0%，從而大大降低了工程造價(jià)。此外，2×JNRLH60-630/55導(dǎo)線方案的走廊寬度較4×LGJ-630/45減小1.2 m。

耐熱導(dǎo)線應(yīng)用于增容工程中的不利因素是線損加大，但在接地極線路工程中線損不是問(wèn)題，因?yàn)榻拥貥O線路的作用是將換流站的入地電流引至接地極，通過(guò)接地極將電流泄入大地，線路損耗不影響泄流效果。

綜上所述，接地極線路采用2×JNRLH60-630/55導(dǎo)線方案的優(yōu)勢(shì)十分明顯（以兩組形式懸掛在桿塔兩側(cè)），得到了工程評(píng)審專家的一致肯定。

2.2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）耐熱導(dǎo)線運(yùn)行溫度的確定。國(guó)內(nèi)電線電纜廠家生產(chǎn)了眾多特性不同的耐熱導(dǎo)線，運(yùn)行溫度高低不一，從90℃到150℃甚至更高，因而急待出臺(tái)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)。

（2）開發(fā)生產(chǎn)適用于耐熱導(dǎo)線的耐張線夾、補(bǔ)修管、壓接管、間隔棒和防振錘等金具。目前，國(guó)內(nèi)雖然已有金具廠家開發(fā)試制出此類耐熱產(chǎn)品，但未能形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)金具。

（3）與換流站或接地極普通設(shè)備連接過(guò)渡的金具設(shè)計(jì)。耐熱導(dǎo)線輸送容量大于同等截面的鋁包鋼芯鋁絞線，而變電站引線只能采用鋁包鋼芯鋁絞線，因此要根據(jù)耐熱導(dǎo)線的容量選擇相匹配的單根大截面鋁包鋼芯鋁絞線或者雙分裂鋁包鋼芯鋁絞線，同時(shí)應(yīng)根據(jù)連接形式選用過(guò)渡線夾。

3 結(jié)語(yǔ)

寧東—山東±660 kV直流工程接地極線路工程成功采用耐熱鋁合金導(dǎo)線，運(yùn)行實(shí)踐表明接地極線路采用耐熱導(dǎo)線有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）耐熱導(dǎo)線具有非常好的機(jī)電性能，可通過(guò)提高導(dǎo)線允許溫度來(lái)滿足接地極線路的最大持續(xù)電流。

（2）接地極線路采用耐熱導(dǎo)線，對(duì)線路的弧垂和線路金具有一定影響，必要時(shí)要加大線路對(duì)地高度，采用耐熱金具。因此，在采用耐熱導(dǎo)線輸電技術(shù)時(shí)要權(quán)衡利弊，合理運(yùn)用。

（3）接地極線路采用耐熱導(dǎo)線能大大降低主要材料指標(biāo)，且無(wú)線損問(wèn)題，既響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能降耗的政策，也符合建設(shè)兩型電網(wǎng)的要求，必將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]廖懷東，韋未，關(guān)健，等.耐熱導(dǎo)線材料及其在輸變電工程擴(kuò)容上的應(yīng)用[J].電力設(shè)備，2006，7（12）:52-54.

[2]游洲，楊永明，何為.耐熱架空導(dǎo)線在重慶市110 kV電網(wǎng)改造中的應(yīng)用研究[J].電線電纜，2008（3）:8-11.

[3]王高益.談耐熱導(dǎo)線在海南電網(wǎng)的應(yīng)用[J].電力技術(shù)，2010，19（7）:56-58.

[4]韓悅德，張鳴，詹清華.耐熱鋁合金導(dǎo)線在220 kV羅文線工程中的應(yīng)用[J].供用電，2003，20（4）:39-40.

[5]秦海峰.淺談耐熱架空導(dǎo)線在110 kV電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].沿海企業(yè)與科技，2010，121（6）:130-132.

[6]尤傳永.耐熱鋁合金導(dǎo)線的耐熱機(jī)理及其在輸電線路上的應(yīng)用[J].電線電纜，2004（4）:3-8.

[7]蒲曉羽，張?jiān)贫?耐熱導(dǎo)線在輸電技術(shù)中的研究與應(yīng)用[J].華北電力技術(shù)，2007，37（2）:8-12.

[8]尤偉任，薛建凌.鋼芯60%IACS耐熱鋁合金絞線產(chǎn)業(yè)化前景分析[J].電力設(shè)備，2006，7（9）:114.