麻閩政，潘春平

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663)

?

鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用研究

麻閩政，潘春平

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663)

鋁包鋼線具有優(yōu)良的機(jī)械、電氣和防腐性能。與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線相比，用鋁包鋼線代替鍍鋅鋼線的鋁包鋼芯鋁絞線具有重量輕、電阻小、耐腐蝕、弧垂小的特點(diǎn)，尤其適合在沿海及重污穢地區(qū)應(yīng)用；采用20.3%IACS的LB20鋁包鋼芯代替鍍鋅鋼芯與高導(dǎo)電率鋁線組成的節(jié)能導(dǎo)線即鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線，可充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)，疊加發(fā)揮兩種材料的節(jié)能效果，與同規(guī)格的鋼芯高導(dǎo)電率鋁絞線相比，交流電阻進(jìn)一步降低約1.6%～2.7%。500 kV線路典型算例表明:綜合考慮導(dǎo)線價(jià)格成本和節(jié)能效益，JL3/LB20和JL2/LB20型鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣。

鋁包鋼芯；高導(dǎo)電率鋁；交流電阻；節(jié)能

自然界環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，為了減輕大氣污染對(duì)導(dǎo)線的腐蝕，新型導(dǎo)線層出不窮。20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)的鋁包鋼芯鋁絞線因其優(yōu)越的防腐性能和機(jī)電性能，在國(guó)外高壓和超高壓輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用。而在國(guó)內(nèi)，鋁包鋼芯鋁絞線目前主要用于沿海地區(qū)和工業(yè)空氣污染嚴(yán)重地區(qū)，仍有較大推廣空間。

進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)家大力提倡節(jié)能減排和使用新能源。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)“效率最大化、資源節(jié)約化、環(huán)境友好化”的綠色輸電線路，國(guó)內(nèi)導(dǎo)線制造行業(yè)在傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線基礎(chǔ)上，通過(guò)提高硬鋁導(dǎo)電率而研制成功的鋼芯高導(dǎo)鋁絞線具有相同的機(jī)械和物理性能，并能降低導(dǎo)線電阻率約1%～3%，節(jié)能效益可觀，已試用于諸多線路工程。

將鋁包鋼線生產(chǎn)技術(shù)和高導(dǎo)硬鋁線生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合得到的鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線，同時(shí)具有優(yōu)越的防腐性能和更高的節(jié)能效果，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線技術(shù)特點(diǎn)

表1 鍍鋅鋼線和鋁包鋼線技術(shù)參數(shù)

Tab. 1 Technical parameters of zinc-coated steel and aluminum-cald steel

級(jí)別鍍鋅鋼線G1AG2AG3A鋁包鋼線LB14LB20LB23LB27LB30LB35LB40抗張強(qiáng)度/MPa(≤35mm)1340～12901450～14101620～15501590～15501340～131012201080880810680抗張強(qiáng)度/MPa(>35mm)129013801520～15001520～15001270～107012201080880810680最小延伸率/(250mm)%30～4025～3020～2510?10?10?10?10?10?10?1%伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力/MPa(≤35mm)1170～11001310～12401450～13801410～13801200～11809808006505905001%伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力/MPa(>35mm)110011701340～12701340～12701140～100098080065059050020℃時(shí)電阻率/(nΩ·m)19157191571915712315848074966386574749264310導(dǎo)電率/(%IACS)99914203232730354020℃時(shí)標(biāo)稱(chēng)密度/(g·cm-3)778778778714659627591561515464最終彈性模量/GPa190190190170162149140132122109線膨脹系數(shù)/(10-6·℃-1)115115115120130129134138145155電阻溫度系數(shù)/℃-100045500045500045500034000360003600036000380003900040

注：*指鋁包鋼線斷裂后伸長(zhǎng)率。

1.1 鍍鋅鋼線和鋁包鋼線的技術(shù)參數(shù)

傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線的承力芯由多股鍍鋅鋼線絞合成。鍍鋅鋼線按強(qiáng)度不同，分為1級(jí)～5級(jí)等5種。其中1級(jí)～3級(jí)鍍鋅鋼線分別對(duì)應(yīng)常用的普通、高強(qiáng)度和特高強(qiáng)度鍍鋅鋼線，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1[1]。

鋁包鋼芯鋁絞線的承力芯由多股鋁包鋼線絞合成。鋁包鋼線按導(dǎo)電率不同，分為L(zhǎng)B14、LB20、LB23、LB27、LB30、LB35和LB40等7種，其導(dǎo)電率分別為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)退火銅(IACS)的14%、20.3%、23%、27%、30%、35%和40%，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1[2]。

1.2 硬鋁線的技術(shù)參數(shù)

常規(guī)鋼芯鋁絞線中普通硬鋁線LY9的導(dǎo)電率為61.0%IACS[3]，經(jīng)過(guò)特殊制造工藝得到的高導(dǎo)硬鋁線L1～L4的導(dǎo)電率可以達(dá)到61.5%～63%IACS[4]，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.3 鋁包鋼芯鋁絞線的技術(shù)性能

常用型號(hào)鋁包鋼芯鋁絞線的鋁包鋼單絲外徑多為2.40～3.50 mm。為使鋁包鋼芯代替鋼芯后導(dǎo)線機(jī)械拉力相匹配，一般采用LB20和LB14鋁包鋼線分別代替G1A級(jí)和G2A、G3A級(jí)鍍鋅鋼線。按此原則設(shè)計(jì)的鋁包鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)、截面、外徑、制造長(zhǎng)度與同型號(hào)鋼芯鋁絞線完全相同，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)重量略輕，相同重量長(zhǎng)度更長(zhǎng)。

2)電阻略小，電能損耗更小。

3)無(wú)雙金屬接觸，耐腐蝕性能好，尤其適合在沿海及重污穢地區(qū)應(yīng)用。

4)拉力重量比略大，使導(dǎo)線弧垂更小。

鋁包鋼線與高導(dǎo)電率鋁線相結(jié)合可組成鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線，在具有上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，節(jié)能效果更為顯著，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of high conductivity aluminum conductor aluminum-clad steel reinforced cable

2 導(dǎo)線的機(jī)械特性

以廣東沿海地區(qū)(基本風(fēng)速37 m/s、無(wú)覆冰)500 kV輸電線路常用鋼芯鋁絞線JL/G1A-720/50為例，與鋁包鋼芯鋁絞線JL/LB20-720/50進(jìn)行機(jī)械特性比較。

當(dāng)JL/G1A-720/50或JL/LB20-720/50的鋁線采用表2所示節(jié)能高導(dǎo)電率鋁線時(shí)，相應(yīng)新型節(jié)能導(dǎo)線的機(jī)械性能與原導(dǎo)線完全相同，故不贅述。

對(duì)比導(dǎo)線的參數(shù)見(jiàn)表3，對(duì)比導(dǎo)線的50 ℃定位弧垂、風(fēng)偏搖擺角、大風(fēng)過(guò)載能力、線條荷載及按節(jié)矩法[5]計(jì)算的外層鋁股應(yīng)力和安全系數(shù)分別見(jiàn)表4、表5、表6、表7和表8。

表2 普通硬鋁線和高導(dǎo)硬鋁線技術(shù)參數(shù)

Tab. 2 Technical parameters of hard-drawn aluminum and high conductivity aluminum

級(jí)別硬鋁線LY9高導(dǎo)硬鋁線L1L2L3L4抗張強(qiáng)度/MPa(≤35mm)200～165200～165200～165200～165200～165抗張強(qiáng)度/MPa(>35mm)16016016016016020℃時(shí)電阻率/(nΩ·m)2826428034278082758627367導(dǎo)電率/(%IACS)6161562062563020℃時(shí)標(biāo)稱(chēng)密度/(g·cm-3)27032703270327032703最終彈性模量/GPa5555555555線膨脹系數(shù)/(10-6·℃-1)230230230230230電阻溫度系數(shù)/℃-1000403000407000410000413000415

表3 導(dǎo)線JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的參數(shù)

Tab. 3 Cable JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50’s parameters

參數(shù)JL/G1A?720/50JL/LB20?720/50鋁線/股數(shù)×單絲直徑45×Φ453mm45×Φ453mm鋼(鋁包鋼)線/股數(shù)×單絲直徑7×Φ302mm6×Φ302mm鋁截面/mm27252772527鋼截面/mm250145014總截面/mm27754177541直徑/mm36243624單位質(zhì)量/(kg·km-1)2397723370額定拉斷力/kN1712017621拉力重量比/km729769彈性模量/GPa630614線膨脹系數(shù)/(10-6·℃-1)209215

表4 導(dǎo)線JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的50 ℃弧垂

Tab. 4 Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50’s sag in 50 ℃

50℃弧垂/mJL/G1A?720/50JL/LB20?720/50差值/m檔距l(xiāng)=代表檔距l(xiāng)p=300m770757-013(16%)l=lp=350m1012995-017(17%)l=lp=400m12901266-024(19%)l=lp=450m16021569-032(20%)l=lp=500m19481910-038(19%)l=lp=550m23322284-048(21%)l=lp=600m27502689-061(22%)l=lp=700m36953611-083(23%)

注：基于南網(wǎng)500 kV標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)桿塔，JL/LB20-720/50的張力已相應(yīng)放松。

表5 導(dǎo)線JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的風(fēng)偏搖擺角

Tab. 5 Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50’s wind angle

搖擺角/(°)JL/G1A?720/50JL/LB20?720/50工頻大風(fēng)61416224操作過(guò)電壓33023381雷電過(guò)電壓18591910帶電作業(yè)844868

注：桿塔Kv值取0.75，導(dǎo)線平均高度取20m。

表6 導(dǎo)線JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的大風(fēng)過(guò)載能力

Tab. 6 Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50’s wind overload capacity

大風(fēng)過(guò)載能力/(m·s-1)JL/G1A?720/50JL/LB20?720/50代表檔距l(xiāng)p=300m73677519lp=350m70677197lp=400m68496962lp=450m66876787lp=500m65646652lp=550m64686547lp=600m63926463lp=700m62816341

注：稀有風(fēng)速工況導(dǎo)線允許最大張力取70%額定拉斷力。

表7 導(dǎo)線JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的線條荷載

Tab. 7 Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50’s load

線條荷載JL/G1A?720/50JL/LB20?720/50水平荷載/(N·m-1)29748(100%)29748(100%)垂直荷載/(N·m-1)23513(100%)22918(975%)縱向最大使用張力/kN65056(100%)65056(100%)

表8 導(dǎo)線JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的外層鋁股應(yīng)力

Tab. 8 Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50’s outer layer aluminum strand’s stress

外層鋁股JL/G1A?720/50JL/LB20?720/50所在層數(shù)33應(yīng)力σa/MPa46964819破斷應(yīng)力/MPa160160安全系數(shù)341332疲勞極限/MPa637637應(yīng)力/疲勞極限%737%756%

3 導(dǎo)線的電氣性能

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

我國(guó)常用的鋼芯鋁絞線結(jié)構(gòu)有三種[6]，見(jiàn)表9。

3.2 綜合導(dǎo)電率

導(dǎo)線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)退火銅導(dǎo)電率Y為[7]：

(1)

表9 我國(guó)常用鋼芯鋁絞線結(jié)構(gòu)

Tab. 9 Common structure of aluminum cable steel reinforced in China

單絲數(shù) 鋼比/%導(dǎo)線標(biāo)稱(chēng)截面45/77300/20400/25500/35630/45720/50800/5548/79300/25400/35500/45630/55720/65800/70其他?13300/401400/502500/652630/803720/953800/1003

注：*系列單絲數(shù)含24/7、54/7和54/19，分別對(duì)應(yīng)序號(hào)1、2和3。

ρλ20=ρ20λm

(2)

式中：ρλ20為絞線20 ℃時(shí)的電阻率，Ω·mm2·m-1；ρ20為導(dǎo)電金屬線20 ℃時(shí)的電阻率，Ω·mm2·m-1；λm為絞線導(dǎo)電金屬層的平均絞入系數(shù)，即電阻增量比值。

表14 720/50結(jié)構(gòu)導(dǎo)線直流和交流電阻比較表

Tab. 14 DC resistance and AC resistance comparison of 720/50 structure conductors

級(jí)別JL/G1AJL/LB20JL1/G1AJL1/LB20JL2/G1AJL2/LB20JL3/G1AJL3/LB20JL4/G1AJL4/LB2020℃直流電阻/(Ω·km-1)0039430003892800391130038618003880000383140038493003801400381910037719通過(guò)547A電流時(shí)導(dǎo)線溫度/℃4216420542114201420741974203419341984189導(dǎo)線直流電阻/(Ω·km-1)0042951004238800426330042078004231100417650041995004145700416750041145集膚效應(yīng)增加率/%324332328337333342338347343352鐵磁損耗增加率/%102057102058103058104058105059導(dǎo)線交流電阻/(Ω·km-1)0044777004403700444690043737004415700434340043851004313600435420042834交流電阻減小率/%000-165-069-232-138-300-207-366-276-434

注：(1)環(huán)境溫度20 ℃，風(fēng)速0.5 m/s，太陽(yáng)輻射功率1 000 W/m2，導(dǎo)線表面散熱系數(shù)和吸熱系數(shù)0.9；(2)導(dǎo)線直流電阻已計(jì)及鋼線導(dǎo)電率。

對(duì)組合導(dǎo)線即鋼芯鋁絞線和鋁包鋼芯鋁絞線，其綜合導(dǎo)電率Y為：

(3)

式中：Aa為鋁部分截面積，mm2；As為芯部分截面積，mm2；A為導(dǎo)線綜合截面積，mm2；Ya為鋁線標(biāo)準(zhǔn)銅導(dǎo)電率，%IACS；Ys為芯線標(biāo)準(zhǔn)銅導(dǎo)電率，%IACS；λam為鋁股層電阻增量比值；λsm為芯股層電阻增量比值。

普通鋁線導(dǎo)電率Ya為61%IACS，芯線導(dǎo)電率Ys取值見(jiàn)表10；鋁部分和芯部分的電阻增量比值λam和λsm取值見(jiàn)表11。

表10 芯線標(biāo)準(zhǔn)銅導(dǎo)電率Ys取值

Tab. 10 Core wire’s conductivity percent IACS %

芯線IACS鍍鋅鋼線G1A[1]鋁包鋼線LB20[2]考慮鋼導(dǎo)電性9203?不考慮鋼導(dǎo)電性0153

注：*為L(zhǎng)B20鋁包鋼線規(guī)定的最小導(dǎo)電率。

表11 鋁部分和芯部分電阻增量比值

Tab. 11 Resistance increment ratio of aluminum part and core part

單絲數(shù)鋁部分λam芯部分λsm24/7102081004345/7102231004348/7102241004354/7102331004354/191023310077

按式(3)計(jì)算常用結(jié)構(gòu)鋼芯鋁絞線和用LB20鋁包鋼線替換鍍鋅鋼線后鋁包鋼芯鋁絞線的綜合導(dǎo)電率(分別按忽略鋼導(dǎo)電性和考慮鋼導(dǎo)電性考慮)，結(jié)果如表12和表13所示。

表12 常用導(dǎo)線的綜合導(dǎo)電率(忽略鋼導(dǎo)電性)

Tab. 12 Integrated conductivity of aluminum cable (aluminum-clad) steel reinforced (ignore steel wire’s conductivity) %

單絲數(shù)鋼比鋼芯LB20芯導(dǎo)電率增加IACS電阻減小45/775581567909817348/795484560712321924/7135288546317532054/7135275545017532154/191352895460171312

表13 常用導(dǎo)線的綜合導(dǎo)電率(考慮鋼導(dǎo)電性)

Tab. 13 Integrated conductivity of aluminum cable (aluminum-clad) steel reinforced (contain steel wire’s conductivity) %

單絲數(shù)鋼比鋼芯LB20芯導(dǎo)電率增加IACS電阻減小45/775639571207312748/795556564709116124/7135391552113023454/7135378550813023554/191353905516126229

按《圓線同心絞架空導(dǎo)線》(GB/T 1179—2008)第4.8條規(guī)定：鋁與鋼線的組合導(dǎo)線直流電阻計(jì)算，忽略鋼線的電導(dǎo)率，但鋁包鋼線加強(qiáng)芯中鋁包層的電導(dǎo)仍計(jì)算在內(nèi)。根據(jù)表12和表13可知，是否忽略鋼線的導(dǎo)電率對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響。筆者認(rèn)為，為客觀估計(jì)和評(píng)價(jià)鋁包鋼線代替鍍鋅鋼線帶來(lái)的節(jié)能效益，在比較計(jì)算導(dǎo)線綜合導(dǎo)電率和電阻時(shí)應(yīng)計(jì)及鋼線的電導(dǎo)率。

因此根據(jù)表13計(jì)算結(jié)果，若以20.3%IACS的LB20鋁包鋼絞線代替9%IACS的鍍鋅鋼絞線作為承力芯，對(duì)鋼比分別為7%、9%和13%(單絲數(shù)54/7)的導(dǎo)線，其綜合導(dǎo)電率可分別提高約0.73%、0.91%和1.30%IACS，電阻可分別降低約1.27%、1.61%和2.35%?？梢?jiàn)，鋼比越大的導(dǎo)線，用鋁包鋼線代替鍍鋅鋼芯對(duì)降低導(dǎo)線電阻的作用越大，反之則越小。

3.3 直流電阻

導(dǎo)線20℃時(shí)直流電阻R20可按下式計(jì)算：

(4)

以720/50導(dǎo)線結(jié)構(gòu)為例，分別計(jì)算常規(guī)鋼芯鋁絞線、鋁包鋼芯鋁絞線和不同導(dǎo)電率鋁線時(shí)鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線的20 ℃直流電阻，結(jié)果如表14所示。

3.4 交流電阻

環(huán)境溫度ta，流經(jīng)電流后溫度升高θ，則運(yùn)行溫度ta+θ時(shí)的直流電阻可按下式計(jì)算：

表15 導(dǎo)線電能損耗及經(jīng)濟(jì)性比較表

Tab. 15 Resistance loss and economy comparison of 720/50 structure conductors

級(jí)別JL/G1AJL/LB20JL1/G1AJL1/LB20JL2/G1AJL2/LB20JL3/G1AJL3/LB20JL4/G1AJL4/LB20電阻損耗功率/(kW·km-1)32154316233193331408317093119031489309763126830759年電能損耗/(萬(wàn)kWh·km-1)8682853886228480856184218502836484428305年能損費(fèi)用/(萬(wàn)元·km-1·年-1)4111404340834015405439874026396039973932年能損差值/(萬(wàn)元·km-1·年-1)000-068-028-095-057-123-085-151-113-178導(dǎo)線價(jià)格/(萬(wàn)元·t-1)160167162169165172169176179186導(dǎo)線投資/(萬(wàn)元·km-1)920793679322947994959647972598711030110432導(dǎo)線投資差值/(萬(wàn)元·km-1)00016011527228844051866410931225回收年限/(年)/-235-407-285-505-357-609-441-964-687相對(duì)年費(fèi)用/(萬(wàn)元·km-1·年-1)000-054-018-071-031-084-039-092-016-070

Rdc(ta+θ)=R20[1+α20(ta+θ-20)]

(5)

式中：α20為20 ℃時(shí)電阻溫度系數(shù)，1/℃。

導(dǎo)線溫升可根據(jù)載流量熱平衡公式計(jì)算[8]，運(yùn)行溫度ta+θ時(shí)的交流電阻可按下式計(jì)算：

Rac(ta+θ)=Rta+θ+ΔR1+ΔR2

(6)

式中：ΔR1為考慮集膚效應(yīng)引起的電阻增量；ΔR2為考慮磁滯渦流引起的電阻增量。

交流電阻的計(jì)算方法很多，其中以摩根(Morgan)計(jì)算方法[9]理論上最完善，但很繁瑣復(fù)雜；而以日本JCS0374[10]計(jì)算方法最簡(jiǎn)單。

文獻(xiàn)[11]以鋼芯鋁絞線JL/G1A-630/45為基準(zhǔn)，對(duì)比分析了各種敏感因素下(不同工作頻率、電流密度、鋁線截面、鋼芯截面等)摩根算法和日本算法的差異，結(jié)果表明兩者的主要差異在于磁滯渦流損耗引起的電阻增量ΔR2，日本JCS0374算法僅考慮了電流密度影響而忽略了其他因素，具有一定誤差，一般用于交流電阻近似計(jì)算。因此，為客觀反映鋁包鋼芯鋁絞線的實(shí)際節(jié)能效果，本文采用摩根算法。

廣東沿海地區(qū)500 kV輸電線路通常每相采用4×JL/G1A-720/50導(dǎo)線，正常輸送容量P=1 800 MW，每根子導(dǎo)線正常電流為I=547 A。各導(dǎo)線的交流電阻計(jì)算結(jié)果如表14所示。

可知，用鋁包鋼芯代替鍍鋅鋼芯，一方面減小了導(dǎo)線直流電阻；另一方面，減小了鋼芯的磁滯和渦流損耗，進(jìn)一步降低了導(dǎo)線交流電阻。如相對(duì)于JL/G1A-720/50鋼芯鋁絞線，JL/LB20-720/50鋁包鋼芯鋁絞線的直流電阻和交流電阻分別降低1.27%和1.65%。

另外，鋁包鋼線和高導(dǎo)電率鋁線相結(jié)合組成的節(jié)能導(dǎo)線，可顯著降低交流電阻，充分發(fā)揮兩種材料的節(jié)能效益。如目前可批量生產(chǎn)的鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線JL2/LB20-720/50和JL3/LB20-720/50可分別降低交流電阻3.0%和3.66%，而仍難以批量生產(chǎn)的最高導(dǎo)電率的鋼芯高導(dǎo)鋁絞線JL4/G1A-720/50也僅降低交流電阻2.76%。

3.5 電磁環(huán)境

相同規(guī)格型號(hào)的鋁包鋼芯鋁絞線與鋼芯鋁絞線的鋁層結(jié)構(gòu)、直徑、表面光滑度均相同，當(dāng)作用以相同電壓時(shí)，導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度也相同，故其電暈損耗、無(wú)線電干擾、可聽(tīng)噪聲、線下電磁場(chǎng)強(qiáng)度等均一致。導(dǎo)線的電氣性能

3.6 電能損耗費(fèi)用

500 kV四分裂雙回線路導(dǎo)線電阻損耗功率：

Ploss=24I2·Rac(ta+θ)

(7)

年電能損耗：

Aloss=Ploss·τ=24I2·Rac(ta+θ)·τ

(8)

年電能損耗費(fèi)用：

Floss=Aloss·JD

(9)

式中：τ為最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)；JD為上網(wǎng)電價(jià)。

廣東電網(wǎng)500 kV輸電通道線路的年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax一般在3 500～5 500 h，取平均Tmax=4 500 h，當(dāng)功率因數(shù)為0.95時(shí)，其損耗小時(shí)τ=2 700 h；根據(jù)發(fā)改價(jià)格〔2015〕748號(hào)，廣東電網(wǎng)的上網(wǎng)電價(jià)參考火電價(jià)格取為0.473 5元/kWh。則雙回線路單公里電阻損耗功率、年損耗電能及費(fèi)用見(jiàn)表15所示。

3.7 經(jīng)濟(jì)性比較

相對(duì)于常規(guī)JL/G1A-720/50型鋼芯鋁絞線，不同導(dǎo)電率硬鋁的鋼芯高導(dǎo)鋁絞線和鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線每年分別可節(jié)約電能損耗費(fèi)用(0.28～1.13)萬(wàn)元/km和(0.95～1.78)萬(wàn)元/km，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

各導(dǎo)線單價(jià)及500 kV雙回線路的導(dǎo)線投資如表15所示。對(duì)于采用各節(jié)能導(dǎo)線引起的初期投資增額，可通過(guò)節(jié)約電能損耗的方式收回，其中JL/LB20、JL1/LB20導(dǎo)線約3年內(nèi)即可收回，JL1/G1A、JL2/LB20導(dǎo)線約4年內(nèi)收回，JL2/G1A、JL3/LB20導(dǎo)線約5年內(nèi)收回，而其余導(dǎo)線則需6～10年方可收回。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)各節(jié)能導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性，采用最小年費(fèi)用法。按電力工業(yè)部(82)電計(jì)字第44號(hào)文《頒發(fā)“電力工程經(jīng)濟(jì)分析暫行條例”的通知》第十五條經(jīng)濟(jì)計(jì)算方法。線路工程簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

(9)

式中：NF為年平均費(fèi)用，萬(wàn)元；Z為折算到投運(yùn)年的總投資，萬(wàn)元；n為工程經(jīng)濟(jì)使用年數(shù)，取30年；r0為電力工業(yè)投資回收率，取8%；μ為折算年運(yùn)行費(fèi)用，包括電能損耗費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，萬(wàn)元。

各節(jié)能導(dǎo)線方案相對(duì)于普通JL/G1A鋼芯鋁絞線的年費(fèi)用差值見(jiàn)表15?？芍琂L3/LB20經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，JL2/LB20其次，JL1/LB20和JL4/LB20相當(dāng)并列第三。

4 應(yīng)用注意事項(xiàng)

4.1 導(dǎo)線額定拉斷力算法探討

按GB/T 1179—2008《圓線同心絞架空導(dǎo)線》4.7.2條規(guī)定：鋼或鋁包鋼芯鋁(鋁合金)絞線的額定拉斷力，應(yīng)為鋁(鋁合金)部分的拉斷力與對(duì)應(yīng)鋁(鋁合金)部分在斷裂負(fù)荷下鋼或鋁包鋼部分伸長(zhǎng)時(shí)的拉力的總和；為規(guī)范及實(shí)用起見(jiàn)，鋼或鋁包鋼部分的拉力偏安全的規(guī)定為：按250 mm標(biāo)距，1%伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力來(lái)確定。

需要說(shuō)明的是，G1A級(jí)鍍鋅鋼線斷裂后伸長(zhǎng)率為3.0%～4.0%，即使斷裂后伸長(zhǎng)率最小的G3A級(jí)鍍鋅鋼線仍為2.0%～2.5%，而鋁包鋼線斷裂后伸長(zhǎng)率規(guī)定為不小于1%。可見(jiàn)，按GB/T 1179—2008規(guī)定的導(dǎo)線額定拉斷力的算法，對(duì)鍍鋅鋼線和鋁包鋼線而言，其安全裕度是完全不同的。前者仍有一定裕度，而后者完全依賴(lài)制造廠家的工藝水平。制造工藝先進(jìn)的廠家能夠使鋁包鋼線的斷裂后伸長(zhǎng)率達(dá)到1.2%甚至1.5%，但更多的廠家僅僅滿足國(guó)標(biāo)要求的最小值。因此，不同廠家生產(chǎn)的鋁包鋼芯鋁絞線在拉斷力試驗(yàn)中的表現(xiàn)往往參差不齊。

因此，筆者提出，對(duì)于鋁包鋼芯鋁絞線的額定拉斷力算法是否可以進(jìn)一步探討和研究。這里提供兩種參考方法：(1)定義鋁包鋼芯鋁絞線的額定拉斷力為鋁股線和芯股線拉斷力的總和再打0.9～0.95折，也即日本所采用的方法；(2)按GB/T 1179—2008規(guī)定計(jì)算，但其中鋁包鋼部分的伸長(zhǎng)率需通過(guò)試驗(yàn)界定，而并非取鋼線相同的1%。

4.2 導(dǎo)線連接金具

鑒于鋁包鋼線的延伸率遠(yuǎn)小于鍍鋅鋼線，為保證鋁包鋼芯鋁絞線壓接后導(dǎo)線連接處的握著力達(dá)95%導(dǎo)線額定拉斷力以上，導(dǎo)線連接金具包括接續(xù)管、耐張線夾等的設(shè)計(jì)尤為重要。

一般采用兩種方法優(yōu)化導(dǎo)線連接金具設(shè)計(jì)：加長(zhǎng)接續(xù)管的鋼管、耐張線夾的鋼錨；在鋼管和鋼錨的內(nèi)表面電鍍鋁層，即和鋁包鋼線的接觸部分采用相同材質(zhì)。

5 結(jié)論

1)與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線相比，用鋁包鋼線代替鍍鋅鋼線與硬鋁線組成的鋁包鋼芯鋁絞線，具有耐腐蝕、線路壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

特別的，使用LB20鋁包鋼線代替鍍鋅鋼線，導(dǎo)線的重量和高溫弧垂略減小、過(guò)載能力稍增加、風(fēng)偏特性和防振性能略微變差，綜合機(jī)械性能略優(yōu)。

2)鋁包鋼芯鋁絞線具有一定的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。用鋁包鋼芯代替鍍鋅鋼芯，一方面減小了導(dǎo)線直流電阻；另一方面，減小了鋼芯的磁滯和渦流損耗，進(jìn)一步降低了導(dǎo)線交流電阻。

3)使用LB20鋁包鋼線代替鍍鋅鋼線與高導(dǎo)電率鋁線組成節(jié)能導(dǎo)線，可充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)，疊加發(fā)揮兩種材料的節(jié)能效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著，值得大力推廣。

對(duì)于不同導(dǎo)電率的鋼芯高導(dǎo)鋁絞線和鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線，綜合考慮目前導(dǎo)線價(jià)格成本和節(jié)能效益，500 kV輸電線路選用JL3/LB20和JL2/LB20型鋁包鋼芯高導(dǎo)鋁絞線具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4)適用于鋁包鋼芯鋁絞線的額定拉斷計(jì)算方法有待深入探討和研究。實(shí)際工程選用鋁包鋼芯鋁絞線時(shí)，為滿足握著力要求，導(dǎo)線接續(xù)管、耐張線夾等連接金具的設(shè)計(jì)尤為重要。

[1] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 架空絞線用鍍鋅鋼線：GB/T 3428—2012 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

Standardization Administration of China. Zinc-coated steel wires for stranded conductors: GB/T 3428-2012 [S]. Beijing: Standards Press of China, 2012.

[2]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 電工用鋁包鋼線：GB/T 17937—2009 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Standardization Administration of China. Aluminum-clad steel wires for electrical purposes: GB/T 17937—2009 [S]. Beijing: Standards Press of China, 2009.

[3]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 架空絞線用硬鋁線：GB/T 17048—2009 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Standardization Administration of China. Hard-drawn aluminum wire for overhead line conductors: GB/T 17048—2009 [S]. Beijing: Standards Press of China, 2009.

[4]國(guó)家電網(wǎng)公司.高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線：Q/GDW 632—2011 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

State Grid Corporation of China. High conductivity aluminum conductor steel reinforced: Q/GDW 632—2011 [S]. Beijing: Standards Press of China, 2011.

[5]葉鴻聲. 中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線在輸電線路中的應(yīng)用 [J]. 電力建設(shè)，2010，31(12)：14-19.

YE H S. Application of moderate-strength all aluminum alloy conductor in transmission lines [J]. Electric Power Construction，2010，31(12)：14-19.

[6]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 圓線同心絞架空導(dǎo)線：GB/T 1179—2008 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

Standardization Administration of China. Round wire concentric lay overhead electrical stranded conductors: GB/T 1179—2008 [S]. Beijing: Standards Press of China, 2008.

[7]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 電線電纜性能試驗(yàn)方法 第2部分：金屬材料電阻率試驗(yàn)：GB/T 3048.2—2007 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

Standardization Administration of China. Test methods for electrical properties of electric cables and wires-Part2: Test of electrical resistivity of metallic materials: GB/T 3048.2—2007 [S]. Beijing: Standards Press of China, 2007.

[8]國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50545—2010 [S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

[9]MORGAN V T. Electrical characteristics of steel-cored aluminum conductors [J]. Proceedings of the Electrical Engineers，1965，112(2): 325-334.

[10] The Japanese Electric Wire & Cable Makers’ Association. Calculation basis of bare conductor’s allowable current: JCS 0374-2003 [S]. Tokyo: The Japanese Electric Wire & Cable Makers’ Association, 2003.

[11] 張瑞永，趙新宇，陶禮學(xué). 架空導(dǎo)線的交流電阻計(jì)算方法對(duì)比 [J]. 電線電纜，2014(4)：1-3.

(責(zé)任編輯 高春萌)

Characteristics and Application Research of High Conductivity Aluminum Conductor Aluminum-clad Steel Reinforced Cable

MA Minzheng, PAN Chunping

( China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

Aluminum-clad steel wire has excellent performance of mechanical, electrical and anti-corrosion. By replacing Zinc-coated steel with aluminum-clad steel wire, aluminum-cad steel core aluminum stranded wire has lighter weight, smaller resistance, better anti-corrosion performance and better sag characteristics, compared to the traditional ACSR, especially suitable for coastal and heavy polluted area. Composed of 20.3%IACS aluminum-clad steel wire and high conductivity aluminum conductor, the new energy-saving conductor i.e. high conductivity aluminum conductor aluminum-clad steel reinforced cable can superpose two materials’ energy-saving effect, and further reduce AC resistance about 1.6%～2.7% compared with the same specifications of the Zinc-coated steel core high conductivity aluminum cable. A typical example of 500 kV transmission line shows, JL3/LB20 and JL2/LB20 type of the new energy-saving conductor has a notable energy conservation economic effect and worth promoting.

aluminum-clad steel reinforced; high conductivity aluminum conductor; AC resistance; energy efficiency

2016-05-11

麻閩政(1985)，男，浙江溫州人，工程師，碩士，主要從事輸電線路工程設(shè)計(jì)工作(e-mail)maminzheng@gedi.com.cn。

10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2016.04.010

TM751

A

2095-8676(2016)04-0047-07