输电线路导线的应用特点

输电线路导线的应用特点 架空导线的结构型式 导电基体 承力基体 架空导线是由主要承担机械强度的芯线和承担电流输送的导体组成 按其导体形状可分为圆线同心绞线和型线同心绞线两大类 架空导线导体的材料 架空导线常用的导体材料主要有硬铝线 软铝线和铝合金线 其中 硬铝线主要包括普通硬铝线和高导电率硬铝线 铝合金线主要包括高强度铝合金线 中强度铝合金线和耐热铝合金线 导体的导电率主要以国际退火铜为基准的百分数 IACS 来表征 纯度为100 的纯铝导电率为64 IACS 导体材料主要性能参数 架空导线芯线的材料 架空导线用芯线材料主要有镀锌钢线 铝包钢 殷钢 线和碳纤维芯棒等 镀锌钢线采用热浸镀锌工艺生产 具有较强的耐腐蚀能力 其导电率为9 IACS 抗拉强度为1290 1960MPa 线膨胀系数为11 5 10 6 铝包殷钢线是采用热挤压包覆工艺生产铝和殷钢复合材料 铝均匀覆盖在殷钢丝表面 具有极强的耐腐蚀能力 铝包殷钢线的导电率为10 14 IACS 抗拉强度为950 1150MPa 线膨胀系数为3 7 10 6 碳纤维芯棒是用耐高温拉挤环氧树脂浸润高强度的碳纤维和高延伸率 耐腐蚀 介电性能优异的玻璃纤维按照一定的分纱方式拉挤固化而成 具有质量轻 强度大 架设弧垂小 高温弧垂增加量小等优点 该种材料不导电 抗拉强度为2100 2400MPa 线膨胀系数为2 0 10 6 芯线材料主要性能参数 按照应用功能的导线分类 国家电网公司关于导线的企业标准 Q GDW 632 2011钢芯高导铝绞线Q GDW1815 2012铝合金芯高导电率铝绞线Q GDW1816 2012中强度铝合金绞线Q GDWXXXX 2013同心绞铝包殷钢芯耐热铝合金绞线Q GDW1851 2012碳纤维复合材料芯架空导线 钢芯高导电率铝绞线钢芯高导电率硬铝绞线采用61 5 63 IACS的硬铝线替代普通钢芯铝绞线中的61 IACS铝线 与铝截面相同的普通钢芯铝绞线相比 由于铝线导电率的提高 可使导线整体直流电阻值降低 电能损耗减少 且其他机械电气性能与普通钢芯铝绞线完全相同 普通钢芯铝绞线所用的连接金具和与导线配套的悬垂线夹 耐张线夹 接续管对钢芯高导电率铝绞线均适用 无其它特殊要求 铝合金芯高导电率铝绞线铝合金芯高导电率铝绞线采用53 IACS高强度铝合金芯替代普通钢芯铝绞线中的钢芯 其外同心绞合一层或多层高导电率铝线构成的绞线 铝合金芯高导电率铝绞线与外径相同的普通钢芯铝绞线相比 将导电率9 IACS的钢芯替换为导电率52 5 IACS或53 IACS的高强度铝合金芯 铝单丝的导电率由61 IACS提高至61 5 63 IACS 导电截面的增大有效降低了绞线整体的直流电阻 中强度全铝合金绞线中强度铝合金绞线全部采用58 5 IACS中强度铝合金材料 与等总截面的普通钢芯铝绞线相比 由于铝合金材料替代了钢芯 相当于增大了导线的导电截面 单位长度导线整体直流电阻降低 提高了导电能力 因而有效降低输电线路的电阻损耗 三种节能导线性能的一般定性评价 三种导线都可以替代钢芯铝绞线在一般工程中应用 但又有其各自的特点和优势 按照目前的价格水平 经过经济比较 总结如下 中强度全铝合金导线替代400mm2以下导线铝合金芯铝绞线替代500 630mm2导线钢芯高导电率铝绞线替代720mm2及以上导线和对机械强度有一定要求的线路 铝合金芯型线绞线 铝合金芯型线绞线技术性能与钢芯铝绞线相当 与常规导线相比将钢芯更换为铝合金芯 减少了涡流和磁滞损耗 并且电阻损耗小 表面光滑 电晕小 导体结构采用S Z型线绞合而成 其单线线股间接触面比圆线间的接触面大得多 具有更好的自阻尼特性 在相同直径下 具有更大的截面积 由于外层采用型线结构 导线直径可以缩小到与下一规格的普通导线相近 同时重量 拉断力也与下一规格的普通导线相近 例如总截面为775的铝合金芯型线绞线与普通的630 45导线性能相近 可以使用相同的铁塔 在某电厂一期工程建设的一台660MW机组的220kV送出中成功应用 采用515 260的铝合金芯Z型铝绞线正好满足送出能力的要求 同时可以采用通用设计中630 45导线的铁塔 既降低了初期投资 每公里节约10万元左右 又降低了运行损耗 每公里减少1万元左右 耐热导线的原理 加强芯与导体都能耐受150 的高温 钢芯耐热铝合金绞线钢芯耐热铝合金绞线的芯线为镀锌钢线 导体材料为普通耐热铝合金线 其结构与普通钢芯铝绞线相同 允许连续运行温度为150 钢芯耐热铝合金绞线与普通钢芯铝绞线主要技术参数对比如下表所示 其主要机械性能与普通钢芯铝绞线基本相同 在直流电阻方面略有增大 弧垂特性与普通钢芯铝绞线相同 钢芯耐热铝合金绞线生产工艺成熟 成本较低 施工工艺与钢芯铝绞线完全相同 安装方便 适用于新建的输电线路 间隙型特强钢芯耐热铝合金绞线间隙型特强钢芯耐热铝合金绞线采用特高强度钢芯和耐热铝合金线通过特殊间隙结构同心绞合而成 也简称为间隙型导线 芯线采用特高强度钢芯 外层导体为梯形或圆形耐热铝合金绞线 与芯线紧邻的铝合金采用梯形结构 以稳定间隙 典型结构如下图所示 间隙型特强钢芯耐热铝合金绞线参数对比 间隙型特强钢芯耐热铝合金绞线间隙型导线的钢芯与内层铝合金线能各自独立移动 在间隙中填充有润滑油 以便减少钢芯与内层铝合金线之间的摩擦 导线在安装时采用特殊紧线方法使导线的所有张力均由钢芯承担 因此 导线的弧垂变化仅取决于钢芯 钢芯的线膨胀系数为11 5 10 6 约为一般钢芯铝绞线线膨胀系数 约为19 21 10 6 的1 2 间隙型特强钢芯耐热铝合金绞线在高温下的弧垂变化不大 与普通导线相比表现出良好的弧垂特性 根据传输容量需要 导体可采用耐热铝合金或超耐热铝合金 可增容1 6 2倍以上 铝包殷钢芯耐热铝合金绞线铝包殷钢芯耐热铝合金绞线由耐热铝合金线与殷钢芯组成 铝包殷钢芯由7根 19根或更多根钢丝同心绞合而成 外面绞合2层 3层或4层耐热铝合金线 结构如图所示 铝包殷钢芯超耐热铝合金绞线与普通钢芯铝绞线对比 殷钢芯的线膨胀系数只有普通钢芯的1 3左右 可抑制导线高温导致的弧垂增加 由于殷钢芯与线路导体材料的线膨胀系数不一致 在导线工作温度高于某一临界温度点时 导线的受力全部由殷钢芯承担 因殷钢的线膨胀系数很小 弧垂随温度的增加非常缓慢 所以由殷钢芯制成的导线具有较高的工作温度 铝包殷钢芯超耐热铝合金绞线是一种低弧垂倍容量导线 与普通钢芯铝绞线相比 具有优异的低膨胀特性 可传输钢芯铝绞线2倍以上的电流容量 铝包殷钢芯超耐热铝合金绞线与普通钢芯铝绞线均为弹性变形金属组合的导线 施工较为便利 尤其适用于停电时间较短 施工条件苛刻的线路工程 碳纤维复合材料芯导线 碳纤维复合材料芯导线 碳纤维导线具有抗拉强度大 质量轻 工作温度高和高温弧垂小等优点 碳纤维导线运行温度70 时 弧垂增量相较于普通钢芯铝绞线降低约10 运行温度在150 以上时弧垂增量不到普通导线的1 10 允许载流量可以达到钢芯铝绞线的2倍左右 但导线价格较高 抗扭 抗弯性能差 目前仍缺乏大剪切力情况下的运行经验 老化性能也有待工程验证 碳纤维导线与普通钢芯铝绞线主要技术参数对比如下表所示 碳纤维复合材料芯导线 高海拔地区输电线路 导线电晕损耗几乎与电阻损耗相当 因此 在导线截面满足输送容量和电阻损耗情况下 控制电晕损耗至关重要 最经济有效的办法是扩大导线外径 扩径导线减少铝导体截面 节约材料 不但使线路导线使用总重量减少 也使杆塔等材料和基础建设投资大为减少 将会降低约8 的线路建设总投资 扩径导线 架空导线选型基本原则 1 按导线的长期允许电流确定所需的最小截面 导线的长期允许电流通常由系统要求的极限输送容量和n 1工况下的极限输送容量确定 2 按电晕条件和电磁环境要求确定最小截面 在特高压交直流工程往往是决定因素 3 采用全寿命周期年费用最小法选择导线截面 一般工程通常采用年费用最小的导线截面 4 按机械强度校验导线截面 主要是在大跨越 重冰区 高山大岭等对导线强度有特殊要求的区段 导线截面选择案例 220kV新建线路工程导线截面选择新建1回220kV输电线路 设计的正常输送容量为300MW 功率因数0 95 此时的额定工作电流为828A 首先采用全寿命年费用分析法进行导线截面比选 分别选用双分裂240mm2 300mm2 400mm2 500mm2 630mm2五种截面的普通钢芯铝绞线进行对比分析 不同负荷利用小时数下的年费用计算结果 在负荷利用小时数为2000时 采用2 240mm2截面导线最经济 在负荷利用小时数为2500时 采用2 300mm2截面导线最经济 在负荷利用小时数为3000时 采用2 400mm2截面导线最经济 在负荷利用小时数为3500时 采用2 500mm2截面导线最经济 在负荷利用小时数为4000时及以上 采用2 630mm2截面导线最经济 经济电流密度 按照目前的工程造价和电价水平测算出的经济电流密度随最大负荷利用小时数下降较手册中的快很多 在通常的工程中 最大负荷利用小时数通常取3000小时 此时的经济电流密度大约在1 0左右 导线截面选择案例 2 500kV新建线路工程新建1回500kV输电线路 设计的正常输送容量为2000MW 功率因数取0 95 此时的额定工作电流为2431A 与前述220kV新建线路工程类似 首先采用全寿命年费用分析法确定导线截面 分别选用四分裂300mm2 400mm2 500mm2 630mm2 720mm2五种截面的普通钢芯铝绞线进行对比分析 不同负荷利用小时数下的年费用计算结果 在负荷利用小时数为2000时 采用4 400mm2截面导线最经济 在负荷利用小时数为2500时 采用4 500mm2截面导线最经济 在负荷利用小时数为3000时 采用4 630mm2截面导线最经济 在负荷利用小时数为3500时及以上 采用4 720mm2截面导线最经济 经济电流密度 与220kV工程类似 在通常的工程中 最大负荷利用小时数通常取3000小时 此时的经济电流密度大约在1 0左右 220kV新建线路工程应用普通导线和节能导线比较 220kV新建线路工程应用普通导线和节能导线比较新建1回220kV输电线路 设计的正常输送容量为300MW 最大负荷利用小时数为3000h 功率因数0 95 此时的额定工作电流为828A 在本工程条件下 采用2 400mm2截面导线的全寿命周期经济性最佳 分别选用钢芯铝绞线 钢芯高导电率铝绞线 铝合金芯高导电率铝绞线 中强度铝合金绞线四种型号的导线进行比较 从年费用计算结果可以看出 四种导线的年费用相差不大 虽然三种节能导线的价格高于普通钢芯铝绞线 但由于运行的损耗小 在本工程的条件下 节能导线的经济性均优于普通钢芯铝绞线 经济性排序依次为中强度铝合金绞线 铝合金芯高导电率铝绞线 钢芯高导电率铝绞线 钢芯铝绞线 500kV新建线路工程应用普通导线和节能导线比较 500kV新建线路工程应用普通导线和节能导线比较新建1回500kV输电线路 设计的正常输送容量为2000MW 最大负荷利用小时数为3000h 功率因数取0 95 此时的额定工作电流为2431A 本工程条件下采用4 630mm2截面导线的全寿命周期经济性最佳 采用4 630mm2的普通钢芯铝绞线和相应规格节能导线进行技术经济比较 从年费用计算结果可以看出 四种导线的年费用相差很小 虽然三种节能导线的价格高于普通钢芯铝绞线 但由于运行的损耗小 在本工程的条件下 经济性排序依次此为铝合金芯高导电率铝绞线 中强度铝合金绞线 钢芯高导电率铝绞线 普通钢芯铝绞线 增容改造线路采用普通导线和增容导线的技术经济分析 1 110kV工程案例1回110kV老线路 导线为单根240 30mm2钢芯铝绞线 在最高工作温度70 下 输送能力为80MW 为满足负荷增长的要求 需要进行增容改造 改造后的输送容量目标为160MW 增容改造有两类方案可选 方案一 利用现有线路走廊拆旧建新 新建线路采用双分裂240 30mm2钢芯铝绞线 导线的最高工作温度取70 可以满足最大输送容量的要求 方案二 尽量利用现有杆塔 采用更换增容导线满足输送容量的要求 可选的导线有单根碳纤维导线 普通钢芯耐热铝合金导线 铝包殷钢芯耐热铝合金导线三种 采用普通钢芯耐热铝合金导线和铝包殷钢芯耐热铝合金导线由于弧垂增加较多 需要加高更换一部分杆塔 采用碳纤维导线由于弧垂变化不大 可采用原有杆塔 线路造价和损耗等参数 新建线路和更换导线的年费用比较 在额定功率的最大负荷利用小时数为3000h时 更换碳纤维导线经济性最高 随着额定功率下最大负荷利用小时数的增加 线损成为影响经济性的主要原因 当最大负荷利用小时数达到4800h 电价在0 3元及以上时 利用原线路走廊新建2 240mm2普通钢芯铝绞线线路的方案更具经济性 年费用比较 3000h 年费用比较 4800h 新建线路采用增容导线的技术经济性分析 220kV新建线路应用增容导线负荷利用小时数敏感性分析新建1回220kV线路 正常运行时输送功率为300MW 最大输送容量要求不小于600MW 在最大输送容量下的工作电流为1658安培 技术方案 在钢芯铝绞线 碳纤维导线 钢芯耐热铝合金导线和铝包殷钢芯耐热铝合金导线四种类型的导线中选择可以满足最大工作电流为1658安培的要求的型号 计算结果如下表 技术方案 在钢芯铝绞线 碳纤维导线 钢芯耐热铝合金导线和铝包殷钢芯耐热铝合金导线四种类型的导线中选择可以满足最大工作电流为1658安培的要求的型号 计算结果如下表 线路造价和损耗等参数 不同负荷利用小时数下的年费用 从上述计算结果可以看出 在负荷利用小时数为2000及以下时 采用2 240mm2截面的钢芯耐热铝合金导线最优 2 240mm2截面碳纤维导线次之 在负荷利用小时数为2500 3000时 采用2 240mm2的钢芯耐热铝合金导线最优 2 630mm2截面的普通钢芯铝绞线导线次之 在负荷利用小时数为3500及以上时 采用2 630mm2截面的普通钢芯铝绞线最优 2 240mm2截面的钢芯耐热铝合金导线次之 根据技术经济比较结果 利用增容导线耐高温运行的能力 可以采用截面较小的导线满足输送能力的要求 降低工程投资 缺点是运行损耗相对较高 对于正常输送容量不大 但在高峰期需要输送较大容量的线路上采用增容导线往往是最优的选择 但随着额定输送功率利用小时数的增