吳明埝， 繆姚軍

(江蘇中天科技股份有限公司，江蘇南通226463)

0 引言

間隙型增容導(dǎo)線是一種耐熱導(dǎo)線，給電力部門提供了一種全新的增容方案。在輸電線路增容時(shí)，只需簡(jiǎn)單更換導(dǎo)線，通過創(chuàng)新的架線技術(shù)實(shí)現(xiàn)1.6～2.0倍輸送容量而不增加弧垂。這為電力部門節(jié)省了大量的改造資金，以及征地、拆塔、建塔等煩雜程序，并大幅度縮短了工期。對(duì)于新建線路來說，低弧垂增容導(dǎo)線降低鐵塔排位、降低弧垂、增大檔距、減少鐵塔數(shù)量并且縮小輸電走廊，這也給電力部門提供了更多的選擇。因此，增容導(dǎo)線可廣泛應(yīng)用于線路新建和增容改造工程。

間隙型增容導(dǎo)線是由加強(qiáng)元件和載流元件兩部分組成。加強(qiáng)元件是采用圓形特高強(qiáng)度鋼芯;與鋼芯相鄰(超)耐熱合金線是采用梯形而其它層則采用常規(guī)的圓形線或梯形線。其主要是以特強(qiáng)鋼芯和(超)耐熱合金層之間帶有一定的間隙為特色。

間隙型增容導(dǎo)線在架設(shè)運(yùn)行過程中，全部機(jī)械負(fù)荷由特強(qiáng)鋼芯承擔(dān)，導(dǎo)體(超)耐熱鋁合金線不承受張力，其弧垂大小完全由鋼芯線膨脹系數(shù)決定。由于特強(qiáng)鋼芯的線膨脹系數(shù)為11.5×10－6/℃，僅為普通鋼芯鋁絞線 20.0 ×10－6/℃ 的 1/2［1］。因此間隙型導(dǎo)線有著優(yōu)異低弧特性。導(dǎo)體耐熱鋁合金線可采用 AT1、AT3兩種材料。普通耐熱鋁合金線AT1的導(dǎo)電率為60%IACS，允許長(zhǎng)期運(yùn)行溫度為150℃，短期運(yùn)行溫度180℃;超耐熱鋁合金線AT3的導(dǎo)電率為60%IACS，允許長(zhǎng)期運(yùn)行溫度為210℃，短期運(yùn)行溫度240℃。因此間隙型導(dǎo)線有優(yōu)異的增容特性。

間隙型增容導(dǎo)線的優(yōu)異特性，是利用其間隙結(jié)構(gòu)和(超)耐熱鋁合金線的組合與創(chuàng)新施工工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)增容1.6～2.0倍而不增加導(dǎo)線弧垂。

1 張力弧垂計(jì)算

1.1 原理分析

高壓架空線路是以桿塔為支撐物將導(dǎo)線懸掛起來的。受外界溫度變化影響，導(dǎo)線會(huì)發(fā)生熱脹冷縮;而導(dǎo)線上的荷載的變化，將引起導(dǎo)線的彈性變形。這兩種現(xiàn)象的結(jié)果，均使導(dǎo)線的長(zhǎng)度發(fā)生變化。在檔距一定時(shí)，導(dǎo)線長(zhǎng)度即使發(fā)生微小變化，也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線張力和弧垂產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

間隙型增容導(dǎo)線的張力弧垂計(jì)算與普通鋼芯鋁絞線(ACSR)有所區(qū)別。當(dāng)導(dǎo)線的溫度低于緊線溫度時(shí)，導(dǎo)線的機(jī)械荷載由導(dǎo)線的鋼芯以及鋁線共同承擔(dān)。導(dǎo)線張力弧垂計(jì)算等同于鋼芯鋁絞線。但是，當(dāng)導(dǎo)線溫度高于緊線溫度時(shí)，導(dǎo)線的機(jī)械荷載由鋼芯承擔(dān)。導(dǎo)線張力弧垂計(jì)算時(shí)只考慮鋼芯的參數(shù)，而對(duì)鋁臺(tái)金的參數(shù)則不予考慮［2］。

對(duì)于間隙型導(dǎo)線的張力和弧垂計(jì)算，由于涉及到低于緊線溫度和高于緊線溫度兩個(gè)溫度區(qū)的張力承載部分的不同，因此，必須把兩個(gè)溫度區(qū)分開，分別進(jìn)行計(jì)算。

1.2 間隙型導(dǎo)線張力弧垂計(jì)算

1.2.1 高于緊線溫度時(shí)張力和弧垂的計(jì)算

間隙型增容導(dǎo)線計(jì)算時(shí)，由于間隙導(dǎo)線施工工藝有別于常規(guī)導(dǎo)線，因此，要得到緊線溫度以上的張力弧垂，需要先計(jì)算出緊線時(shí)的張力。

根據(jù)最惡劣的條件和最大張力，求出最惡劣條件下的荷載系數(shù)q1，即:

式中，W為導(dǎo)線單位重量(kg/km);Ww為導(dǎo)線的風(fēng)荷載(N/m);W1為導(dǎo)線的覆冰荷載(N/m);Ws為導(dǎo)線的綜合荷載(N/m)。導(dǎo)線的風(fēng)荷載，可按下式計(jì)算:

式中，a為風(fēng)壓不均勻系數(shù);C為風(fēng)載體型系數(shù)，當(dāng)導(dǎo)線直徑 ＜17 mm，C=1.2，當(dāng)導(dǎo)線直徑≥17 mm時(shí)，C=1.1;D為導(dǎo)線的直徑(mm);k為導(dǎo)線的覆冰厚度(mm)。導(dǎo)線的覆冰荷載，可按下式計(jì)算:

式中，g為重力加速度，取9.8 m/s2。

導(dǎo)線的覆冰荷載Ws，可按下式計(jì)算:

同理按式(1)求出緊線條件下的荷載系數(shù)qc。

導(dǎo)線的最惡劣條件下的應(yīng)力f1，可按下式計(jì)算:

式中，A為導(dǎo)線面積(mm2);Tmax為導(dǎo)線最惡劣條件下的張力(kgf)。

按懸掛點(diǎn)等高的情況，導(dǎo)線的長(zhǎng)度可以采用懸鏈線的近似公式:

式中，S為代表檔距(mm);T為導(dǎo)線張力(kgf)。

最惡劣的條件下的導(dǎo)線長(zhǎng)度Lmax計(jì)算如下:

計(jì)算條件下的導(dǎo)線長(zhǎng)度Lc計(jì)算如下:

根據(jù)導(dǎo)線初始長(zhǎng)度不變的原則，假設(shè)導(dǎo)線在最惡劣的條件下最大張力為Tmax，導(dǎo)線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)max，導(dǎo)線在緊線的條件下最大張力為Tc，導(dǎo)線的伸長(zhǎng)量為ΔLc，最惡劣條件下的Lmax在成為緊線條件下的Lc，長(zhǎng)度的差別是由于彈性模量和熱膨脹系數(shù)。則在最惡劣的條件下的導(dǎo)線與在緊線溫度狀態(tài)下的導(dǎo)線有如下關(guān)系:

根據(jù)線長(zhǎng)及伸長(zhǎng)量的計(jì)算方法，展開式(9)，可推出式(10):

式中，fc為導(dǎo)線緊線溫度時(shí)的應(yīng)力(N/mm2);tm、tc分別為導(dǎo)線最惡劣條件的溫度和緊線溫度時(shí)的溫度(℃);E為導(dǎo)線的彈性模量(N/mm2);α為導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)(1/℃)。將式(10)化簡(jiǎn)為:

其中:

該方程式類同于普通導(dǎo)線的狀態(tài)方程式，可以采用牛頓近似迭代法編程求得fc。

同理，將已知的緊線溫度和應(yīng)力作為已知條件，根據(jù)式(11)，當(dāng)導(dǎo)線溫度高于緊線溫度時(shí)，采用導(dǎo)線的鋼芯線膨脹系數(shù)和彈性模量進(jìn)行參數(shù)代入求解，可以得出各個(gè)溫度條件下的導(dǎo)線的應(yīng)力。

導(dǎo)線的張力，可按下式計(jì)算:

式中，A為導(dǎo)線的截面積(mm2);f為導(dǎo)線的應(yīng)力(N/mm2)。

根據(jù)導(dǎo)線懸鏈線公式，導(dǎo)線的弧垂計(jì)算如下:

1.2.2 低于緊線溫度的張力和弧垂的計(jì)算

普通鋼芯鋁絞線的張力弧垂計(jì)算也是基于導(dǎo)線的變化伸長(zhǎng)量相等的原則，導(dǎo)線的機(jī)械荷載由導(dǎo)線的鋼芯以及鋁線共同承擔(dān)。當(dāng)氣象條件變化時(shí)，導(dǎo)線張力和弧垂也隨之發(fā)生變化。但已知某一氣象條件下的導(dǎo)線張力、比載、氣溫以及待求張力氣象條件下的比載和溫度時(shí)，考慮到導(dǎo)線的彈性伸長(zhǎng)以及溫度伸長(zhǎng)，并利用兩種氣象條件狀態(tài)下的檔距內(nèi)原始導(dǎo)線長(zhǎng)度不變的原則，便可列出導(dǎo)線的狀態(tài)方程?？筛鶕?jù)式(11)和式(16)求出低于緊線以下導(dǎo)線的張力和弧垂。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程簡(jiǎn)介

山西省平定縣陽(yáng)光電廠—紅衛(wèi)變Ⅰ、Ⅱ回改造工程，原設(shè)計(jì)導(dǎo)線為2×LGJ-300/25，安全系數(shù)2.5，無法滿足最大輸送容量為700 MVA，導(dǎo)線載流量為1837A(環(huán)境溫度40℃)的需求，即單根導(dǎo)線需求920A的載流量，交叉跨越多且鐵塔更換費(fèi)用太高。因此經(jīng)比較，選用了江蘇中天科技股份有限公司的間隙型增容導(dǎo)線JNRLH1S/EST-300/25。技術(shù)參數(shù)比較見表1。

表1 導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)比較

該工程用于山西省平定縣，其線路計(jì)算氣象條件見表2。

表2 工程氣象條件

2.2 計(jì)算分析

按照以上氣象條件，導(dǎo)線的安全系數(shù)取2.5，以代表檔距300 m為例進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)間隙型增容導(dǎo)線張力弧垂計(jì)算理論，采用計(jì)算機(jī)編程，并給出高于緊線溫度、滿足載流量需求的溫度對(duì)應(yīng)的張力弧垂，及極限載流量所對(duì)溫度的張力弧垂，其載流量的計(jì)算條件為:風(fēng)速0.5 m/s;環(huán)境溫度40℃;日照強(qiáng)度為0.1 W/cm2;表面吸收系數(shù)為0.9;導(dǎo)線載流量、張力、弧垂與溫度的關(guān)系如表3。

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，在緊線溫度以下，間隙型增容導(dǎo)線的弧垂與同截面普通鋼芯鋁絞線的弧垂相當(dāng)。導(dǎo)線溫度每升高10℃，弧垂增幅為0.35～0.38 m;在緊線溫度以上，導(dǎo)線溫度每升高10℃，弧垂增幅為0.13～0.14 m?？梢娫诰o線溫度以上時(shí)，間隙型增容導(dǎo)線的弧垂增量?jī)H為同截面普通鋼芯鋁絞線的1/2。

按鋼芯和導(dǎo)電鋁基體的耐熱特性的原則，普通鋼芯鋁絞線的最高運(yùn)行溫度被確認(rèn)為70℃或80℃，最高為90℃;而間隙型增容導(dǎo)線的最高運(yùn)行溫度為150℃或210℃。從表3看出，間隙型增容導(dǎo)線在運(yùn)行溫度為150℃時(shí)，其載流量是同截面普通鋼芯鋁絞線70℃時(shí)的2倍。

利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)圖表的原理，繪出間隙型增容導(dǎo)線與同截面普通鋼芯鋁絞線的載流量與溫度的關(guān)系比較圖2，和弧垂與溫度的關(guān)系比較圖3。

表3 間隙型增容導(dǎo)線的載流量、張力、弧垂與溫度的關(guān)系及與原導(dǎo)線的比較

圖2 載流量與溫度的變化關(guān)系

圖3 弧垂與溫度的變化關(guān)系

從圖2中可以看出，隨著導(dǎo)線溫度的升高，間隙型增容導(dǎo)線的載流量是同截面普通鋼芯鋁絞線(70℃)的2倍。從圖3中可以看出，隨著導(dǎo)線溫度的升高，間隙型增容導(dǎo)線的弧垂比同截面普通鋼芯鋁絞線的弧垂的變化平緩。在緊線溫度以下時(shí)，間隙型增容導(dǎo)線的弧垂等同于同截面普通鋼芯鋁絞線;在緊線溫度以上時(shí)，間隙型增容導(dǎo)線的溫度弧垂曲線斜率僅為同截面普通鋼芯鋁絞線的1/2;當(dāng)溫度升高到150℃時(shí)，間隙型增容導(dǎo)線的弧垂與同截面普通鋼芯鋁絞線在70℃時(shí)的弧垂相當(dāng);即間隙型增容導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)為同截面普通鋼芯鋁絞線的一半。事實(shí)證明，間隙型增容導(dǎo)線在緊線溫度以上時(shí)，導(dǎo)線的張力全部轉(zhuǎn)移到鋼芯上，實(shí)現(xiàn)了鋁部張力轉(zhuǎn)移。

3 結(jié)束語(yǔ)

間隙型增容導(dǎo)線的特點(diǎn)主要是鋼芯和(超)耐熱合金層之間有一定的間隙，而(超)耐熱鋁合金和“間隙結(jié)構(gòu)”的結(jié)合，再通過創(chuàng)新的施工工藝實(shí)現(xiàn)了低弧垂增容。在輸電線路進(jìn)行增容改造時(shí)只要簡(jiǎn)單地更換導(dǎo)線，就能實(shí)現(xiàn)1.6～2.0倍的輸送容量而不增加弧垂。這為我國(guó)輸電線路的改造又提供了一種方案。

［1］尤傳永.增容導(dǎo)線在架空輸電線路上的應(yīng)用研究［J］.電力建設(shè).2006，10(7):1-7.

［2］張穎璐.倍容量導(dǎo)線的張力弧垂特性分析計(jì)算［J］.電力建設(shè).2006，27(9):7-9.