应力转移型导线在南方电网中的应用
顾炎1 李军2 施海峰1
1. 江苏通光强能输电线科技有线公司 江苏海门 226100
2. 湛江雷能电力设计院有限公司 广东湛江 524033
摘要:对应力转移型导线做一个简单的叙述,本文介绍了该导线在广东电网湛江供电公司35kV线路增容改造中的应用、广东电网珠海供电局110kV线路增容改造中的应用以及南方电网超高压局500kV天贵(安八)线增容改造工程中的应用。至线路投运以来,在抗台风、抗腐蚀、抗覆冰等恶劣条件下,都运行良好,达到了工程预期设计的效果。
关键词:应力转移;增容导线;抗覆冰;耐腐蚀、抗台风
1、前言
近年来,我国电力工业的迅速发展,随着国家电网公司开始大规模推广“两型三新(资源节约型、环境友好型、新技术、新材料、新工艺)”线路的建设,为满足不断增长的用电需求,各地区积极开展新的输电线路建设工作以及老旧线路增容改造项目也日益增多,随之出现了多种新型节能增容导线,应力转移 型导线就是其中一种。该线种至2008年投运生产以来,已在国内各个地区、各种运行条件下、各个电压等级70余条线路中得到了应用。
中国南方电网公司管辖的几个省份地理位置都比较特殊,地理特点的多山、靠海、夏季多台风等特点,对导线运行及施工都比较苛刻。应力转移型导线已在广东、贵州多个工程中得到了应用,至今运行良好。
本文对应力转移型导线在该地区的应用作初步总结。
2、应力转移型导线的定义及主要特性
应力转移型导线是我国自主研发,具有自主知识产权的一种节能型增容导线,更是一种资源节约型导线。所谓“应力转移型导线”是由铝线和钢芯构成并经应力转移处理的组合导线。它在制造时预先把应由铝线承担的应力,部分或全部转移给钢芯,在导线架设使用状态下,钢芯便承担大部分或全部应力。其结果是降低了导线在运行时候的综合热膨胀系数,改善了导线机械力学性能与弧垂特性,文中所指的“应力转移型导线”为“应力转移型特强钢芯软铝型线绞线”。
应力转移型导线的应力转移是在导线的制造过程中,采用特殊的专有设备完成应力转移的,它保证导线的每一米的转移量的均匀一致,其转移量的大小也是可控的。
应力转移型导线的主要特性:
1)、输电时节能:因铝导体导电率(≥62.5%IACS)较高的缘故,比常用钢芯铝绞线(导电率61%IACS)提高1.5%IACS以上,因此在输电时节能。
2)、用于老旧线路改造时: 在无需改造线路和杆塔的情况下,可输送50%~100%容量,可节约线路改造时的材料和其它相关费用。
3)、新建线路时可节约土地:如需建设2条线路时,可简化成1条线路,节约1条线路,节约投资;建设时便可蕴藏着输送更大容量的可能。
4)、架设施工时,十分简便;虽然导线在制造时其铝部已经使全部或大部分的应力已经转移至钢芯,只要在导线的端部给予简单的夹持,钢芯与铝线间便不会移动,保持着力学分布状态;其后的架设施工过程与钢芯铝绞线相近,配套金具也能成套提供。
5)、长寿命:导线采用SZ型结构,结构十分紧凑,具有良好的抗腐蚀及抗振性能,大大延长了导线的使用寿命,全周期寿命也更长。
6)、优良的性价比:导线材料仍采用性能最稳定、最可靠的钢芯和铝型线,其价格远比其它增容导线便宜得多,其性价比也是最优。
3、应力转移型导线在南方电网中的应用
3.1 35kV雷南线、北和线、硇洲线全线改造工程(广东湛江)
该3条线路均投运于1981年,运行时间已达35年,拉线及拉线金具、砼杆铁附件出现严重腐蚀,考虑到35kV雷南线、35kV北和线在雷州电网中的重要程度;35kV硇洲线在东海岛电网中的重要性。随着这些地区建设的快速发展带动电力负荷增加很多,满足更换导线在原杆塔上进行,即要能提高线路的输送容量,又要保证原杆塔能继续使用。
经过论证,3条线路均采用应力转移型特强钢芯软铝型线绞线,在不更换杆塔的前提下,输送容量为原线路钢芯铝绞线的170%以上。参数对比表见表1 。
该工程于2017年1月投入运行以来,至今运行良好,达到了设计时的增容要求,抗腐蚀、抗台风效果明显。
表1 钢芯铝绞线与应力转移型导线的主要性能对比表
线路名称 |
35kV雷南线 |
35kV北和线 |
35kV硇洲线 |
||||||
型 号 |
单位 |
LGJ-70/40 |
AF(S)+S4A-70+15 |
LGJ-95/55 |
AF(S)+S4A-95+20 |
LGJ-150/25 |
AF(SO)+S4A-150+25 |
||
名 称 |
钢芯铝绞线 |
应力转移型特强钢芯软铝型线绞线 (节能型增容导线) |
钢芯铝绞线 |
应力转移型特强钢芯软铝型线绞线 (节能型增容导线) |
钢芯铝绞线 |
应力转移型特强钢芯软铝型线绞线 (节能型增容导线) |
|||
标称截面积 |
69.73/40.67 |
70+15 |
96.51/56.30 |
95+20 |
148.86/24.25 |
150+25 |
|||
结构 |
钢线 |
根数 |
根 |
7 |
7 |
7 |
7 |
7 |
7 |
直径 |
mm |
2.72 |
1.65 |
3.2 |
1.91 |
2.1 |
2.13 |
||
面积 |
mm2 |
40.67 |
15.00 |
56.3 |
20.00 |
24.25 |
25.00 |
||
铝 |
根数 |
根 |
12 |
— |
12 |
— |
26 |
— |
|
直径 |
mm |
2.72 |
— |
3.2 |
— |
2.7 |
— |
||
面积 |
mm2 |
69.73 |
70 |
96.51 |
95 |
148.86 |
150 |
||
直径 |
mm |
13.6 |
11 |
16.0 |
12.9 |
17.1 |
16.3 |
||
单位长度质量 |
kg/km |
510.2 |
309 |
706.1 |
416.6 |
600.1 |
608.4 |
||
额定抗拉力 |
kN |
58.22 |
31.50 |
77.85 |
42.20 |
53.67 |
55.50 |
||
弹性模量 |
拐点前 |
GPa |
105.00 |
78.80 |
105.00 |
78.40 |
73.90 |
74.20 |
|
拐点后 |
— |
190.00 |
— |
190.00 |
— |
190.00 |
|||
室温至150℃ |
— |
190.00 |
— |
190.00 |
— |
190.00 |
|||
导线热胀系数 |
拐点前 |
*10-6/℃ |
15.3 |
16 |
15.3 |
15.5 |
18.9 |
15.5 |
|
拐点后 |
— |
11.5 |
— |
11.5 |
— |
11.5 |
|||
室温至150℃ |
— |
12 |
— |
12.0 |
— |
12.0 |
|||
直流电阻20℃ |
Ω/km |
0.4141 |
0.4013 |
0.2992 |
0.2963 |
0.194 |
0.1885 |
||
拉力单重比 |
km |
11.6 |
10.4 |
11.3 |
10.3 |
9.1 |
9.3 |
||
导线面积 |
mm2 |
110.4 |
85.00 |
152.81 |
115.00 |
173.11 |
175.00 |
||
铝钢截面比 |
1.71 |
4.67 |
1.71 |
4.75 |
6.14 |
6.00 |
|||
钢比 |
58 |
21 |
58 |
21 |
16 |
17 |
|||
最高工作温度 |
℃ |
80 |
150 |
80 |
150 |
80 |
150 |
||
环境温度 |
℃ |
40 |
40 |
40 |
40 |
40 |
40 |
||
导线载流量 |
计算条件 |
风速:0.5m/s; 环境温度:40℃;日照强度:1000W/m2; 表面吸收系数:0.9;辐射系数:0.9; |
|||||||
导线运行温度(℃) |
70 |
A |
210(100%) |
205(98%) |
257(100%) |
247(96%) |
328(100%) |
328(100%) |
|
80 |
A |
255(121%) |
247(118%) |
313(122%) |
299(116%) |
402(123%) |
400(122%) |
||
90 |
A |
— |
280(133%) |
340(132%) |
458(140%) |
||||
100 |
A |
— |
309(147%) |
375(150%) |
507(155%) |
||||
110 |
A |
— |
334(159%) |
406(158%) |
550(168%) |
||||
120 |
A |
— |
356(170%) |
434(169%) |
588(179%) |
||||
130 |
A |
— |
376(179%) |
459(179%) |
623(190%) |
||||
140 |
A |
— |
394(188%) |
482(188%) |
655(200%) |
||||
150 |
A |
— |
411(196%) |
503(196%) |
684(209%) |
注:载流量数字()里数值是以钢芯铝绞线70℃时的比值。
从表1可以看出:
——应力转移型导线与相同铝截面的钢芯铝绞线相比,直径更小,可以使导线减少覆冰和风载,较小的直径和平滑的外表面能减少空气动力系数,降低微风振动和舞动的危害,抗风效果明显。
——应力转移型导线在拐点后的弹性模量大于钢芯铝绞线,而线膨胀系数小于钢芯铝绞线。
——在70℃时,应力转移型导线的载流量与钢芯铝绞线的载流量相当。
——在100℃时,应力转移型导线的载流量接近或大于钢芯铝绞线的150%。
——在120℃时,应力转移型导线的载流量接近或大于钢芯铝绞线的170%。
——应力转移型导线的拐点提前至60℃、50℃、40℃、甚至更低,故在高温下的导线弧垂仍满足线路安全运行要求。
3.2 110kV大北甲乙线改造工程(广东珠海)
本工程为老线路改造工程,原线路采用钢芯铝绞线LGJ-185/30 双分裂、双回路形式。由于该地区是台风重灾区,曾经出现过倒塔现象,对电网的运行承受巨大的损失。
经论证,采用应力转移型导线AF(S)+S4A-95+20 双分裂、双回路形式。即能达到了原线路2×LGJ-185/30输送容量的要求,也能减小对杆塔的影响。两者导线参数性能见表2.
表2 钢芯铝绞线与应力转移型导线的主要性能对比表
型 号 |
单位 |
LGJ-185/30 |
AF(S)+S4A-95+20 |
||
名 称 |
钢芯铝绞线 |
应力转移型特强钢芯软铝型线绞线 (节能型增容导线) |
|||
标称截面积 |
181.34/29.59 |
95+20 |
|||
结构 |
钢线 |
根数 |
根 |
7 |
7 |
直径 |
mm |
2.32 |
1.91 |
||
面积 |
mm2 |
29.59 |
20.00 |
||
铝 |
根数 |
根 |
26 |
— |
|
直径 |
mm |
2.96 |
— |
||
面积 |
mm2 |
181.34 |
95.00 |
||
直径 |
mm |
18.88 |
12.9 |
||
单位长度质量 |
kg/km |
732.6 |
416.6 |
||
额定抗拉力 |
kN |
64.32 |
42.20 |
||
弹性模量 |
拐点前 |
GPa |
76 |
78.40 |
|
拐点后 |
— |
190.00 |
|||
室温至150℃ |
— |
190.00 |
|||
导线热胀系数 |
拐点前 |
*10-6/℃ |
18.9 |
15.5 |
|
拐点后 |
— |
11.5 |
|||
室温至150℃ |
— |
12.0 |
|||
直流电阻20℃ |
Ω/km |
0.1592 |
0.2963 |
||
拉力单重比 |
km |
9.0 |
10.3 |
||
导线面积 |
mm2 |
210.93 |
115.00 |
||
铝钢截面比 |
6.13 |
4.75 |
|||
钢比 |
16 |
21 |
|||
最高工作温度 |
℃ |
80 |
150 |
||
环境温度 |
℃ |
40 |
40 |
||
导线载流量 |
计算条件 |
风速:0.5m/s; 环境温度:40℃;日照强度:1000W/m2; 表面吸收系数:0.9;辐射系数:0.9; |
|||
导线运行温度(℃) |
70 |
A |
370(100%) |
247(67%) |
|
80 |
A |
457(124%) |
299(81%) |
||
90 |
A |
— |
340(92%) |
||
100 |
A |
— |
375(101%) |
||
110 |
A |
— |
406(110%) |
||
120 |
A |
— |
434(117%) |
||
130 |
A |
— |
459(124%) |
||
140 |
A |
— |
482(130%) |
||
150 |
A |
— |
503(136%) |
注:载流量数字()里数值是以钢芯铝绞线70℃时的比值。
从表2可以看出:
——应力转移型导线的外径比钢芯铝绞线的外径减小约32%,相对于风载也相应减小约32%。减小了水平风荷载,降低导线的舞动的发生,从而减小了风对杆塔的影响。
——应力转移型导线重量比钢芯铝绞线重量轻约43%,相应减小了导线对杆塔的垂直荷重。也能减小导线对杆塔的影响。
——导线运行温度在100℃时,应力转移型导线的载流量等同于钢芯铝绞线的载流量。
——导线运行温度在130℃时,应力转移型导线的载流量大于钢芯铝绞线载流量的120%。
该工程运行半年,经历过台风的考验,对杆塔的影响不大,达到了设计的效果。
3.3 500kV天贵(安八)线路增容改造工程 (贵州)
该工程为改造工程,原线路采用4×LGJ-300/40,导线70℃时,载流量为4×500A,设计要求输送容量为4×1000A,即增容100%。
该工程使用环境条件:最高环境温度40℃;最低环境温度-10℃;年平均气温10℃;最大温度差为20℃;海拔高度<2000m;覆冰厚度10~20mm;最大降水量为2400mm(年)。
经论证,采用应力转移型导线AF(SZ)+S4A-300+40替代原线路LGJ-300/40,在不更换杆塔的前提下,只更换原有导线和配套金具。输送容量可以达到原钢芯铝绞线LGJ-300/40的200%以上(即倍容要求)。两者导线性能参数对比见表3
表3 LGJ-300/40与AF(SZ)+S4A-300+40主要性能参数对比表
型 号 |
单位 |
LGJ-300/40 |
AF(SZ)+S4A-300+40 |
||
名 称 |
钢芯铝绞线 |
应力转移型特强钢芯软铝型线绞线 (节能型增容导线) |
|||
标称截面积 |
300.09/38.90 |
300+40 |
|||
结构 |
钢线 |
根数 |
根 |
7 |
7 |
直径 |
mm |
2.66 |
2.70 |
||
面积 |
mm2 |
38.9 |
40.00 |
||
铝 |
根数 |
根 |
24 |
— |
|
直径 |
mm |
3.99 |
— |
||
面积 |
mm2 |
300.09 |
300 |
||
直径 |
mm |
23.9 |
22.0 |
||
单位长度质量 |
kg/km |
1131.0 |
1138.7 |
||
额定抗拉力 |
kN |
92.36 |
94.30 |
||
弹性模量 |
拐点前 |
GPa |
73.00 |
70.80 |
|
拐点后 |
— |
190.00 |
|||
室温至150℃ |
— |
190.00 |
|||
导线热胀系数 |
拐点前 |
*10-6/℃ |
19.6 |
15.5 |
|
拐点后 |
— |
11.5 |
|||
室温至150℃ |
— |
12.3 |
|||
直流电阻20℃ |
Ω/km |
0.0961 |
0.0942 |
||
拉力单重比 |
km |
8.3 |
8.5 |
||
导线面积 |
mm2 |
338.99 |
340.00 |
||
铝钢截面比 |
7.71 |
7.50 |
|||
钢比 |
13 |
13 |
|||
最高工作温度 |
℃ |
80 |
150 |
||
环境温度 |
℃ |
40 |
40 |
||
导线载流量 |
计算条件 |
风速:0.5m/s; 环境温度:40℃;日照强度:1000W/m2; 表面吸收系数:0.9;辐射系数:0.9; |
|||
导线运行温度(℃) |
70 |
A |
503(100%) |
498(99%) |
|
80 |
A |
628(125%) |
614(122%) |
||
90 |
A |
— |
707(141%) |
||
100 |
A |
— |
786(156%) |
||
110 |
A |
— |
855(170%) |
||
120 |
A |
— |
916(182%) |
||
130 |
A |
— |
973(193%) |
||
140 |
A |
— |
1024(204%) |
||
150 |
A |
— |
1072(213%) |
注:载流量数字()里数值是以钢芯铝绞线70℃时的比值。
从表3可以看出:
——应力转移型导线外径比同规格的钢芯铝绞线外径小,其风载系数也相应减小,同时型线导线具有良好的耐腐蚀性能、良好的自阻尼性能、低覆冰雪的能力等优点。
——应力转移型导线的机械性能与钢芯铝绞线相似,故不需要更换杆塔直接对其进行换线即可。
——导线运行至120℃时,应力转移型导线的载流量大于钢芯铝绞线的180%;
——导线运行至140℃时,应力转移型导线的载流量大于钢芯铝绞线的200%。
——应力转移型导线拐点至40℃、30℃至室温,在输送容量达到倍容的时候,弧垂仍小于LGJ-300/40在70℃时的弧垂值。
该线路至2012年7月成功投运以来,已经渡过了多个夏季用电负荷高峰期,并且安全的渡过了冬季的覆冰期。至今线路运行安全。
并于2013年6月由南方电网公司在变电站内大电流装置对该工程使用的应力转移型导线进行了4000A大电流现场试验,该数值是原设计线路的最大载流量的2倍。在线监测结果表明:应力转移型导线的弧垂、温度等所有参数均满足安全运行和倍容设计的要求。
4、应力转移型导线配套金具与施工注意点
4.1、配套金具
与应力转移型导线配套金具主要有耐张线夹、悬垂线夹、预绞丝式防震锤、中间接续管等。以下是配套金具的示意图。
因为应力转移型导线允许使用温度为150℃,因此用于应力转移型导线配套的金具必须具有耐热150℃以上,并且在此高温下金具的力学性能不降低。
耐张线夹与中间接续管采用液压型结构,除具有耐高温性能外,其尺寸与普通液压型金具相比要加长、加厚。保证与导线之间有足够的拉力,并降低与导线接续处的电阻与温度。
应力转移型导线导体采用的是软铝易擦伤,因此悬垂线夹宜采用预绞丝式对其导体进行保护,并含有耐热橡胶衬垫(需耐热150℃及以上)。
应力转移型导线导体采用型线结构,光滑的表面具有良好的自阻尼性。防震锤仍可以参考常规导线即可,因导线的导体是软铝状态,因此在与导线接触处,应采用预绞丝对其进行保护。
4.2 施工注意点
应力转移型导线必须采用张力放线施工法。
应力转移型导线是特高强度钢芯软铝型线绞线,钢芯存在应力,外层使用的是软铝且强度低,与普通钢芯铝绞线相比,施工时应需更加仔细。
A)导线的钢芯存在应力,在生产时对导线的端部应进行有效的压紧、固定,防止应力减少或消失。
B)因导线采用的是软铝结构,且铝线强度低,因此在施工中采用尼龙滑轮,其轮直径应大于φ600mm;放线张力应小于导线10%RTS,放线包络角不应过大(<30°为宜),通过的滑轮次数不应超过16次。
C)导线在牵引放线时,为了防止导线发生扭转,应在牵引绳与导线间应加上合适的退扭器,防止导线牵引放线时发生不规则的扭转。
5、结束语
应力转移型导线使用时既节能又可增容50%~100%,线路仍会十分安全的运行。
应力转移型导线应用在上述3个电压等级中应用,自投运以来,该导线在这些工程中运行良好,各项指标达到了工程设计时的预期要求。
应力转移型导线的施工基本上与常用的钢芯铝绞线相同,也不必增加任何维护费用,方便可靠,运行安全。
应力转移型导线其特有的优点,是当今老旧线路改造时一种优良线种。
参考文献:
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[6]黄豪士.应力转移型特高强度钢芯软型铝导线的特性和应用[A].2010新型架空输电线技术与应用研讨会论文集
作者简介:
顾 炎(1984年-),男,江苏海门人,本科,助理工程师,从事架空导线的结构设计、工艺、制造等方面工作。
李 军 (1979年-),男, 陕西礼泉人,本科,工程师,主要从事高压输电线路设计工作。
施海峰(1981年-)男,江苏海门人,本科,工程师,从事架空导线及应力转移型导线产品的结构设计、工艺、 制造等方面工作。