架空输电导线的前世今生

时间(2019-4-12)  来源:国家电网报(英大网)  编辑:    浏览(2304)

  核心提示 导线是架空输电线路的核心部件之一。自问世以来,输电导线已走过100余年的发展之路。导线经历了哪些变化,未来又将应用什么新材料、实现什么新功能?本文将带你了解这个输送光明“幕后英雄”的历史、现状和发展趋势。


  导线的诞生:从铜绞线到钢芯铝绞线
  19世纪七八十年代,直流输电技术和交流输电技术相继问世。1875年,法国巴黎建成世界上第一座火力发电站,为附近地区照明供电。1882年9月,爱迪生在美国纽约主持建立了世界上第一个完整直流电力系统。19世纪90年代,三相交流输电系统研制成功,并很快成为主流输电形式。这也成为电力系统发展的里程碑。
  输电导线伴随输电技术而生,导线通常由多股导体绞制而成,也称绞线。诞生之初,导线以铜和铜合金作为导体。当时,英国11千伏架空线路的铜绞线有16平方毫米和32平方毫米两种规格,有裸铜绞线和绝缘铜绞线两种形式。
  铜和铝均可用作导线的导体材料。相对而言,铜的导电性能更好。然而,铜资源的稀缺决定了铜价会大大高于铝价。铝的导电性能虽不如铜,但密度低且铝资源储量丰富,价格相对便宜,用作架空输电导线具有明显的经济优势。
  因此,出于经济性考虑,人们采用了成本更低的铝代替铜用作输电导体,有时甚至直接用钢绞线作为导线。为提高导线的拉断力,采用钢绞线作为加强芯,与铝线绞合而成,即钢芯铝绞线。1919年,美国田纳西州诺克斯维尔电力公司1条150千伏输电线路采用铝截面积为253平方毫米的钢芯铝绞线。作为最常见的导线,钢芯铝绞线使用至今已长达一个世纪了。


  导线的发展:铝线合金化提高导线强度和使用温度
  导电率是导线的一项关键指标。国际电工委员会规定了电工硬铝线的导电率为61%IACS(国际退火铜标准)。
  进一步提高导电性能有两种途径:一是对硬铝线进行完全退火处理形成软铝线,使导电率达到63%IACS,但强度显著降低;二是采用高纯度铝锭作为原材料。目前国内可批量生产62.5%IACS的高导电率铝线。
  铝的强度相对较低,对铝进行合金化处理可以获得更高的强度。20世纪二三十年代,欧美等国开始进行铝合金导线的研究,在铝液中添加镁后形成强化相硅化镁,热处理后铝-镁-硅合金线强度得到较大提高,但导电性能较硬铝有所降低。瑞典等国的铝合金线形成了较为完善的系列。20世纪80年代,我国开发了两种高强度铝合金线,近年来又开发了两种中强度铝合金线。
  电工硬铝线的长期使用温度不应超过90摄氏度,铝线合金化的另一个方向是提高导线的使用温度。日本自20世纪六七十年代就开始进行耐张铝合金导线的研究,通过添加锆等合金提高铝线的再结晶温度,使导线在较高温度下长期运行。特耐热铝合金线最高使用温度可达到200摄氏度以上。
  钢芯铝合金绞线拉断力较高,适用于重冰区线路和大跨越线路。钢芯铝绞线的钢芯主要起强度增强作用,常见的加强芯有镀锌钢线和铝包钢线两种,其强度也在不断提升。目前钢线的最大抗拉强度可达1960兆帕。此外,还有复合材料加强芯,如碳纤维复合芯,发挥复合材料强度高、质量轻、线膨胀系数小的特点,和软铝导线组合实现增容的效果。
  我国稀土资源丰富。有学者在研究中发现,铝锭重熔后加稀土可以降低铝固溶体中硅的含量。这为降低铝的电阻率开辟了途径。黄崇祺院士是有色金属及其合金压力加工专家,主要从事电工导电材料及其裸电线的研究、开发和应用工作。20世纪80年代,他带领团队开展了稀土优化综合处理铝导体的研究,用稀土优化、硼化处理和控铁综合处理的技术提升了国产电工铝的导电性能,使导电率提高了1个百分点,达到国际先进水平。该成果也获得了国家科技进步二等奖。


  新型导线的开发:适应输电线路建设新需求
  传统的钢芯铝绞线技术非常成熟,但受材料、工艺等因素的制约,电气和力学性能难以进一步提高。为适应输电线路建设的新需求,一些新型导线被开发并得到应用。
  节能型导线——
  钢芯高导电率铝绞线:由镀锌钢线和高导电率铝线绞制而成,其中量产的高导电率铝线的导电率可达62.5%IACS,电阻低于同规格的钢芯铝绞线。
  高导电率铝合金芯高导电率铝绞线:由导电率不低于55%IACS的铝合金线和高导电率铝线绞制而成,电阻低于同规格的铝合金芯铝绞线。
  增容型导线——
  增容型导线按导体不同可分为软铝导线和耐热导线两大类,两种导体与不同的加强芯组合可以得到不同类型的增容型导线。
  钢芯软铝绞线:由镀锌钢线和软铝线绞制而成,钢芯软铝绞线的长期允许运行温度可达200摄氏度以上,其载流量可达同截面钢芯铝绞线的2倍以上,弧垂也有较大程度增加。
  耐热导线:耐热导线按使用温度可分为普通耐热、超耐热和特耐热三种类型,长期允许运行温度分别为150摄氏度、210摄氏度和230摄氏度。
  碳纤维复合芯软铝绞线:由碳纤维复合芯与软铝线绞制而成,可以在较高的温度下运行。高温下,导线张力基本上由复合芯承担,其弧垂增量较小,具有良好的低弧垂性能。碳纤维复合芯又分为棒式和绞合式两种。
  铝基陶瓷纤维芯超耐热铝合金绞线:该导线由铝基陶瓷纤维线和耐热铝合金线绞制而成,长期运行温度可达210摄氏度。复合芯由多根复合单线平行紧密排列构成,复合纤维芯和耐热铝合金单线共同承担载流和机械负荷作用。
  特殊功能导线——
  导线在特定的条件下还需具备附加的特殊功能,以达到延长使用寿命、降低线路投资的目的。
  耐腐蚀导线:导线绞制时在线股之间填充防腐油脂,保护钢芯及导体,也可用铝包钢芯、铝合金芯等耐腐蚀能力较强的材料代替钢芯,适用于沿海地区和有腐蚀性气体的区域。
  低风压导线:通过改变导线截面形状,使导线表面形成凹槽或凸起,从而使其在大风时处在超临界状态,实现降低阻力系数的效果。低风压导线适用于大风、狂风和台风多发区。
  自阻尼导线:通常采用间隙型结构钢芯铝(合金)绞线,钢芯与铝线非紧密绞合,之间存在一定间隙,多层铝线之间也可有间隙。由于间隙的存在,导线在微风振动时线股之间产生碰撞,消耗大量能量,使微风振动强度显著降低。
  开发新型导线以提高输送容量、降低线路损耗、节省线路综合投资,是适应电网高质量发展的内在要求。未来,导线技术会朝着以下几个方向发展:变化材料和工艺,使导体综合性能较现有更优,实现导体材料导电性能和抗拉强度更好的匹配;采用强度高、线膨胀系数低的材料制造加强芯,提升加强芯的力学性能;将先进的信息传感技术应用于导线,在导线上嵌入传感材料,达到导线状态的自动感知,实现智能化。
  进入21世纪以来,以石墨烯为代表的新材料技术发展方兴未艾。这为导线技术的发展提供了广阔的空间。可以预见,在不久的将来,性能更优的导线定会走进人们的视野。

转载自 国家电网报(英大网)作者 中国电科院 刘胜春

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