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自然界环境污染日趋严重，为了减轻大气污染对导线的腐蚀，新型导线层出不穷。20世纪60年代末出现的铝包钢芯铝绞线因其优越的防腐性能和机电性能，在国外高压和超高压输电线路中得到了广泛应用。而在国内，铝包钢芯铝绞线目前主要用于沿海地区和工业空气污染严重地区，仍有较大推广空间。
进入21世纪，国家大力提倡节能减排和使用新能源。为实现可持续发展，建设“效率最大化、资源节约化、环境友好化”的绿色输电线路，国内导线制造行业在传统钢芯铝绞线基础上，通过提高硬铝导电率而研制成功的钢芯高导铝绞线具有相同的机械和物理性能，并能降低导线电阻率约1%～3%，节能效益可观，已试用于诸多线路工程。
将铝包钢线生产技术和高导硬铝线生产技术相结合得到的铝包钢芯高导铝绞线，同时具有优越的防腐性能和更高的节能效果，具有广泛的应用前景。
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传统钢芯铝绞线的承力芯由多股镀锌钢线绞合成。镀锌钢线按强度不同，分为1级～5级等5种。其中1级～3级镀锌钢线分别对应常用的普通、高强度和特高强度镀锌钢线，其技术参数见表1[1]。
表 1 镀锌钢线和铝包钢线技术参数
Table 1.
Technical parameters of zinc-coated steel and aluminum-cald steel 级别 镀锌钢线 铝包钢线 G1A G2A G3A LB14 LB20 LB23 LB27 LB30 LB35 LB40 抗张强度/MPa (≤3.5mm) 1 340～1 290 1 450～1 410 1 620～1 550 1 590～1 550 1 340～1 310 1 220 1 080 880 810 680 抗张强度/MPa (>3.5 mm) 1 290 1 380 1 520～1 500 1 520～1 500 1 270～1 070 1 220 1 080 880 810 680 最小延伸率/ (250 mm) % 3.0～4.0 2.5～3.0 2.0～2.5 1.0* 1.0* 1.0* 1.0* 1.0* 1.0* 1.0* 1%伸长时的应力/MPa (≤3.5 mm) 1 170～1 100 1 310～1 240 1 450～1 380 1 410～1 380 1 200～1 180 980 800 650 590 500 1%伸长时的应力/MPa (>3.5 mm) 1 100 1 170 1 340～1 270 1 340～1 270 1 140～1 000 980 800 650 590 500 20 ℃时电阻率/(nΩ·m) 191.57 191.57 191.57 123.15 84.80 74.96 63.86 57.47 49.26 43.10 导电率/(%IACS) 9 9 9 14 20.3 23 27 30 35 40 20 ℃时标称密度/(g·cm-3) 7.78 7.78 7.78 7.14 6.59 6.27 5.91 5.61 5.15 4.64 最终弹性模量/GPa 190 190 190 170 162 149 140 132 122 109 线膨胀系数/(10-6·℃-1) 11.5 11.5 11.5 12.0 13.0 12.9 13.4 13.8 14.5 15.5 电阻温度系数/℃-1 0.004 55 0.004 55 0.004 55 0.003 4 0.003 6 0.003 6 0.003 6 0.003 8 0.003 9 0.004 0 铝包钢芯铝绞线的承力芯由多股铝包钢线绞合成。铝包钢线按导电率不同，分为LB14、LB20、LB23、LB27、LB30、LB35和LB40等7种，其导电率分别为国际标准退火铜(IACS)的14%、20.3%、23%、27%、30%、35%和40%，其技术参数见表1[2]。
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常规钢芯铝绞线中普通硬铝线LY9的导电率为61.0%IACS[3]，经过特殊制造工艺得到的高导硬铝线L1～L4的导电率可以达到61.5%～63%IACS[4]，其技术参数如表2所示。
表 2 普通硬铝线和高导硬铝线技术参数
Table 2.
Technical parameters of hard-drawn aluminum and high conductivity aluminum 级别 硬铝线 高导硬铝线 LY9 L1 L2 L3 L4 抗张强度/MPa(≤3.5mm) 200～165 200～165 200～165 200～165 200～165 抗张强度/MPa(>3.5mm) 160 160 160 160 160 20 ℃时电阻率/(nΩ·m) 28.264 28.034 27.808 27.586 27.367 导电率/(%IACS) 61 61.5 62.0 62.5 63.0 20 ℃时标称密度/(g·cm-3) 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 最终弹性模量/GPa 55 55 55 55 55 线膨胀系数/(10-6·℃-1) 23.0 23.0 23.0 23.0 23.0 电阻温度系数/℃-1 0.004 03 0.004 07 0.004 10 0.004 13 0.004 15 -
常用型号铝包钢芯铝绞线的铝包钢单丝外径多为2.40～3.50 mm。为使铝包钢芯代替钢芯后导线机械拉力相匹配，一般采用LB20和LB14铝包钢线分别代替G1A级和G2A、G3A级镀锌钢线。按此原则设计的铝包钢芯铝绞线的结构、截面、外径、制造长度与同型号钢芯铝绞线完全相同，并具有以下优点：
1)重量略轻，相同重量长度更长。
2)电阻略小，电能损耗更小。
3)无双金属接触，耐腐蚀性能好，尤其适合在沿海及重污秽地区应用。
4)拉力重量比略大，使导线弧垂更小。
铝包钢线与高导电率铝线相结合可组成铝包钢芯高导铝绞线，在具有上述优点的同时，节能效果更为显著，其结构如图1所示。
图 1 铝包钢芯高导铝绞线结构图
Figure 1. Structure of high conductivity aluminum conductor aluminum-clad steel reinforced cable
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以广东沿海地区(基本风速37 m/s、无覆冰)500 kV输电线路常用钢芯铝绞线JL/G1A-720/50为例，与铝包钢芯铝绞线JL/LB20-720/50进行机械特性比较。
当JL/G1A-720/50或JL/LB20-720/50的铝线采用表2所示节能高导电率铝线时，相应新型节能导线的机械性能与原导线完全相同，故不赘述。
对比导线的参数见表3，对比导线的50 ℃定位弧垂、风偏摇摆角、大风过载能力、线条荷载及按节矩法[5]计算的外层铝股应力和安全系数分别见表4、表5、表6、表7和表8。
表 3 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的参数
Table 3.
Cable JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50's parameters 参数 JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 铝线/股数×单丝直径 45×Φ4.53 mm 45×Φ4.53 mm 钢(铝包钢)线/股数×单丝直径 7×Φ3.02 mm 6×Φ3.02 mm 铝截面/mm2 725.27 725.27 钢截面/mm2 50.14 50.14 总截面/mm2 775.41 775.41 直径/mm 36.24 36.24 单位质量/(kg·km-1) 2 397.7 2 337.0 额定拉断力/kN 171.20 176.21 拉力重量比/km 7.29 7.69 弹性模量/GPa 63.0 61.4 线膨胀系数/(10-6·℃-1) 20.9 21.5 表 4 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的50 ℃弧垂
Table 4.
Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50's sag in 50 ℃ 50 ℃弧垂/m JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 差值/m 档距l＝代表档距lp＝300 m 7.70 7.57 -0.13(1.6%) l＝lp＝350 m 10.12 9.95 -0.17(1.7%) l＝lp＝400 m 12.90 12.66 -0.24(1.9%) l＝lp＝450 m 16.02 15.69 -0.32(2.0%) l＝lp＝500 m 19.48 19.10 -0.38(1.9%) l＝lp＝550 m 23.32 22.84 -0.48(2.1%) l＝lp＝600 m 27.50 26.89 -0.61(2.2%) l＝lp＝700 m 36.95 36.11 -0.83(2.3%) 表 5 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的风偏摇摆角
Table 5.
Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50's wind angle 摇摆角/(°) JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 工频大风 61.41 62.24 操作过电压 33.02 33.81 雷电过电压 18.59 19.10 带电作业 8.44 8.68 表 6 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的大风过载能力
Table 6.
Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50's wind overload capacity 大风过载能力/(m·s-1) JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 代表档距lp＝300 m 73.67 75.19 lp ＝350 m 70.67 71.97 lp ＝400 m 68.49 69.62 lp ＝450 m 66.87 67.87 lp ＝500 m 65.64 66.52 lp ＝550 m 64.68 65.47 lp ＝600 m 63.92 64.63 lp ＝700 m 62.81 63.41 表 7 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的线条荷载
Table 7.
Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50's load 线条荷载 JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 水平荷载/(N·m-1) 29.748 (100%) 29.748 (100%) 垂直荷载/(N·m-1) 23.513 (100%) 22.918 (97.5%) 纵向最大使用张力/kN 65.056 (100%) 65.056 (100%) 表 8 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的外层铝股应力
Table 8.
Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50's outer layer aluminum strand's stress 外层铝股 JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 所在层数 3 3 应力σa/MPa 46.96 48.19 破断应力/MPa 160 160 安全系数 3.41 3.32 疲劳极限/MPa 63.7 63.7 应力/疲劳极限% 73.7% 75.6% -
表 9 我国常用钢芯铝绞线结构
Table 9.
Common structure of aluminum cable steel reinforced in China 单丝数 钢比/% 导线标称截面 45/7 7 300/20 400/25 500/35 630/45 720/50 800/55 48/7 9 300/25 400/35 500/45 630/55 720/65 800/70 其他* 13 300/401 400/502 500/652 630/803 720/953 800/1003 -
导线的国际标准退火铜导电率Y为[7]：
((1)) ((2)) 式中：ρλ20为绞线20 ℃时的电阻率，Ω·mm2·m-1；ρ20为导电金属线20 ℃时的电阻率，Ω·mm2·m-1；λm为绞线导电金属层的平均绞入系数，即电阻增量比值。
对组合导线即钢芯铝绞线和铝包钢芯铝绞线，其综合导电率Y为：
((3)) 式中：Aa为铝部分截面积，mm2；As为芯部分截面积，mm2；A为导线综合截面积，mm2；Ya为铝线标准铜导电率，%IACS；Ys为芯线标准铜导电率，%IACS；λam为铝股层电阻增量比值；λsm为芯股层电阻增量比值。
普通铝线导电率Ya为61%IACS，芯线导电率Ys取值见表10；铝部分和芯部分的电阻增量比值λam和λsm取值见表11。
表 10 芯线标准铜导电率Ys取值
Table 10.
Core wire's conductivity percent IACS % 表 11 铝部分和芯部分电阻增量比值
Table 11.
Resistance increment ratio of aluminum part and core part 单丝数 铝部分λam 芯部分λsm 24/7 1.020 8 1.004 3 45/7 1.022 3 1.004 3 48/7 1.022 4 1.004 3 54/7 1.023 3 1.004 3 54/19 1.023 3 1.007 7 按式(3)计算常用结构钢芯铝绞线和用LB20铝包钢线替换镀锌钢线后铝包钢芯铝绞线的综合导电率(分别按忽略钢导电性和考虑钢导电性考虑)，结果如表12和表13所示。
表 12 常用导线的综合导电率(忽略钢导电性)
Table 12.
Integrated conductivity of aluminum cable (aluminum-clad) steel reinforced (ignore steel wire's conductivity) % 单丝数 钢比 钢芯 LB20芯 导电率增加IACS 电阻减小 45/7 7 55.81 56.79 0.98 1.73 48/7 9 54.84 56.07 1.23 2.19 24/7 13 52.88 54.63 1.75 3.20 54/7 13 52.75 54.50 1.75 3.21 54/19 13 52.89 54.60 1.71 3.12 表 13 常用导线的综合导电率(考虑钢导电性)
Table 13.
Integrated conductivity of aluminum cable (aluminum-clad) steel reinforced (contain steel wire's conductivity) % 单丝数 钢比 钢芯 LB20芯 导电率增加IACS 电阻减小 45/7 7 56.39 57.12 0.73 1.27 48/7 9 55.56 56.47 0.91 1.61 24/7 13 53.91 55.21 1.30 2.34 54/7 13 53.78 55.08 1.30 2.35 54/19 13 53.90 55.16 1.26 2.29 按《圆线同心绞架空导线》(GB/T 1179—2008)第4.8条规定：铝与钢线的组合导线直流电阻计算，忽略钢线的电导率，但铝包钢线加强芯中铝包层的电导仍计算在内。根据表12和表13可知，是否忽略钢线的导电率对计算结果有较大影响。笔者认为，为客观估计和评价铝包钢线代替镀锌钢线带来的节能效益，在比较计算导线综合导电率和电阻时应计及钢线的电导率。
因此根据表13计算结果，若以20.3%IACS的LB20铝包钢绞线代替9%IACS的镀锌钢绞线作为承力芯，对钢比分别为7%、9%和13%(单丝数54/7)的导线，其综合导电率可分别提高约0.73%、0.91%和1.30%IACS，电阻可分别降低约1.27%、1.61%和2.35%。可见，钢比越大的导线，用铝包钢线代替镀锌钢芯对降低导线电阻的作用越大，反之则越小。
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导线20℃时直流电阻R20可按下式计算：
((4)) 以720/50导线结构为例，分别计算常规钢芯铝绞线、铝包钢芯铝绞线和不同导电率铝线时铝包钢芯高导铝绞线的20 ℃直流电阻，结果如表14所示。
表 14 720/50结构导线直流和交流电阻比较表
Table 14.
DC resistance and AC resistance comparison of 720/50 structure conductors 级别 JL/G1A JL/LB20 JL1/G1A JL1/LB20 JL2/G1A JL2/LB20 JL3/G1A JL3/LB20 JL4/G1A JL4/LB20 20 ℃直流电阻/(Ω·km-1) 0.039 430 0.038 928 0.039 113 0.038 618 0.038 800 0.038 314 0.038 493 0.038 014 0.038 191 0.037 719 通过547A电流时 导线温度/℃ 42.16 42.05 42.11 42.01 42.07 41.97 42.03 41.93 41.98 41.89 导线直流电阻/(Ω·km-1) 0.042 951 0.042 388 0.042 633 0.042 078 0.042 311 0.041 765 0.041 995 0.041 457 0.041 675 0.041 145 集肤效应增加率/% 3.24 3.32 3.28 3.37 3.33 3.42 3.38 3.47 3.43 3.52 铁磁损耗增加率/% 1.02 0.57 1.02 0.58 1.03 0.58 1.04 0.58 1.05 0.59 导线交流电阻/(Ω·km-1) 0.044 777 0.044 037 0.044 469 0.043 737 0.044 157 0.043 434 0.043 851 0.043 136 0.043 542 0.042 834 交流电阻减小率/% 0.00 -1.65 -0.69 -2.32 -1.38 -3.00 -2.07 -3.66 -2.76 -4.34 -
环境温度ta，流经电流后温度升高θ，则运行温度ta＋θ时的直流电阻可按下式计算：
((5)) 式中：α20为20 ℃时电阻温度系数，1/℃。
导线温升可根据载流量热平衡公式计算[8]，运行温度ta＋θ时的交流电阻可按下式计算：
((6)) 式中：ΔR1为考虑集肤效应引起的电阻增量；ΔR2为考虑磁滞涡流引起的电阻增量。
交流电阻的计算方法很多，其中以摩根(Morgan)计算方法[9]理论上最完善，但很繁琐复杂；而以日本JCS0374[10]计算方法最简单。
文献[11]以钢芯铝绞线JL/G1A-630/45为基准，对比分析了各种敏感因素下(不同工作频率、电流密度、铝线截面、钢芯截面等)摩根算法和日本算法的差异，结果表明两者的主要差异在于磁滞涡流损耗引起的电阻增量ΔR2，日本JCS0374算法仅考虑了电流密度影响而忽略了其他因素，具有一定误差，一般用于交流电阻近似计算。因此，为客观反映铝包钢芯铝绞线的实际节能效果，本文采用摩根算法。
广东沿海地区500 kV输电线路通常每相采用4×JL/G1A-720/50导线，正常输送容量P＝1 800 MW，每根子导线正常电流为I＝547 A。各导线的交流电阻计算结果如表14所示。
可知，用铝包钢芯代替镀锌钢芯，一方面减小了导线直流电阻；另一方面，减小了钢芯的磁滞和涡流损耗，进一步降低了导线交流电阻。如相对于JL/G1A-720/50钢芯铝绞线，JL/LB20-720/50铝包钢芯铝绞线的直流电阻和交流电阻分别降低1.27%和1.65%。
另外，铝包钢线和高导电率铝线相结合组成的节能导线，可显著降低交流电阻，充分发挥两种材料的节能效益。如目前可批量生产的铝包钢芯高导铝绞线JL2/LB20-720/50和JL3/LB20-720/50可分别降低交流电阻3.0%和3.66%，而仍难以批量生产的最高导电率的钢芯高导铝绞线JL4/G1A-720/50也仅降低交流电阻2.76%。
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相同规格型号的铝包钢芯铝绞线与钢芯铝绞线的铝层结构、直径、表面光滑度均相同，当作用以相同电压时，导线表面的电场强度也相同，故其电晕损耗、无线电干扰、可听噪声、线下电磁场强度等均一致。导线的电气性能
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500 kV四分裂双回线路导线电阻损耗功率：
((7)) 年电能损耗：
((8)) 年电能损耗费用：
((9)) 式中：τ为最大负荷损耗小时数；JD为上网电价。
广东电网500 kV输电通道线路的年最大负荷利用小时数Tmax一般在3 500～5 500 h，取平均Tmax＝4 500 h，当功率因数为0.95时，其损耗小时τ＝2 700 h；根据发改价格〔2015〕748号，广东电网的上网电价参考火电价格取为0.473 5元/kWh。则双回线路单公里电阻损耗功率、年损耗电能及费用见表15所示。
表 15 导线电能损耗及经济性比较表
Table 15.
Resistance loss and economy comparison of 720/50 structure conductors 级别 JL/G1A JL/LB20 JL1/G1A JL1/LB20 JL2/G1A JL2/LB20 JL3/G1A JL3/LB20 JL4/G1A JL4/LB20 电阻损耗功率/(kW·km-1) 321.54 316.23 319.33 314.08 317.09 311.90 314.89 309.76 312.68 307.59 年电能损耗/(万kWh·km-1) 86.82 85.38 86.22 84.80 85.61 84.21 85.02 83.64 84.42 83.05 年能损费用/(万元·km-1·年-1) 41.11 40.43 40.83 40.15 40.54 39.87 40.26 39.60 39.97 39.32 年能损差值/(万元·km-1·年-1) 0.00 -0.68 -0.28 -0.95 -0.57 -1.23 -0.85 -1.51 -1.13 -1.78 导线价格/(万元·t-1) 1.60 1.67 1.62 1.69 1.65 1.72 1.69 1.76 1.79 1.86 导线投资/(万元·km-1) 92.07 93.67 93.22 94.79 94.95 96.47 97.25 98.71 103.01 104.32 导线投资差值/(万元·km-1) 0.00 1.60 1.15 2.72 2.88 4.40 5.18 6.64 10.93 12.25 回收年限/(年) / -2.35 -4.07 -2.85 -5.05 -3.57 -6.09 -4.41 -9.64 -6.87 相对年费用/(万元·km-1·年-1) 0.00 -0.54 -0.18 -0.71 -0.31 -0.84 -0.39 -0.92 -0.16 -0.70 -
相对于常规JL/G1A-720/50型钢芯铝绞线，不同导电率硬铝的钢芯高导铝绞线和铝包钢芯高导铝绞线每年分别可节约电能损耗费用(0.28～1.13)万元/km和(0.95～1.78)万元/km，经济效益十分可观。
各导线单价及500 kV双回线路的导线投资如表15所示。对于采用各节能导线引起的初期投资增额，可通过节约电能损耗的方式收回，其中JL/LB20、JL1/LB20导线约3年内即可收回，JL1/G1A、JL2/LB20导线约4年内收回，JL2/G1A、JL3/LB20导线约5年内收回，而其余导线则需6～10年方可收回。
为进一步评价各节能导线的经济性，采用最小年费用法。按电力工业部(82)电计字第44号文《颁发“电力工程经济分析暂行条例”的通知》第十五条经济计算方法。线路工程简化计算公式为：
((9)) 式中：NF为年平均费用，万元；Z为折算到投运年的总投资，万元；n为工程经济使用年数，取30年；r0为电力工业投资回收率，取8%；μ为折算年运行费用，包括电能损耗费用和维护费用，万元。
各节能导线方案相对于普通JL/G1A钢芯铝绞线的年费用差值见表15。可知，JL3/LB20经济最优，JL2/LB20其次，JL1/LB20和JL4/LB20相当并列第三。
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按GB/T 1179—2008《圆线同心绞架空导线》4.7.2条规定：钢或铝包钢芯铝(铝合金)绞线的额定拉断力，应为铝(铝合金)部分的拉断力与对应铝(铝合金)部分在断裂负荷下钢或铝包钢部分伸长时的拉力的总和；为规范及实用起见，钢或铝包钢部分的拉力偏安全的规定为：按250 mm标距，1%伸长时的应力来确定。
需要说明的是，G1A级镀锌钢线断裂后伸长率为3.0%～4.0%，即使断裂后伸长率最小的G3A级镀锌钢线仍为2.0%～2.5%，而铝包钢线断裂后伸长率规定为不小于1%。可见，按GB/T 1179—2008规定的导线额定拉断力的算法，对镀锌钢线和铝包钢线而言，其安全裕度是完全不同的。前者仍有一定裕度，而后者完全依赖制造厂家的工艺水平。制造工艺先进的厂家能够使铝包钢线的断裂后伸长率达到1.2%甚至1.5%，但更多的厂家仅仅满足国标要求的最小值。因此，不同厂家生产的铝包钢芯铝绞线在拉断力试验中的表现往往参差不齐。
因此，笔者提出，对于铝包钢芯铝绞线的额定拉断力算法是否可以进一步探讨和研究。这里提供两种参考方法：(1)定义铝包钢芯铝绞线的额定拉断力为铝股线和芯股线拉断力的总和再打0.9～0.95折，也即日本所采用的方法；(2)按GB/T 1179—2008规定计算，但其中铝包钢部分的伸长率需通过试验界定，而并非取钢线相同的1%。
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鉴于铝包钢线的延伸率远小于镀锌钢线，为保证铝包钢芯铝绞线压接后导线连接处的握着力达95%导线额定拉断力以上，导线连接金具包括接续管、耐张线夹等的设计尤为重要。
一般采用两种方法优化导线连接金具设计：加长接续管的钢管、耐张线夹的钢锚；在钢管和钢锚的内表面电镀铝层，即和铝包钢线的接触部分采用相同材质。
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1)与传统钢芯铝绞线相比，用铝包钢线代替镀锌钢线与硬铝线组成的铝包钢芯铝绞线，具有耐腐蚀、线路寿命长的特点。
特别的，使用LB20铝包钢线代替镀锌钢线，导线的重量和高温弧垂略减小、过载能力稍增加、风偏特性和防振性能略微变差，综合机械性能略优。
2)铝包钢芯铝绞线具有一定的节能经济效益。用铝包钢芯代替镀锌钢芯，一方面减小了导线直流电阻；另一方面，减小了钢芯的磁滞和涡流损耗，进一步降低了导线交流电阻。
3)使用LB20铝包钢线代替镀锌钢线与高导电率铝线组成节能导线，可充分利用现有生产技术，叠加发挥两种材料的节能效果，经济效益显著，值得大力推广。
对于不同导电率的钢芯高导铝绞线和铝包钢芯高导铝绞线，综合考虑目前导线价格成本和节能效益，500 kV输电线路选用JL3/LB20和JL2/LB20型铝包钢芯高导铝绞线具有较高的经济效益。
4)适用于铝包钢芯铝绞线的额定拉断计算方法有待深入探讨和研究。实际工程选用铝包钢芯铝绞线时，为满足握着力要求，导线接续管、耐张线夹等连接金具的设计尤为重要。
Characteristics and Application Research of High Conductivity Aluminum Conductor Aluminum-clad Steel Reinforced Cable
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摘要:
铝包钢线具有优良的机械、电气和防腐性能。与传统钢芯铝绞线相比，用铝包钢线代替镀锌钢线的铝包钢芯铝绞线具有重量轻、电阻小、耐腐蚀、弧垂小的特点，尤其适合在沿海及重污秽地区应用；采用20.3%IACS的LB20铝包钢芯代替镀锌钢芯与高导电率铝线组成的节能导线即铝包钢芯高导铝绞线，可充分利用现有生产技术，叠加发挥两种材料的节能效果，与同规格的钢芯高导电率铝绞线相比，交流电阻进一步降低约1.6%～2.7%。500 kV线路典型算例表明：综合考虑导线价格成本和节能效益，JL3/LB20和JL2/LB20型铝包钢芯高导铝绞线具有较高的经济效益，值得推广。 Abstract: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. -
图 1 铝包钢芯高导铝绞线结构图
Fig. 1 Structure of high conductivity aluminum conductor aluminum-clad steel reinforced cable
表 1 镀锌钢线和铝包钢线技术参数
Tab. 1.
Technical parameters of zinc-coated steel and aluminum-cald steel 级别 镀锌钢线 铝包钢线 G1A G2A G3A LB14 LB20 LB23 LB27 LB30 LB35 LB40 抗张强度/MPa (≤3.5mm) 1 340～1 290 1 450～1 410 1 620～1 550 1 590～1 550 1 340～1 310 1 220 1 080 880 810 680 抗张强度/MPa (>3.5 mm) 1 290 1 380 1 520～1 500 1 520～1 500 1 270～1 070 1 220 1 080 880 810 680 最小延伸率/ (250 mm) % 3.0～4.0 2.5～3.0 2.0～2.5 1.0* 1.0* 1.0* 1.0* 1.0* 1.0* 1.0* 1%伸长时的应力/MPa (≤3.5 mm) 1 170～1 100 1 310～1 240 1 450～1 380 1 410～1 380 1 200～1 180 980 800 650 590 500 1%伸长时的应力/MPa (>3.5 mm) 1 100 1 170 1 340～1 270 1 340～1 270 1 140～1 000 980 800 650 590 500 20 ℃时电阻率/(nΩ·m) 191.57 191.57 191.57 123.15 84.80 74.96 63.86 57.47 49.26 43.10 导电率/(%IACS) 9 9 9 14 20.3 23 27 30 35 40 20 ℃时标称密度/(g·cm-3) 7.78 7.78 7.78 7.14 6.59 6.27 5.91 5.61 5.15 4.64 最终弹性模量/GPa 190 190 190 170 162 149 140 132 122 109 线膨胀系数/(10-6·℃-1) 11.5 11.5 11.5 12.0 13.0 12.9 13.4 13.8 14.5 15.5 电阻温度系数/℃-1 0.004 55 0.004 55 0.004 55 0.003 4 0.003 6 0.003 6 0.003 6 0.003 8 0.003 9 0.004 0 注：*指铝包钢线断裂后伸长率。
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表 2 普通硬铝线和高导硬铝线技术参数
Tab. 2.
Technical parameters of hard-drawn aluminum and high conductivity aluminum 级别 硬铝线 高导硬铝线 LY9 L1 L2 L3 L4 抗张强度/MPa(≤3.5mm) 200～165 200～165 200～165 200～165 200～165 抗张强度/MPa(>3.5mm) 160 160 160 160 160 20 ℃时电阻率/(nΩ·m) 28.264 28.034 27.808 27.586 27.367 导电率/(%IACS) 61 61.5 62.0 62.5 63.0 20 ℃时标称密度/(g·cm-3) 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 最终弹性模量/GPa 55 55 55 55 55 线膨胀系数/(10-6·℃-1) 23.0 23.0 23.0 23.0 23.0 电阻温度系数/℃-1 0.004 03 0.004 07 0.004 10 0.004 13 0.004 15
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表 3 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的参数
Tab. 3.
Cable JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50's parameters 参数 JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 铝线/股数×单丝直径 45×Φ4.53 mm 45×Φ4.53 mm 钢(铝包钢)线/股数×单丝直径 7×Φ3.02 mm 6×Φ3.02 mm 铝截面/mm2 725.27 725.27 钢截面/mm2 50.14 50.14 总截面/mm2 775.41 775.41 直径/mm 36.24 36.24 单位质量/(kg·km-1) 2 397.7 2 337.0 额定拉断力/kN 171.20 176.21 拉力重量比/km 7.29 7.69 弹性模量/GPa 63.0 61.4 线膨胀系数/(10-6·℃-1) 20.9 21.5
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表 4 导线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/m JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 差值/m 档距l＝代表档距lp＝300 m 7.70 7.57 -0.13(1.6%) l＝lp＝350 m 10.12 9.95 -0.17(1.7%) l＝lp＝400 m 12.90 12.66 -0.24(1.9%) l＝lp＝450 m 16.02 15.69 -0.32(2.0%) l＝lp＝500 m 19.48 19.10 -0.38(1.9%) l＝lp＝550 m 23.32 22.84 -0.48(2.1%) l＝lp＝600 m 27.50 26.89 -0.61(2.2%) l＝lp＝700 m 36.95 36.11 -0.83(2.3%) 注：基于南网500 kV标准设计杆塔，JL/LB20-720/50的张力已相应放松。
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表 5 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的风偏摇摆角
Tab. 5.
Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50's wind angle 摇摆角/(°) JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 工频大风 61.41 62.24 操作过电压 33.02 33.81 雷电过电压 18.59 19.10 带电作业 8.44 8.68 注：杆塔Kv值取0.75，导线平均高度取20m。
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表 6 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的大风过载能力
Tab. 6.
Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50's wind overload capacity 大风过载能力/(m·s-1) JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 代表档距lp＝300 m 73.67 75.19 lp ＝350 m 70.67 71.97 lp ＝400 m 68.49 69.62 lp ＝450 m 66.87 67.87 lp ＝500 m 65.64 66.52 lp ＝550 m 64.68 65.47 lp ＝600 m 63.92 64.63 lp ＝700 m 62.81 63.41 注：稀有风速工况导线允许最大张力取70%额定拉断力。
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表 7 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的线条荷载
Tab. 7.
Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50's load 线条荷载 JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 水平荷载/(N·m-1) 29.748 (100%) 29.748 (100%) 垂直荷载/(N·m-1) 23.513 (100%) 22.918 (97.5%) 纵向最大使用张力/kN 65.056 (100%) 65.056 (100%)
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表 8 导线JL/G1A-720/50、JL/LB20-720/50的外层铝股应力
Tab. 8.
Cable JL/G1A-720/50, JL/LB20-720/50's outer layer aluminum strand's stress 外层铝股 JL/G1A-720/50 JL/LB20-720/50 所在层数 3 3 应力σa/MPa 46.96 48.19 破断应力/MPa 160 160 安全系数 3.41 3.32 疲劳极限/MPa 63.7 63.7 应力/疲劳极限% 73.7% 75.6%
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表 9 我国常用钢芯铝绞线结构
Tab. 9.
Common structure of aluminum cable steel reinforced in China 单丝数 钢比/% 导线标称截面 45/7 7 300/20 400/25 500/35 630/45 720/50 800/55 48/7 9 300/25 400/35 500/45 630/55 720/65 800/70 其他* 13 300/401 400/502 500/652 630/803 720/953 800/1003 注：*系列单丝数含24/7、54/7和54/19，分别对应序号1、2和3。
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表 10 芯线标准铜导电率Ys取值
Tab. 10.
Core wire's conductivity percent IACS %
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表 11 铝部分和芯部分电阻增量比值
Tab. 11.
Resistance increment ratio of aluminum part and core part 单丝数 铝部分λam 芯部分λsm 24/7 1.020 8 1.004 3 45/7 1.022 3 1.004 3 48/7 1.022 4 1.004 3 54/7 1.023 3 1.004 3 54/19 1.023 3 1.007 7
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表 12 常用导线的综合导电率(忽略钢导电性)
Tab. 12.
Integrated conductivity of aluminum cable (aluminum-clad) steel reinforced (ignore steel wire's conductivity) % 单丝数 钢比 钢芯 LB20芯 导电率增加IACS 电阻减小 45/7 7 55.81 56.79 0.98 1.73 48/7 9 54.84 56.07 1.23 2.19 24/7 13 52.88 54.63 1.75 3.20 54/7 13 52.75 54.50 1.75 3.21 54/19 13 52.89 54.60 1.71 3.12
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表 13 常用导线的综合导电率(考虑钢导电性)
Tab. 13.
Integrated conductivity of aluminum cable (aluminum-clad) steel reinforced (contain steel wire's conductivity) % 单丝数 钢比 钢芯 LB20芯 导电率增加IACS 电阻减小 45/7 7 56.39 57.12 0.73 1.27 48/7 9 55.56 56.47 0.91 1.61 24/7 13 53.91 55.21 1.30 2.34 54/7 13 53.78 55.08 1.30 2.35 54/19 13 53.90 55.16 1.26 2.29
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表 14 720/50结构导线直流和交流电阻比较表
Tab. 14.
DC resistance and AC resistance comparison of 720/50 structure conductors 级别 JL/G1A JL/LB20 JL1/G1A JL1/LB20 JL2/G1A JL2/LB20 JL3/G1A JL3/LB20 JL4/G1A JL4/LB20 20 ℃直流电阻/(Ω·km-1) 0.039 430 0.038 928 0.039 113 0.038 618 0.038 800 0.038 314 0.038 493 0.038 014 0.038 191 0.037 719 通过547A电流时 导线温度/℃ 42.16 42.05 42.11 42.01 42.07 41.97 42.03 41.93 41.98 41.89 导线直流电阻/(Ω·km-1) 0.042 951 0.042 388 0.042 633 0.042 078 0.042 311 0.041 765 0.041 995 0.041 457 0.041 675 0.041 145 集肤效应增加率/% 3.24 3.32 3.28 3.37 3.33 3.42 3.38 3.47 3.43 3.52 铁磁损耗增加率/% 1.02 0.57 1.02 0.58 1.03 0.58 1.04 0.58 1.05 0.59 导线交流电阻/(Ω·km-1) 0.044 777 0.044 037 0.044 469 0.043 737 0.044 157 0.043 434 0.043 851 0.043 136 0.043 542 0.042 834 交流电阻减小率/% 0.00 -1.65 -0.69 -2.32 -1.38 -3.00 -2.07 -3.66 -2.76 -4.34 注：(1)环境温度20 ℃，风速0.5 m/s，太阳辐射功率1 000 W/m2，导线表面散热系数和吸热系数0.9；(2)导线直流电阻已计及钢线导电率。
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表 15 导线电能损耗及经济性比较表
Tab. 15.
Resistance loss and economy comparison of 720/50 structure conductors 级别 JL/G1A JL/LB20 JL1/G1A JL1/LB20 JL2/G1A JL2/LB20 JL3/G1A JL3/LB20 JL4/G1A JL4/LB20 电阻损耗功率/(kW·km-1) 321.54 316.23 319.33 314.08 317.09 311.90 314.89 309.76 312.68 307.59 年电能损耗/(万kWh·km-1) 86.82 85.38 86.22 84.80 85.61 84.21 85.02 83.64 84.42 83.05 年能损费用/(万元·km-1·年-1) 41.11 40.43 40.83 40.15 40.54 39.87 40.26 39.60 39.97 39.32 年能损差值/(万元·km-1·年-1) 0.00 -0.68 -0.28 -0.95 -0.57 -1.23 -0.85 -1.51 -1.13 -1.78 导线价格/(万元·t-1) 1.60 1.67 1.62 1.69 1.65 1.72 1.69 1.76 1.79 1.86 导线投资/(万元·km-1) 92.07 93.67 93.22 94.79 94.95 96.47 97.25 98.71 103.01 104.32 导线投资差值/(万元·km-1) 0.00 1.60 1.15 2.72 2.88 4.40 5.18 6.64 10.93 12.25 回收年限/(年) / -2.35 -4.07 -2.85 -5.05 -3.57 -6.09 -4.41 -9.64 -6.87 相对年费用/(万元·km-1·年-1) 0.00 -0.54 -0.18 -0.71 -0.31 -0.84 -0.39 -0.92 -0.16 -0.70
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