Characteristics and Application Research of High Conductivity Aluminum Conductor Aluminum-clad Steel Reinforced Cable

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]。

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]。

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。

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。

Figure 1.  Structure of high conductivity aluminum conductor aluminum-clad steel reinforced cable

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。

我国常用的钢芯铝绞线结构有三种^[6]，见表9。

导线的国际标准退火铜导电率Y为^[7]：

式中：ρ_λ20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；λ_m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：

式中：A_a为铝部分截面积，mm²；A_s为芯部分截面积，mm²；A为导线综合截面积，mm²；Y_a为铝线标准铜导电率，%IACS；Y_s为芯线标准铜导电率，%IACS；λ_am为铝股层电阻增量比值；λ_sm为芯股层电阻增量比值。

普通铝线导电率Y_a为61%IACS，芯线导电率Y_s取值见表10；铝部分和芯部分的电阻增量比值λ_am和λ_sm取值见表11。

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。

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。

导线20℃时直流电阻R₂₀可按下式计算：

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。

环境温度t_a，流经电流后温度升高θ，则运行温度t_a＋θ时的直流电阻可按下式计算：

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t_a＋θ时的交流电阻可按下式计算：

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%。

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

500 kV四分裂双回线路导线电阻损耗功率：

年电能损耗：

年电能损耗费用：

式中：τ为最大负荷损耗小时数；J_D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T_max一般在3 500～5 500 h，取平均T_max＝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。

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：

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。

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%。

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。

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。