特高压输电工程扩径导线研制与应用范文

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［摘要］为了解决750kV变电站母线噪声过大、起晕严重的难题，针对750kV及以上交流变电站工程开发了一种新型铝管支撑型高强耐热铝合金型线扩径导线。通过对高强耐热铝合金型线生产工艺、皱纹铝管氩弧焊工艺及扩径导线绞合工艺的研究，成功生产了该特高压输电工程用新型扩径导线。该扩径导线使变电站母线的起晕电压在晴天和雨天的情况下均提高了20％左右，有效改善目前750kV变电站中存在的母线电晕放电引起的噪声大的问题。该扩径导线的应用提高了输电线路的输送容量和电网的安全可靠性，并对降低架空输变电工程总造价和环境保护具有重要意义。

［关键词］扩径导线；特高压输电工程；高强耐热铝合金线；皱纹铝管；电晕

引言

随着全球智能电网建设的逐步深入，电网输送容量越来越大，输电电压等级越来越高，目前国内最高输电电压已达1100kV，这造成变电站及特高压线路上产生的电晕损失越来越大，因此引起了业界的重视。电晕损失主要与导线表面场强和天气有关，导线表面场强主要与导线分裂数和子导线直径有关，子导线直径越大，表面场强越小，线路运行电晕损失越小。扩径导线就是在不增加面积和成本的条件下，通过支撑铝线疏绕或空心管支撑等各种方式扩大导线外径，以减小导线表面电场强度和电晕放电，降低噪声，减少对无线电干扰［1－2］。目前，750kV变电站普遍使用铝管支撑型耐热铝合金圆线扩径导线双分裂导线。该型扩径导线在750kV电压等级最高电压运行时接近起晕临界点（1000m以下），因其裕度较小，部分变电站在施工、安装金具时的一些微小偏差就会造成站内噪声过大、起晕严重［3］。因此，为进一步提高变电站母线的输电能力，降低电晕损耗，提高线路的安全性，针对750kV及以上交流变电站工程开发了一种新型铝管支撑型高强耐热铝合金型线扩径导线，以解决750kV变电站噪声过大、起晕严重的难题［4］。

1新型扩径导线的结构设计

1．1扩径导线的传统扩径形式

从2009年起本公司对扩径导线的扩径形式展开了研究，研究发现目前扩径导线主要有以下几种扩径形式：a．圆线疏绞型扩径导线，如图1a）所示。该扩径导线的内层铝线采用圆线等间距疏绞结构作为支撑层，外层铝线采用紧密排列结构。虽然该扩径导线加工工艺简单，但结构稳定性不好，扩径率不宜过大，一般扩径率控制在1．18以下。b．镀锌软管扩径导线，如图1b）所示。该扩径导线采用镀锌金属软管作为扩径管，外层紧密绞合钢丝和铝线。该结构扩径导线弯曲性能好、便于安装，但镀锌软管和钢丝与绞绕在软管上的铝线之间存在电位差，易发生电化学腐蚀，直接影响使用寿命。此外，大长度母线必须进行多次接头，影响安全性。c．铝管支撑型铝／耐热铝圆线扩径导线，如图1c）所示。该扩径导线采用皱纹铝管作为扩径管，外层紧密绞合铝线或耐热铝合金线。该结构扩径导线扩径率不受限制，皱纹铝管作支撑物，有利于延长导线使用寿命，同时采用全铝结构有效地降低电阻，但强度相对较低，拉断力较低，易造成母线整根拉断，架设档距小，安全性差，且导线表面凹凸不平，电场不均匀，易起电晕。d．型线疏绞支撑外层圆线扩径导线，如图1d）所示。该扩径导线主要是改进了导线内层铝线的结构形式，采用型线疏绞式支撑最外层圆线或型线，从而扩大了导线外径。虽然扩径导线的疏绞式铝绞线层铝绞线采用型线结构，提高了支撑层结构的稳定性，但此种扩径导线扩径率仍受一定限制，其扩径率一般在1．15～1．30。

1．2扩径导线扩径形式的创新设计

针对上述传统扩径形式扩径导线的不足，本次研制的扩径导线对扩径形式进行了创新设计———铝管支撑型高强耐热铝合金型线扩径导线，如图2所示。该新型扩径导线采用了皱纹铝管作为扩径管，外层紧密绞合高强耐热铝合金型线，所用的高强耐热铝合金型线的抗拉强度是常规耐热铝合金线抗拉强度的1．4倍。该新型扩径导线结构具有以下特点：a．从结构稳定性来看，采用全高强耐热铝合金型线结构使扩径导线结构更稳定，且大大提高了扩径导线表面的光洁度，不仅可降低电晕和无线电干扰水平，同时也提高导线抗覆冰能力；b．从扩径率来看，采用皱纹铝管作为支撑层，使扩径率不受限制，铝管作为导电材料，也可以输送电流，大大降低了母线电阻，增大载流量；c．从输电容量来看，高强耐热铝合金线的运行温度从常规70℃提高到150℃，从而大大提高母线载流量；d．从环保性能来看，该扩径导线散热性能好，降低母线电晕和无线电干扰水平，使输电线路的母线更安全、更环保；e．从安全性来看，采用高伸长率高强耐热铝合金线，不仅可大大提高母线强度，提高拉重比，而且母线耐疲劳特性好，提高母线使用安全性；f．从节能方面来看，该扩径导线全部采用非磁性材料，无电磁损耗和电化学腐蚀，可有效降低线路损耗，提高母线使用寿命［5］。

2新型扩径导线的制作工艺

该新型铝管支撑型高强耐热铝合金型线扩径导线的制作工艺包括高强耐热铝合金型线的制作、皱纹铝管的制作、扩径导线的绞制。

2．1高强耐热铝合金型线的制作

高强耐热铝合金型线制作的关键是电工铝杆的制造，主要包括原材料铝锭的选用、熔炼工艺、铝合金杆的连铸连轧工艺优化及质量控制。虽然目前线缆行业采用连铸连轧工艺生产电工铝杆已是很成熟的技术，但要生产出高伸长率高强耐热铝合金杆，则还要在材料选用、配方、成分的优化处理、熔铸轧的工艺条件等方面进行大量研究［6－9］。经过反复试验，原材料铝锭采用牌号不低于Al99．70的优质铝锭；熔炼工艺采用稀土优化处理，加入铝钛合金锭细化晶粒，控制镁、硅和锆含量，精炼除气等进行综合处理加工；连铸连轧工艺通过对连铸连轧过滤除渣、加热和冷却温度控制、连轧机的孔型正确选择和出杆速度控制等进行综合处理加工。在连铸连轧试制过程中铝合金锭坯表面出现了裂纹，导致铝合金杆有起皮的缺陷，在拉丝过程中铝合金线表面有三角口，拉丝易断丝的问题。通过查找设备、工艺原因，发现淬火温度过高，通过调节淬火温度，使铝合金锭坯的表面质量有很大改善，但是还存在裂纹的现象，如图3所示。之后研究发现：在高强耐热铝合金中加入Ti可以细化晶粒，消除裂纹，但因Ti的添加会使铝合金杆电阻率提高，Ti的含量为0．13％时，铝合金杆的电阻率由33．540nΩ•m提高到34．280nΩ•m，因此Ti是在硼化处理中要消除的主要元素，熔炼时仅加入AlTi10合金锭是不可行的；稀土在铝合金中同样可以起到细化晶粒、降低电阻率的作用，但是稀土细化晶粒的效果不如Ti明显，因此熔炼时加入适量的AlTi10合金锭和稀土，既保证细化晶粒，锭坯表面无任何缺陷，又不影响铝合金杆的电阻率。由此优化了熔炼工艺，即在熔炼炉内添加了适量的AlTi10合金锭以及稀土，铝合金锭坯晶粒细化（如图4所示），使铝合金锭坯的表面质量有很大改善，消除了铝合金锭坯表面裂纹，且不影响电阻。生产试制时，通过以上措施，确保了直径12mm铝合金杆的强度控制在145～155MPa之间，断裂伸长率≥10％，20℃电阻率≤0．03315Ω•mm2／m。图4熔炼工艺调整前后铝合金锭坯的晶相

2．2皱纹铝管的制作

铝管成型可采用挤压方式也可以采用纵包焊接方式。由于铝管的纵向柔软性及弹性较差不易弯曲，因此在铝管成型后需要对其进行轧纹处理。变电站母线对扩径导线外形尺寸要求十分精确，因此扩径导线的空心铝管的外径及椭圆度必须严格满足要求。在生产试制时，采用铝带氩弧焊工艺方式生产铝管，铝管壁厚只有1．4mm，铝管外径仅为43．5mm，由于铝管壁薄、外径小，生产过程中极易产生变形。为此，在生产试制时采取以下措施：a．合理设计铝带氩弧焊各道成型模具。由于轧纹会产生缩管现象，经反复试制，调整轧纹深度和轧纹间距，结合铝管外径的变化情况，找出最佳的成型模尺寸和轧纹工艺。b．选择适合的牵引设备，调整牵引张力和收线张力，避免铝管产生变形失圆。

2．3扩径导线的绞制

铝管支撑型高强耐热铝合金型线扩径导线绞制的关键是绞制成型工艺及绞线表面质量的控制，即一方面要控制绞合成型工艺，避免高强耐热铝合金型线翻身，另一方面要控制扩径导线表面质量，保证扩径导线表面光滑、无毛刺。为此采取以下措施：a．在扩径导线结构设计时充分考虑高强耐热铝合金型线绞合前后的尺寸变化，同时对型线的外形尺寸加工精度严格要求，通过绞合过程中合理调节放线张力，以选择最佳的并线模与分线板之间的距离，最终确保型线绞合均匀紧密。b．通过加装专门设计的高强耐热铝合金型线提前定向装置，使型线在进入模具前进行预扭，同时根据绞合节距、压模座的距离调整预扭的角度，配合专用的并线模具，实现了型线高速绞合后不松散、不过扭翻身。c．与模具厂家共同开发了纳米涂层硬质合金模，同时设定合理的绞合变形量，提高扩径导线的表面质量。

3新型扩径导线的应用

本文研制的新型铝管支撑型高强耐热铝合金型线扩径导线，具有扩径率大、抗电晕性好、强度高、安全性好、抗拉和抗压性好、导电性能好、传输容量大、无磁滞损耗、寿命长、工程造价低和施工方便等优点。因此，该新型扩径导线应用于特高压输电线路中可大大减少超高压输电线路的电晕影响，降低损耗，减小对无线电的干扰，提高电站的安全性，降低运行和维护成本，延长母线使用寿命，增强电网稳定性，解决了目前750kV变电站用扩径导线存在的噪声过大、起晕严重的问题。该新型铝管支撑型高强耐热铝合金型线扩径导线已经应用在新疆五彩湾750kV变电站工程、昌吉－古泉1100kV特高压直流输电工程中。该新型扩径导线的应用，使母线起晕电压在晴天和雨天的情况下均提高了20％左右，有效改善目前特高压变电站中存在的母线电晕放电引起的噪声大的问题。该新型扩径导线的节能效果好，已被国家电网公司列入重点推广产品，大力推荐应用本产品。

4结论

本文研制的高强耐热铝合金型线断裂伸长率均值为5．0％，高于国家标准GB／T30551—2014标准要求的2．0％，经鉴定达到了国际领先水平，解决了传统耐热铝合金线伸长率小、合格率低、使用安全性能差的难题。该新型铝管支撑型高强耐热铝合金型线扩径导线的研制及应用将提高我国在国际高压标准制定领域的话语权。同时，该新型扩径导线已在特高压输电工程中大批量使用，其性能和经济效益及运行的安全性均已得到国家电网公司以及用户的肯定，提高了我国扩径导线的制造技术水平，使我国在该领域跻身国际先进水平行列，对国家科技的持续发展和后续工程建设，具有非常重要的意义。

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［3］张禄琦，郝阳，李小亭，等．扩径导线在特高压交流输电线路工程中的应用［J］．电力建设，2012，33（8）：92－95．

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作者：夏霏霏 徐静 田崇军 胡清平 单位：远东电缆有限公司