第41卷
2013年4月云 南 电 力 技 术
YUNNAN ELECTRIC POWER Vol.41No.2 Apr.2013
收稿日期:2012-12-26增容导线应力弧垂特性比较 杨坤池
(云南电网规划研究中心，云南 昆明 650011)
摘 要：对各类增容导线的拐点温度进行了比较计算，并由此得出各类增容导线的弧垂特性，提出了增容导线选择的建议㊂ 关键词：增容导线 拐点温度 应力弧垂特性
中图分类号:TM72 文献标识码:B 文章编号:1006-7345(2013)02-0031-03
1 前言
增容导线是在架空输电线路上使用的特种导线，它是对在相同导体截面下相对于传统钢芯铝绞线能输送更多电能的各类导线的总称㊂增容导线的设计原理主要有两个方面，一是提高主要输送介质的输送能力，二是优化主要承力介质的受力特性㊂输送介质可分为耐热铝合金㊁软铝㊁型铝等系列，承力介质可分为钢芯㊁有机复合芯等系列，这两个方面的不同组合即可产生不同系列的增容导线产品㊂
就国内目前已经批量生产并有挂网经验的增容导线主要有：钢芯耐热铝合金系列(TACSR㊁
UTACSR㊁ZTACSR㊁KTACSR等)㊁殷钢芯超耐热铝合金系列(ZTACIR㊁XTACIR等)㊁间隙型导线系列(GTACSR㊁GZTACSR等)㊁碳纤维复合芯导线系列(ACFR㊁TACFR㊁ACCC/TW等)及铝基陶瓷纤维芯导线(ACCR)等㊂由于增容导线的系列产品非常多，特点各异，各有优缺点，给导线型式选择带来不小的困难㊂而在增容导线比选的诸多因素中(特别是针对老线路增容改造项目)，应力弧垂特性是非常重要的控制因素，应力弧垂特性与已建线路是否匹配直接影响到项目的可行性，因此，在选择增容导线型式时，有必要对其应力弧垂特性进行细致的比较计算㊂
2 应力弧垂计算的原理
根据‘电力工程高压送电线路设计手册“，线路的状态方程为:
δn-Eg n2L2
24δn2=δm-
Eg m2L2
东方影都2003
24δm2-αE(t n-t m)(1)设:A=δm-Eg m2L2
24δm2-αE(t n-t m)
B=Eg n
2L2
24
则(1)式可以改写为:
δn3+Aδn2-B=0(2)式中:
g m 初始气象条件下的比载,2;
g n 待求气象条件下的比载,2; t m 初始气象条件下的温度,℃;
油气弹簧t n 待求气象条件下的温度,℃;
δm 在温度t m和g m比载时的应力,MPa;δn 在温度t n和g m比载时的应力,MPa;
α 线膨胀系数,1/℃;
E 导线的弹性系数,MPa;
L 档距,m㊂
根据不同的工况组合，求解上述一元三次方程，即可得到各个工况组合下的应力弧垂特性㊂常规导线因最高允许温度在70~80℃，虽然钢芯与铝股存在热膨胀系数的差异，但未达到 拐点”，在应力计算时不考虑导线产生的塑性蠕变，并认为导线的弹性系数及线膨胀系数保持不变㊂但对于增容导线，由于其最高允许温度一般在120℃以上，超过了拐点温度，此时导线的弧垂增量就取决于芯线的热膨胀量，由于铝与钢㊁殷钢㊁碳纤维㊁铝基陶瓷纤维等材料的热膨胀系
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2013年第2期云南电力技术第41卷
数相差很大(见表1)，导致增容导线在拐点温度上下时弧垂特性差异很大，要准确计算增容导线
的应力弧垂特性，首先要求得拐点温度㊂
表1 热膨胀系数表
材料名称铝㊁铝合金镀锌钢镀锌殷钢碳纤维铝基陶瓷热膨胀系数(1/℃)
23×10-6
11.5×10-6
3.7×10-6
1.6×10-6
6.3×10-6
根据参考文献[2][3]，计及两种复合材料不同
的热膨胀系数，导线的拐点温度时的应力可由(2)式求得，以铝部应力为0作为推导条件,
(2)式中的A㊁B 两个系数需变化为:
A =(α0-αα0)[δm -Eg m 2L 2
24δm 2
-αE (t 0-t m )]
(3)B =(α0-αα0)
Eg n 2L 2
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24(4)t d =
δn
E (α0-α)+t
(5)
式中:
α0 铝线㊁铝合金线热膨胀系数,1/℃;t 0 导线的制造温度,℃，一般取15℃㊂t d 导线拐点温度,℃㊂
根据上述(2)㊁(3)㊁(4)㊁(5)㊁(6)式，利用在VBA 中开发的计算程序，即可得到各种工况下的应力及温度，进而可以求得拐点温度值㊂拐点温度值以下及拐点温度值以上(含拐点温度)的应力弧垂计算与普通导线一致，区别仅仅是热膨胀系数不同而已㊂
3 拐点温度计算及比较
3.1 拐点温度计算
为探求各类增容导线的拐点温度值，现选取外径接近的钢芯铝绞线㊁钢芯耐热铝合金导线㊁殷钢芯耐热铝合金导线㊁间隙型耐热铝合金导线㊁钢芯软铝导线㊁碳纤维芯软铝导线㊁铝基陶瓷纤维芯耐热铝合金导线等七种导线进行比较计算，设计气象条件为：覆冰厚度10mm，基本风速
27m /s (最大风速30m /s)㊂从表四的计算结果可以看出:
1)对普通钢芯铝绞线及耐热铝合金导线而言，其在300m 代表档距时的拐点温度已经接近150℃，普通导线无法达到如此高的运行温度，而普通的耐热铝合金线的允许温度也低于此温度,
故此两类导线在进行应力弧垂计算时可不考虑拐点温度的影响㊂2)间隙型导线由于其结构的特殊性，在放
线过程中就已经完成了铝部应力的转移，导线张力均由钢芯来承担，故而也不存在拐点温度，在应力弧垂计算时可以直接取钢芯的热膨胀系数㊂
3)同一种导线，由于最大设计应力㊁年平电动升降机构
均应力㊁设计气象条件㊁代表档距等条件的不同，其拐点温度差异较大，随着代表档距的加大，拐点温度上升很快，这对弧垂计算的影响很大，在导线选型时必须加以关注㊂3.2 导线弧垂特性比较
根据表四的拐点温度计算结果，以300m 代表档距为例，对各种导线20~150℃的弧垂情况进行比较计算可知:
图1 各类导线温升-弧垂曲线图
1)间隙型导线及普通的耐热铝合金导线温
升弧垂曲线较为平滑，无明显的拐点㊂间隙型导线的弧垂特性明显好于普通耐热铝合金导线，尤其是在90℃以下时，其弧垂特性还优于殷钢芯耐热铝合金线㊁钢芯软铝导线及铝基陶瓷纤维芯耐热铝合金导线，因此在导线最高运行温度在
2
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第41卷增容导线应力弧垂特性比较2013年第2期
100℃以下时，在施工条件匹配的情况下考虑采用间隙型导线是较为经济合理的选择㊂
2)碳纤维芯软铝导线㊁殷钢芯耐热铝合金
线㊁钢芯软铝导线及铝基陶瓷纤维芯耐热铝合金导线均存在较为明显的拐点，拐点温度以下弧垂特性改善很大，尤其以碳纤维芯及殷钢芯导线改善明显，在要求导线运行温度在100℃以上时，可以在上述导线中综合比选㊂
3)碳纤维导线弧垂特性最优且拐点温度最低，在对弧垂要求比较苛刻的项目上适应性较好，但需核实相应的施工条件㊂
4)钢芯软铝导线具有导电率较高㊁铝截面
较大㊁输送能力较强等优点，其弧垂特性优于普通钢芯铝绞线及普通耐热铝合金线，且对施工条件的要求相对较宽松，价格也相对较低，在今后的工程实践中可以作为可比方案㊂
5)上述的计算均基于导线在温升过程中的
弹性模量E 为定值，而实际上，由于导线温度升高，材料分子活动加剧，彼此间的约束力下降，导线整体弹性模量呈现下降的趋势，根据文献[4]的研究结论，金属弹性模量与温度的关系可由下式求得:
E =E 0(1-25αT )β(6)
式中:
E 0 金属常温下的弹性模量,GPa;E 金属在高温下的弹性模量,GPa;
α 导线热膨胀系数,1/℃;
β 调整系数,200℃以下为1,300℃以下为0.996;
T 绝对温度值;
根据式(6)，以钢芯软铝导线AF (SZ)Gg
+S4A 400+64为例，计算其100~300℃时的弹性
丛连彪模量，详细见表2:
表2 钢芯软铝导线弹性模量变化表
温度(℃)20100150200250300弹性模量(GPa)
74
73.68
73.64
73.60
73.26
73.22
减小百分比00.43%0.49%0.54%1.00%1.06%耦合系数
从表2可以看出，即使在300℃时，弹性模量变化仅为1%左右，其对弧垂特性的影响完全可以忽略㊂对于非金属高分子聚合材料(碳纤维㊁铝基陶瓷等)，其弹性模量主要靠测定，目前尚无相应的拟合公式，在计算时也可视为定值，或参考厂方具体的试验参数㊂
4 结论
1)从增容导线的拐点温度计算来看，其影
响因素较多，应进行细致的分析计算，避免影响导线选型的结论㊂
2)各类增容导线各有优缺点，在选择时应结合导线价格㊁配套金具情况㊁挂网运行经验㊁载流量要求㊁施工条件要求等因素来综合分析㊂
3)对金属芯增容导线，其弹性模量随温度
变化很小，可视为定值，对非金属复合材料芯，其弹性模量暂可按定值考虑，建议参考相关厂方的试验参数㊂ 参考文献:
[1]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].
[2]王国忠，黄豪士.节能型扩容导线的应力弧垂的计算[J].电线电缆,2009(2):11-14.
[3]张颖璐.倍容导线的张力弧垂计算[J].电力建设,2006,27(9):7-9.
[4]徐志东，范子亮.金属材料的弹性模量随温度变化规律的唯像解释[J].西南交通大学学报,1993,2:87-91.[5]龙永传.增容导线在架空输电线路上的
应用研究[J ].电力设备,2006,7
(10):1-7. 作者简介:
杨坤池(1976-)，男，高级工程师，主要从
事规划设计工作，邮箱:237076510@qq
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