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铝合金铝绞线和钢芯铝导线应用比较分析

通过对钢芯铝导线耗能机理的分析﹐叙述全铝合金导线具有比钢芯铝导线能耗低﹑重量轻等优点﹐而且它的弧垂特性好﹐在线路敷设时可降低铁塔高度﹐加大架设间隔﹐节省和降低工程投资﹐同时也降低了线路的雷击跳闸率。因此输电线路中采用全铝合金导线﹐有利于电网安全﹑可靠﹑经济执行﹐值得在电网新、扩建工程中大力推广应用。

1 引言

自从美国1921年开始采用铝合金材料作为导体以来﹐铝合金芯铝绞线的研究和应用已有数十年的历史。1956年和1959年法国﹑德国分别开始采用全铝合金导线作大跨越输电线路﹐随后﹐日本于1959年和1962年分别将全铝合金架空导线用于110kV和220kV大跨越输电线路。而我国则一直使用钢芯铝导线﹐对全铝合金导线的认识与应用尚处于起步阶段﹐因而在大电网建设与改造的今天﹐探讨两者之间的能耗对比﹐具有十分重要的意义。

2能耗的理论分析

在同等的使用条件下﹐全铝合金导线的最大直流电阻为0.11181Ω/km,钢芯铝导线则由于其截面稍大﹐其最大直流电阻为0.09433Ω/km,两者之间相差0.01748Ω/km。

钢芯铝导线中间的钢芯材料为铁磁物质﹐而铁磁物质是由许多叫做磁畴的天然磁化区域群群组成。磁畴的体积很小﹐大约为10-9cm3。磁畴中的分子电流排列整齐﹐因此每个磁畴就是一个永磁体﹐具有很强的磁性。在未被磁化的铁磁物质中﹐磁畴的排列是紊乱的﹐各个磁畴的磁场互相抵消﹐对外不显磁性。当有外磁场存在时﹐各磁畴要沿着外磁场方向转动而趋向一致﹐产生极强的附加磁场﹐从而使铁磁性物质中的磁场大大增强﹐比没有铁磁物质存在时大成百上千倍。此外﹐铁磁物质的磁化状态和外磁场的状态有关。为了叙述铁磁物质的磁化状态﹐一般由磁化曲线即B-H曲线表示。磁场强度H决定于产生外磁场的电流﹐磁感应强度B相当于电流在真空中产生的磁场和物质磁化后产生的附加磁场迭加。

铁磁物质的B-H曲线可由实验测出﹐如图1﹐铁磁物质从H=0﹐B=0开始磁化﹐为起始磁化曲线。磁化过程大体可分为3个阶段。

(1)直线0a段﹐外磁场H较弱﹐B增大较慢﹐不足以使磁畴转向。ab段﹐H已较大﹐原来杂乱无章排列的磁畴﹐在外磁场H作用下﹐迅速沿外磁场的指向排列﹐使B急剧增大。

(2)膝部bc段﹐H增大﹐B的增大减缓﹐主要是大部分磁畴都已转向。

(3)饱和区c点以后﹐所有磁畴都转向与外磁场方向一致﹐即使再增大H﹐铁磁物质的附加磁场已不可能再增加。 铁磁物质在外磁场H(即对应产生磁场的电流)的大小和方向不断改变时﹐将受到交变磁化﹐铁磁物质具有新的特点--磁滞现象。见图2﹐当外磁场H从饱和区的c点减少﹐B将沿着比起始磁化曲线稍高的曲线下降﹐当H=0时﹐B不为0﹐保留着剩磁Br。这种B的改变滞后于H的改变的现象为磁滞现象。

铁磁物质具有磁滞现象﹐是因为外磁场减弱或消失后磁畴不会完全恢复到原来的位置﹐铁磁物质在反复磁化过程中﹐磁畴反复转向﹐要消耗一部分能量克服磁畴间的摩擦并转变为热能而耗散﹐产生磁滞损耗。可以证明﹐反复磁化1次磁滞损耗与磁滞回线面积成正比。

按照磁滞回线的形状和在工程上的用途﹐铁磁物质大体分为软磁材料和硬磁材料。如图3所示﹐软磁材料纯铁﹐其磁滞回线狭长﹐磁滞回线面积小﹐磁滞损耗也较小﹔硬磁材料锻钢﹐其磁滞回线宽短﹐磁滞回线面积大﹐磁滞损耗也较大。

在工程上磁滞损耗功率常用下列公式计算﹕Ph=σhfBnmV式中 f--交流电的频率﹐HzBm--磁感应强度最大值﹐T﹔n--指数﹐当Bm<1T时﹐n≒1‧﹔当Bm>1T时﹐n=2﹔V--铁磁材料的体积﹐m3﹔

σh--与铁磁材料有关的系数﹐由实验测定﹔Ph--磁滞损耗﹐W﹔

另外﹐当导体处于变化磁场中﹐会在其中产生感应电动势﹐这个电动势在导体中会形成旋涡形状的感应电流﹐为涡流。由于导体的电阻很小﹐涡流可能达到很大的强度﹐从而产生很大的热效应。从能量角度看﹐就是从电源吸收很多能量﹐在导体内转变为热能。

在工程上涡流损耗常用下列经验公式计算﹕

Pe=σef2B2mV式中 σe--与导体的电阻率﹑厚度及磁通波形有关的系数﹐由实验测定﹔Pe--涡流损耗﹐W。

由以上理论分析可知﹐在交流电压作用下﹐钢芯铝导线的能量损耗除了由直流电阻引起的功率损耗外﹐还应加上钢芯引起的磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe﹔而全铝合金导线则没有磁滞损耗。因此﹐全铝合金导线与钢芯铝导线的能耗差异将发生较大的变化。

3节电、节能及综合效益对比

上述分析从理论上进行了定性探讨。下以利-中110kV线路跨越黄河段为例比较说明:

3.1工程跨河耐张段长约1.42km,共使用铁塔5 基,跨越方式为独立耐张段,选取铝合金芯铝绞线JL/LHA2-210/220 和钢芯铝导线JL/G1A-400/35-48/7与JL/G1A-400/50-54/7,从导线的电气特性、机械特性、过载能力、高温弧垂、造价等方面进行分析比较。

选择的各种导线的技术参数见下表:

3.2 导线高温弧垂

在进行导线弛度计算时, 需将JL/G1A-400/50-54/7 钢芯铝绞线进行放松。导线平均运行张力为导线破坏张力的25%,各种导线在高温情况下的弧垂列于下表。

由上表可以看出, JL/G1A-400/50-54/7 钢芯铝绞线弧垂最大,JL/G1A-400/35-48/7 钢芯铝绞线及JL/LHA2-210/220 铝合金芯铝绞线弧垂基本相同,但均满足本工程对黄河的距离。

3.3 导线的价格分析

本工程跨河段线路长1.42km,导线的材料量及费用如下表:

由表可以看出, JL/G1A-400/50-54/7 导线线材投资最大,JL/LHA2-210/220 导线线材投资最低。而JL/LHA2-210/220 铝合金芯铝绞线的电阻损失较少,节能效果较好,因此在输送功率高、损耗小时数多时,JL/LHA2-210/220 铝合金芯铝绞线年费用相对钢芯铝绞线具有优势。

3.5从上例应用实例可看出﹐采用铝合金芯铝绞线建设成本最低。同时﹐采用全铝合金导线后与之相配的节能型铝合金金具--悬垂线夹﹑耐张线夹﹑接续金具及相关的保护金具也已研制出并投入生产。该类金具的破坏荷重及电气接触性能符合《GB2314-97》规定。全铝合金导线采用节能型铝合金金具﹐既保护了导线﹐同时也降低了金具的能耗﹐可进一步降低输电中的总能耗。

4结论

全铝合金导线的能耗比传统同截面的钢芯铝导线小已被理论和试验所证明﹐且具有抗拉强度大﹑弧垂性能好﹑导线表面硬度高﹑耐磨耐压﹑施工压接简单易行等优点﹐在技术上安全可靠﹐经济上效益显著﹐不仅适用于改造线路﹐而且对新建线路都具有良好的使用前景﹐值得大力推广。随着我国铝合金生产工艺和设备的不断改进﹐产品性能不断提高,产品价格不断下降﹐再加上自身优越的性能﹐更为全铝合金导线的推广使用创造了条件。

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