万建成，司佳钧，刘彬，杨加伦，刘龙

(中国电力科学研究院，北京市 102401)

0 引言

在满足输电容量和电磁要求的前提下，采用扩径导线，可以减少导线的总质量或导线分裂根数，减少铁塔荷载和结构质量，降低线路投资［1］。若输送容量和利用小时数不高的线路需降低可听噪声，在导线分裂数相同的情况下，采用扩径导线与通过增大导线截面从而增大导线外径的方法相比，具有显著的经济效益。

扩径导线类型很多，结构差异较大，但根据用途可分为变电站用和输电线路用2类。目前我国输电线路用得较多的是疏绞型钢芯铝绞线，而且疏绞型扩径导线造价较低，是一般优先考虑的扩径方式［2］。以往工程中应用的是圆线疏绞型扩径导线，通过大量试验研究表明，大截面的圆线疏绞型扩径导线结构稳定性差、过滑轮易跳股，主要是由于导线内层本应均匀分布的铝线股经过滑轮后产生偏移而导致铝股聚集，同时层间的铝线为线与线的接触，极易发生铝线跳股现象［3］。

大截面扩径导线［4］是指铝股为4层或铝截面超过720 mm2的导线，它外径大、铝股内部空隙大、截面稳定性差，不宜采用圆线疏绞型扩径导线。因此要考虑一种新结构，可以改善层间铝股的接触状态，增大层间铝股接触面积，在达到扩径效果的同时保证截面结构稳定。

在疏绞型大截面扩径导线的结构设计阶段，通过开发出来的分析扩径导线截面稳定性的有限元仿真程序，解决评估其截面稳定性的难题，可以减少研发时间与成本;利用试制出来样品通过试验手段，验证扩径导线的结构稳定性是其工程应用的必经环节。本文通过理论分析、仿真计算和试验验证来研制疏绞型大截面扩径导线。

通过研制疏绞型大截面扩径导线，由此取得的技术进步，不但可以提升我国在该产品领域的制造技术，同时截面稳定性好，可用常规方法施工的大截面扩径导线还为我国在特高压、高海拔地区线路工程提供了一种新的选择方案［5-6］。

1 大截面型线疏绞型扩径导线的设计

1.1 导线结构设计

扩径导线跳股的主要原因是导线在拉伸载荷作用下通过滑轮弯曲形成明显铝股间接触塑性压痕，从而导致扩径导线直径的明显减缩，使最外层铝股间的原始间隙减少。当间隙减小到0后，如继续加载将使外层铝股沿径向相互挤压，导线内部各层直径缩减量大于导线外层缩减量时，继续增加的载荷将导致外层铝股失去邻外层铝股的径向支撑，从而导致外层的一些铝股被挤出层外的现象［7-9］。

对于截面大、扩径比较高的导线，若采用圆线疏绞型扩径方式，支撑层(非外层)铝股则无法达到对外层铝股有效支撑的效果，因此本文研究一种新型结构，铝股外层采用圆线密排，支撑层采用型线疏绞。导线的最外层由于铝股数多，若采用型线将提高占积率，不利于提高扩径比，故仍采用圆形铝线［8-10］，且绞线外层若不紧密光洁，将导致电晕产生，所以外层必须密排。把支撑层铝股设计为型线疏绞扩径方式，即将支撑层的圆形铝线更改成梯形，在原有紧密绞合结构的基础上少绞若干根型线单线，剩余的单线均匀分布，如此可以将层间铝股的线线接触改变为面面接触，提高了扩径导线的结构稳定性。

型线疏绞型扩径导线中的型线厚度与圆线的直径相同，如图1所示。圆线的线径和设计的型线厚度均为3.9 mm，以保证铝线层每层的外径与圆线疏绞式扩径导线每层的外径相同，如圆线疏绞式扩径导线的每层铝层的外径分别为11.7、27.3、35.0 mm，型线疏绞型扩径导线的每层铝层的外径亦相同，再根据型线的宽厚比4∶3设计型线的线径。

图1 型线扩径导线设计示意图Fig.1 Design of sectional diameter expanded conductor

试验过程中，发现梯形线倒角的大小严重影响了导线结构的稳定性，过小的倒角使得导线在过滑轮时内层的铝股极易发生断股现象［11］，因此，研究特别设计了大倒角的梯形铝股，如图2所示。通过大量试验数据的总结证明，梯形铝股的倒角控制在0.5～1.5 mm时，铝线通过滑轮后产生的压痕不明显，不易引起断股［12］。

图2 梯形线倒角的设计Fig.2 Design of ladder track chamfer

1.2 导线参数

导线截面如图3所示，导线中部为7根圆截面钢线，内层铝股、邻内层铝股和邻外层铝股为梯形截面，外层铝股为圆截面。

图3 JLXK/G2A-780(1000)/80导线截面图Fig.3 Section of JLXK/G2A-780(1000)/80

根据电磁环境控制要求，大截面扩径导线的外径应与JL/G2A－1000/80相等，即为42.88 mm。按电流密度为0.80 A/mm2设计，八分裂扩径导线的导电截面约为 780 mm2。因此，设计 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88的主要参数如表1所示。

表1 JLXK/G2A-780(1000)/80扩径导线技术参数表Tab.1 Parameters of expanded diameter conductor JLXK/G2A-780(1000)/80

1.3 导线技术经济比较

计算条件:导线年电阻损耗功率为系统额定输送功率11000MW(极导线额定电流5000A)，年损耗小时数分别为 3000、4000、5000、6000 h，电价为0.25、0.3、0.35、0.4 元/(kW·h)，年费用按工程经济使用年限取50年，电力工业投资回收率取8%，运行维护费率取1.5%。对8×1000 mm2截面导线方案进行了纵向比较，结果如下:采用8×JLXK/G2A-780(1000)/80，初期投资较8×1000 mm2常规导线方案低。全寿命周期内，由于8×JL/G3A-1000/45导线钢芯截面较8×JL/G2A－1000/80导线方案小，经济性较优;在电价较低、损耗小时数较小时，扩径导线方案经济性优于8×1000 mm2常规导线方案;在电价较高、损耗小时数较大时，经济性略差于8×JL/G3A-1000/45导线方案，且与8×JL/G2A-1000/80导线方案相当。

2 截面稳定性仿真分析

2.1 仿真流程

扩径导线的数值仿真流程如图4所示。

中国电力科学研究院开发了扩径导线截面稳定性分析软件，利用基于ANSYS软件APDL语言开发的全参数化的有限元程序对导线结构进行了数值模拟［13］，以预测跳股现象。

图4 扩径导线数值仿真流程示意图Fig.4 Numerical simulation process of diameter expanded conductor

2.2 失稳判据

根据扩径导线跳股机理来设计在建模仿真时导线截面失稳判据，当外层某个单线到最内层钢线中心的距离大于相邻单线则认定为跳股发生，可以用公式(1)表达，如图5所示。

图5 跳股判据示意图Fig.5 Criterion of string jump

式中:R(I)为加载变形后，最外层第I根单线中心到最内层钢线的中心距离;R(I+1)为加载变形后，与第I根单线相邻的第I+1根单线中心到最内层钢线的中心距离;Ro为最外层铝线半径;参考值取0.5～1.0。

以R(I)与R(I+1)之差与最外层铝线半径的比值k作为是否出现跳股现象的简单判断项，当这个数值大于参考值时表示跳股情况发生。

将数值模拟结果与试验结果对比，可得跳股准则的合理经验值为:对于3层铝股扩径导线，跳股准则判定值取1较为合理;对于4层铝股扩径导线，跳股判定值取0.5较为合理。

2.3 仿真结果

JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88扩径导线跳股临界载荷模拟结果，如图6所示，图中纵向为跳股判据值(R(I)与R(I+1)之差与最外层铝导线半径的比值)，最上端横线值为1，中间横线值为0.5;横向为导线长度方向。图中每根曲线代表导线外层每根铝股变形情况，其跳股临界载荷为25.0%RTS。

图6 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88扩径导线模拟结果跳股判断曲线图Fig.6 Criterion of string jump for simulation result of expanded diameter conductor JLXK/G2A-780(1000)/80-42.88

3 截面稳定性验证

3.1 模拟试验

由于现场展放试验需要的场地大、牵张设备多、导线长度长、试验周期长、费用高、跳股现象难以观测等因素，无法将之作为建模参数化试验研究的方式。因此本试验验证使用了模拟过滑轮试验设备，试验原理如图7所示。

图7 试验示意图Fig.7 Test schematic diagram

试验条件如下:(1)滑轮呈倒品字形摆放，1、3号滑轮直径为650 mm，2号滑轮直径为800 mm;(2)包络角为30°;(3)运动形式为往复运动;(4)机构行走速度为1 m/s;(5)试验设备的标高为1.5 m，观测点位于试件离开上部滑轮的位置;(6)最大加载力为500 kN;(7)试样长度为21 m。

取20次作为过滑轮次数上限，在某张力下，如果20次过滑车试验后没有发生跳股现象，则可以认为导线在此张力作用下不会跳股。采用顺序法逼近最小跳股张力，张力从15%RTS开始，若不跳股则试验张力每隔5%RTS递加，直到发生跳股为止。

3.2 试验结果

3.2.1 最小跳股张力

过滑轮试验选取导线LXK/G2A-780(1000)/80－42.88，试验得到此种导线跳股临界张力为25%RTS，与仿真模拟计算结果相同。

3.2.2 铝股压痕及单丝损伤

当扩径导线在较大的张力作用下通过滑车，因其内部同层铝线之间存在较大间隙，使其对相邻层铝线的支持力存在较大的缺失，从而使导线铝股层间产生了比一般常规导线严重的压痕。因为铝股材质相同，产生的层间压痕是相互镶嵌式的。这些压痕的累积将使导线的直径减小。扩径导线的典型压痕如图8所示［14］。

图8 导线铝线压痕图Fig.8 Creasing of aluminium conductor

由图8可见，随着张力的增加，导线各层铝股强度逐渐减小，由于导线中间层铝股疏绞较多，因此导线中间层的铝股强度损失最多。各层铝股强度的测量数据如表2所示。

表2 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88导线各层铝股试验后平均强度统计表Tab.2 Average intensity statistics of aluminum wire at each layer of conductor JLXK/G2A-780(1000)/80-42.88 after testing

3.2.3 导线截面变化

对25%RTS张力下经过20次滑轮试验的导线试件进行取样，并在树脂中浸泡，待树脂完全凝固后，沿导线径向切开，得到如图9所示的临界张力下导线跳股截面。

图9 扩径导线跳股处截面失稳照片Fig.9 Section instability of expanded diameter conductor when string jump

通过观察发现，外层铝线之间紧密接触，相互挤压。这是由于铝线发生局部塑性变形产生压痕导致的导线直径缩减，进而使外层铝线之间原始间隙减小，又使外层铝线之间发生相互挤压［15］。

4 结语

本文通过结构设计、仿真分析与试验验证，探索出一条研制扩径导线的道路。首创了一种大截面型线疏绞型扩径导线的新型结构，即铝股外层采用圆线密排，支撑层采用型线疏绞，设计了JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88。

技术经济分析表明JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88较常规等外径导线可节约投资，年费用在电价低、利用小时数低的工程上与常规等外径导线相当。

通过开发出来的分析扩径导线截面稳定性的有限元仿真程序，评估上述大截面型线疏绞型扩径导线的截面稳定性，计算结果表明其临界跳股张力为25%RTS。对试制样品进行过滑车试验，结果表明上述扩径导线的临界跳股张力为25%RTS，能够用于实际工程中。

综上所述，大截面扩径导线 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88，截面稳定性好，适用于电磁环境要求高、利用小时数低的工程。

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