输电线路节能增效技术发展

张俊岭

（广东电网公司惠州供电局，广东 惠州 516001）

电力系统的电力管理以及能源管理新技术是为达成包括输电线路节能增效在内的一项新技术，是国家电网在响应国家在电力系统中大力推广使用新产品、新材料、新技术、新工艺、新思路的号召，为坚持科学发展观努力建成我国的能源节约、环境友好型的智能型、高效型、节能型电网的目标而应用的一项新技术。输电线路是电力血液的血管，电力系统的载波通信也要依赖输电线路才能得以完成。我国的电网密度虽然已经较大，但是仍然无法满足高峰时的用电需求。新建线路虽然可以满足需求，但是对于电力系统而言，却面临着两方面的问题，一方面是比较现实的大规模投资问题，另一方面就是环保的问题，虽然电网施工只是点线结合的施工，占地较少，比较不占空间，然而，以整条线路计算，总占地面积就非常可观，在我国土地资源变得非常宝贵的情况下，如果能有其他的方法解决输电线路的容量问题就可以既避免了巨额的投资，又为国家节约了宝贵的土地资源，并且还达到了保护环境的目的，就可以既解决上述问题，又实现了电网输送能力的保障，可谓较为完美的解决方案。因此，采用较为先进、较为实用的新技术解决我国的电网的线路输送能力就成了摆在电力系统面前的一个大问题，基于此，我国的电力系统在借鉴国外发达国家的输电经验、输电方法上提出了提高导线能力的节能扩容、节能增效的战略思路。我国的现有的电网系统目前普遍存在着一个在用电高峰时的潮流输电能力不足的较为严重的问题，并且，在线路出现故障时，这种短时的输电能力不足就尤为明显，这种现象不但已经严重地影响了我国城市居民的用电舒适体验，而且也影响了电力系统的长期稳定安全的运营，因此，在经济效益与社会效益的双重压力之下，我国的电力系统开始对增容技术进行了深入的研究，并在近年来进行了应用方面的实验。

1 输电线路节能增效应用技术现状

扩大电网输电线路的输送能力的方法较多，比如能过抑制电力系统的低频率的振荡波，就可以将电网中超高压的交流输电线路的输送电力的能力提高；此外还有柔性紧凑型输电法等以及改变导线增容法、导线动态增容法、超高压特高压法等。不论采用哪种方法都受制于导线的载流量，通过物理学常识可知，导线的温度有两个决定因素，一个是电阻的阻值，电阻的阻值与导线的温度成正比，同时还有另一个因素，就是通过导线的电流强度，电流强度也与导线的温度成正比。因此，为了增加导线的载流量，也就是通过导线的电流强度，同时又要抑制导线的温度，使之不能过热，就只能从导线的电阻阻值与导线的性质上下工夫。一方面降低导线的电阻阻值，一方面使用新材料新工艺提高导线的耐热程度。

我国目前的增容方式已经在某些较为发达的地区开始率先进行使用，其中的主要方法是对现有线路的导线进行更换使用新型的温度稳定性更好的电力线路导线以及在输电线路上应用较为先进的自动化技术等。目前已经进入实用化阶段的主要电力系统输电线路增容方法有:动态增容法、同塔多回路输电法、紧凑输电法、新型导线法、柔性交流输电法、特高压法、大截面导线法等。其中的同塔多回路输电法在应用中最为简单易行，其方法就是在同一输电线路铁塔上架设多回线路，既解决了重复建设铁塔、浪费土地资源的问题又提高了输电能力。而其中的紧凑型电力线路输电法则是对输导线路的导线进行优化排列提高电力线路的输送能力。大截面导线技术就是更换现有导线，使用比现有导线更大的截面积的导线提高导线的载流量。这些新式的节能增容技术绝大多数是从线路以及线路的设计方面进行改变从而达到节能增容的目的。其中的某些节能增容方法尚需设备与软件的后续开发的支持，这些方法包括特高压法、柔性交流输电法、动态增容法、多导体法、高温低弧垂法等。其实，对于国家电网的长距离输送电力，其输送电能的能力直接取决于导线的稳定极限，超过这个稳定极限将会对导线造成致命的伤害。超高压与特高压法也可以使电力系统的输电线路效能得到有效的提升，因为，从物理学上看，电压越高，电流强度越低，这样就可以在同样的电力线路上输送更高的功率的电力。随着新材料的出现，殷钢线材、碳纤维导复合材料线材、铝合金线材也应运而生，这些线材通过提高其物理性质达到了更高的工作温度，从而保证了可以允许更大功率的电流通过，进而达到了节能增容的效果。我国蓬勃发展的与电力系统相关的产业正在继续为电力系统的节电增容进行着理论与实践的研究，相信随着这些能源研发产业的兴起，我国的电力系统的节能增容之路会更加宽广，会有一个更加光明的未来。下面就对相关的节能增容方法分别说明。

1.1 应用多分裂、大截面导线替换原有线路实现节能增容

国外发达国家的节能增容现状是许多国家都已经实现了超高压、特高压同时配合使用八分裂大截面导线的节能增容输电方式。下面就对这些国家的应用现状进行一一列举。通过这些国家所采用的较为先进的技术方法了解我国目前与世界发达国家之间的差距。

1.1.1 俄罗斯的重工业一直处于世界领先的水平，其电力系统的发展也已经达到了世界的顶尖水平。俄罗斯的电力系统的输电线路采用的是1150kV特高压输电技术，其电力线路使用的是八分裂300-400平方的钢芯铝绞线。

1.1.2 日本是仅次于美国的世界经济最为发达的国家，日本的工业品的制造水平一直居于世界先进水平，其电力系统也非常发达，电力系统的输电技术方法也十分先进。日本的输电线路使用的是1000kV特高压输电技术，其电力线路使用的是五种较为先进的八分裂导线。这五种八分裂导线分别是:低噪声钢芯铝绞线、钢芯耐热铝合金绞线、高强钢芯铝合金绞线、高强钢芯铝绞线、钢芯铝绞线。

表1 中国部分多分裂、大截面导线使用情况

表2 不同类型增容导线的含义与性能

表3 等直径JL/G1A、JL/LHA1及JLHA3的技术参数对比

1.1.3 韩国不仅是亚洲四小龙之一而且也是世界上仅有的七个国民人均收入超过二万美元的国家，我国在这方面与韩国的差距可谓是天壤之别。韩国的电力系统的输电线路采用的是765kV特高压的输电技术，其电力线路使用的是六分裂480平方的钢芯铝绞线。

1.1.4 美国765kV输电线路设计采用过3代分裂导线。第1代和第2代导线结构均为4分裂；第3代设计使用6分裂“Tern”ACSR（795kcm ACSR 45/7，直径 27 mm）导线，导线总截面积增加了15%，增加的两根子导线明显减少可听噪声和电晕现象。

我国目前采用4分裂导线。子导线截面也由300～400mm2增至630～720mm2。随着1000kV、±800kV和±660kV输电线路的建设，中国开始使用900mm2和1000mm2大截面导线（见表1）。

中国交流输电线路最大导线截面是720mm2，直流输电线路最大导线截面达到1000mm2，绝大部分是钢芯铝绞线。

1.2 老旧线路采用增容导线进行大容量节能改造

使用增容导线（也称高温低弧垂导线）对老旧线路进行大容量改造，增加负荷输送能力，是节能增效技术之一。

充分利用原有走廊和铁塔，将原有导线更换为增容导线。表2是不同类型铝合金与加强芯组合形成的不同类型增容导线的含义与性能。

2 输电线路新型节能增效技术

在传统的输电线路导线及地线节能增效技术的基础上，通过应用新材料、新设计思路和光纤技术，产生了许多新型导线及地线节能增效技术。

2.1 新型节能输电导线的研究和应用

2.1.1 铝合金芯铝绞线（ACAR或JL/LHA1）

ACAR 以高强度铝合金（6201）作为芯线，与硬拉1350铝线同心绞合而成。在某些结构中，铝合金线还要分布于铝层中（见图1）。中国近年也开始关注并试用该产品技术。

图1 铝合金芯铝绞线截面

2.1.2 中强度铝合金绞线（JLHA3）

JLHA3全部采用58.5%～59%导电率中强度铝合金材料，与等直径条件下的ACSR相比，电阻要小3.4%，无磁滞损耗，在输送相同负荷的条件下，因电阻较低，能够减少输电线路损耗。

表3是等直径 J L/G1A-630/45、JL/LHA1-465/

210及JLHA3-660导线的技术参数对比。

2.1.3 型线导线

型线同心绞架空导线是将型线结构的铝导体和圆线结构的钢绞线同心绞合形成。型线导线主要是成型铝绞线系列，其基本结构有SZ型和T型（见图2）。

2.1.4 小直径特高强度钢芯导线

图2 SZ型和T型型线导线截面

目前，铝包钢芯铝绞线的加强芯一般采用D2.6～4.8mm的钢线，镀锌钢线最大抗拉强度是1770MPa，铝包钢线最大抗拉强度是1340MPa（20%导电率）。

（1）提高钢线强度性能。研究发现钢线的线径和抗拉强度近似于反比关系。日本技术人员特别开发了小直径特高强度钢线（SST），其基本性能如表4所示。

表4 小直径特高强度钢线（SST）性能

（2）改善导线基本特性。利用特别开发的小直径特高强度钢线（SST）制成钢芯耐热铝合金绞线TACSR/SST-590平方。

2.2 输电线路地线节能技术研究和应用

尽管地线损耗只占系统损耗的一小部分，但减小它也能带来可观的收益。最常用减小地线损耗的技术是分段和换位。

2.2.1 光纤复合架空地线分段绝缘接地方式

光纤复合架空地线(OPGW)一般采用逐塔接地的运行方式。

以一条长为115km的500kV超高压同塔双回线路为例，经理论计算，4种不同接地方式下OPGW和分流地线单位长度所消耗的电能如表5所示。

表5 地线不同接地方式下的电能损耗

分流地线和OPGW 均采用分段绝缘单点接地或全线绝缘方式，可大大降低电能损耗，是输电线路节能降损的优选技术之一（见图3）。

图3 OPGW分段绝缘方案

2.2.2 开环地线新技术

美国电力公司（AEP）开发了一种开环地线技术，每个开环由2个相邻的换位铁塔和它们之间的地线构成（见图4）[6]。

图4 开环地线

2.3 输电导线的光纤温度、应力监测技术

利用光纤技术实现输电导线温度、应力等运行状态监测是一种先进技术。通过光纤在线测温，可提高线路的输电能力；可起到预警作用；可作为实施融冰的基础。OPPC在线监测系统界面如图5所示。

图5 基于光纤光栅的OPPC监控系统界面

2.3.1 基于光纤光栅的OPPC在线温度监测

从原理上而言，电网线路的输送能力取决于线路听三种状况，这三种状况就是线热稳定状况、线路的暂态稳定状况、线路的动态稳定状况。我国的输电线路输电能力目前尚低于西方发达国家的线路输送水平，但是，对于我国电力系统而言，基于我国的线路质量等方面的原因，绝对不能盲目追求西方发达国家的输电能力，否则将给我国的电网造成线路不可恢复性损坏。因为持续的过热并保持相当长的时间就必然引起导线的永久变形。

利用各档距中不同波长的光栅对各个温度监测点温度变化的灵敏性感知信息。

OPPC在线温度监测系统如图6所示。

图6 基于光纤光栅的OPPC在线温度监测系统示意

图7 基于光纤光栅的OPPC在线应力监测系统

2.3.2 基于光纤光栅的OPPC在线应力监测

应力监测系统采用光纤光栅应力传感器以及相应软件，可实现对架空线的弧垂和覆冰的监测。

结语

大力推进输电导线和地线产品的升级换代，进行材料更新、结构更新和性能更新。同时，中国设计和使用部门也应适时转变观念，推动新型输电导线和地线的应用实践，以实现输电线路节能增效和提高能源利用率。对于我国国家电网的一个告诫就是输电线路的温度保持在80摄氏度以下的水平是较为适宜的，一旦超过80摄氏度就非常容易出现导线的永久性故障。

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