全铝合金和钢芯铝绞线比较

全铝合金导线和钢芯铝导线耗能机理的比较分析(图)

[摘要]通过对钢芯铝导线耗能机理的分析﹐对全铝合金导线和钢芯铝导线在同等条件下的能耗测试﹐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﹐值得在城乡电网改造中大力推广应用。

[关键词]钢芯铝导线全铝合金导线耗能节能

自从美国1921年开始采用铝合金材料作为导体以来﹐全铝合金架空导线的研究和应用已有数十年的历史。1956年和1959年法国﹑德国分别开始采用钢芯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。

1、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﹐达到铁磁物质的饱和。

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。

如要消去剩磁Br﹐需将铁磁材料反向磁化﹐当H在相反方向达到图中的-Hc值时﹐使B＝0﹐当H继续反方向增加时﹐铁磁物质开始反向磁化﹐当达到对称于原点0的c'时﹐再减少反向磁场使H＝0﹐此时有反向的剩磁-Br﹐再增大H直至c点﹐则B-H曲线的变化完成了一个回圈﹐所得近似对称于原点0的闭合曲线为磁滞回线。

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﹐Hz

Bm--磁感应强度最大值﹐T﹔

n--指数﹐当Bm＜1T时﹐n≒1‧6﹔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。

其它各参数的含义和上式相同。

由以上理论分析可知﹐导线在交流电压作用下﹐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。

2、能耗的实测结果

上述分析仅从理论上进行了定性探讨。为定量测试两导线问的能耗差别﹐我们与华东电力试验研究院和浙江电力金具开发研究所合作﹐对全铝合金导线和钢芯铝导线进行了同等条件下的能耗对比试验。

2.1试验要求

在试验回路里通以一定的电流﹐然后将2种不同型号的导线接人回路﹐分别测量导线的能耗。试验地点为通断能力试验室﹐主要试验设备为PS4-3型三相交流多菜单。

2.2试验接线图(如图4)

2.3试验实测结果（列于表1）

3、节电效益对比

全铝合金导线的能耗较传统同截面的钢芯铝导线小﹐已为理论和试验所证明。全铝合金导线LHBJ-300和钢芯铝导线LGJ-300/25的节电效益对比见表2。

从表2中可看出﹐采用全铝合金导线只需执行半年即可收回多投入的建设成本。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

全铝合金导线的应用在国外已有成功的先例﹐其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﹐而且对开新档案线路尤其是城区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。