作 者：陈 臻
单 位：江苏通光强能输电线科技有限公司
摘 要：本文主要介绍了一种节能型亚光导线设计探索。简述了节能导线和亚光导线的技术结合中设计选型和设计生产细节。该产品是针对光污染防护需求和节能环保双重新需求下，对现有导线产品进行技术叠加、产品迭代设计探索。
关键词：节能；亚光；光污染；环保；导线
随着工业化发展，环境污染愈发严重。除了空气污染、水污染等常规的环境污染外，一些新型的污染也开始出现，比如本文涉及到的光污染，就是其中之一。众所周知，因工艺和材质原因，导线的表面呈光亮的镜面，具有较强的镜面反射，进而形成一定的光污染。而由此诞生的反射型光污染在某些特殊地方，有着严重的安全隐患。例如横跨高速公路或者与高速公路并行的输电线路，其产生的光反射污染对汽车驾驶人员行车有着严重影响。例如在自然山水类的旅游景区内，就有着纵横交错但又必须存在输电线路，它产生的光污染不仅给游客带来了观赏上的不愉悦，更有可能对游客造成间接伤害。又例如建在机场附近的输电线路，同样对需要视野开阔、无遮挡、无光污染的飞行员有着不小的影响。国外一些发达国家早已经在尝试研究解决这些问题了，并且成功设计制造了表面反射度低的亚光表面架空导线，并在一部分特殊场合采用了低反射率的亚光导线。而我国的亚光架空导线仅在前几年刚刚开始研究设计和试制，并未应用在实际线路中。但是随着我国在光污染方面的法律法规逐渐健全以及时代发展环境需求，亚光导线的系列产品必定会逐渐发展壮大。结合近几年国家电网大规模推广“两型三新（资源节约型、环境友好型、新技术、新材料、新工艺）”线路建设，亚光导线也有了新的设计探索方向。本文就节能型导线和亚光导线的技术结合进行设计探索，从而完成一种全新的节能型亚光导线理论设计。全新的节能型亚光导线首要基础是选用导线主体。导线主体必须是节能型，即输电时节能，同时最好能兼顾节省材料，节约土地，性价比优良。现在国内比较主流的节能导线有铝包殷钢芯耐热铝合金导线、碳纤维导线、应力转移型导线。这些导线都是采用提高运行温度、增加线路输送容量的方式进行节能输电，而采用这种方式的导线必须具备两个条件。一是在高温运行下，导体强度下降幅度较小并兼有优异的导电能力；二是在高温运行下，导线整体的弧垂增量较小。总体来说都这三类导线都基本符合节能型导线的大致要求，但我们也要更细致地去全面比较各方面的优缺点，选择最佳的导线主体去进行设计探索。铝包殷钢芯耐热铝合金线经常被用于线路节能增容，因为其结构与钢芯铝绞线基本一致，仅在材料方面进行了替换优化，铝包殷钢替代了镀锌钢芯，耐热铝合金线替代了普通铝线。因为铝包殷钢芯的热膨胀系数很小，导线整体在高温下弧垂增量也较小，同时耐热铝合金线在高温下强度下降幅度也不大，金具等配套产品只要满足高温性能则与钢芯铝绞线架设安装无异，所以在节能型亚光导线选型方面有着巨大优势。但是该导线依然存在两个较大的问题，一是在实际使用中能耗线损过大；二是性价比差。当电流处于正常状态(非短路电流)下，铝包殷钢芯耐热铝合金线的电阻与常规导线的电阻相差无几。但我们要考虑到此类导线长期实际使用状态，它是用于长期倍容输送的线路，实际能耗损耗比两条线路传输相同电流时的损耗增加了一倍。同时殷钢含有36%~42%的稀有的有色金属Ni镍，价格十分高昂，这就导致了该类导线的整体价格过高。所以铝包殷钢芯耐热铝合金导线在能耗线损和性价比两方面有着相当大的劣势。本文挑选的碳纤维导线属于软型铝导线体系，全称碳纤维复合芯软铝型线绞线。该导线的优势十分明显，由于用的是软铝型线，所以导体导电率高，线路运行时能耗较少，非常节能。同时碳纤维导线可以在高温下（如至150℃）运行，这样就能增加线路的输送容量，同时产生的能耗也小，符合节能要求。再加上由于碳纤维芯重量轻，强度高，所以碳纤维导线整体拉重比很高，同时碳纤维芯热膨胀系数非常小，该导线在高温下的弧垂特性非常优异。但是碳纤维导线也存在着以下几个缺点。一是导线的配套金具较为复杂，且整体施工难度较大，需要进行极高专业水准的施工队伍；二是由于碳纤维导线本身和匹配金具价格十分高昂，整体的性价比差；三是碳纤维芯的外层为有机材料，使用寿命存疑。国内也有些极少的单独使用碳纤维导线输电线路，在施工架线陆续发现了些问题，抛开单丝断线、导线表面刮伤等普通导线也会遇见的常规问题外，有一个此类导线特殊的问题，导线的整体断裂。经过多方的相关试验、解剖断线耐张线夹等方式查证断线原因，从试验结论分析，主要存在碳纤维导线的碳芯径向耐压试验不合格问题。目前国标中关于碳棒的径向耐压试验要求，国内绝大多数的供应商只有Φ7.5及以上的规格碳棒能满足，对Φ6的碳棒（碳纤维导线使用的碳棒）进行径向耐压试验很难达到试件为100mm不小于30kN的国标要求。综合相关试验结论和调查情况，分析断线原因主要集中在压接过程中可能存在过压和其他压接工艺问题，以及导线产品本身质量问题（碳纤维导线的碳芯径向耐压试验不合格）。此类问题能够侧面反映出施工难，芯棒强度高却易损的问题。同时在生产和施工时，碳纤维芯探损难也成为困扰生产和施工人员的难题。综上所述，虽然碳纤维导线有着能耗少、输送容量大、弧垂小等优点，但也有着施工难、性价比差、寿命未知等缺点。应力转移型导线通常指应力转移型特强钢芯软铝型线绞线，它是一种相对比较成熟的节能型导线，已经很广泛的应用于全国各地。成绩比较突出线路有福建500kV龙岩-三明输电线路工程、湖南鹤岭～五中央双回220kV线路工程、福建500kV天贵（安八）线路增容改造工程、浙江500kV秦王5415/5416线秦山侧导线更换工程、青海110kV平乐开关站工程、青海那陵格勒河水电站110kV线路工程、宁德～兰田新Ⅱ回和Ⅲ回220kV线路工程、浙江绍兴局220kV凤双4317、凤桥4318线路更换工程等。应力转移型特强钢芯软铝型线绞线有着以下几个方面的优点。第一、该类型导线的导体导电率高，大大减少了输电的能耗，比较节能。第二、该类型导线具有良好的热膨胀系数，弧垂特性优异。能在高温下（如至150℃）运行，可增加线路的输送容量。第三、配套金具生产简单，能成套提供，价格相对廉价。导线整体价格不高，有着非常好的性价比。第四、施工架设方便、与常规导线基本一致，无需培训专业施工人员[1]。通过对以上三种类型的节能导线分析对比，我们发现应力转移型导线和铝包殷钢芯耐热铝合金导线相比，性能更加优秀，能耗损耗低，性价比高。应力转移型导线和碳纤维导线相比，有施工架设方便，寿命相对固定保证，性价比高的优势。应力转移型导线综合选型优势突出，没有明显缺点，节能环保，是最佳的节能型亚光导线的主体。全新的节能型亚光导线最终呈现的基础是亚光处理方法。亚光处理方法也得遵循节能环保、环境友好这一原则。现在比较主流的导线表面亚光处理方法有氧化法、着色法、喷砂法。氧化法又分两种方式，一是化学氧化法，二是阳极氧化。化学氧化法是利用化学溶液对铝材表面进行消光和酸蚀，使得铝材表面因发生均匀腐蚀而变得无光，达到亚光处理效果。其原理就是利用化学溶液里的卤族元素的离子，溶解铝制品表面的氧化膜，侵蚀基体金属，使之出现许多极为均匀、高密度分布的腐蚀点，最终得到亚光处理效果。化学溶液可以是酸性和碱性，但碱性化学溶液对铝材形成的耗损量比酸性化学溶液多很多。化学氧化法会产生很多有毒气体、废液、废渣，对环境造成严重污染。阳极氧化法是通过电化学反应，在导体表面形成一层薄而致密的阳极氧化膜，使导体由光亮镜面变为亚光表面，亚光效果要好于化学氧化法。但阳极氧化法需要很长的反应时间才能得到理想的亚光表面，这会严重影响亚光导线的生产效率。同时阳极氧化法也必须使用强酸性的电解液，这也会产生有毒气体、废液、废渣，对环境造成严重污染。着色法也可分两种方式，一是电解着色法，二是喷涂着色法。电解着色法是首先将铝材在硫酸电解液中制出洁净透明多孔的阳极氧化膜，再转移到酸性的金属盐溶液中施以交流电电解处理，将金属微粒不可逆的电沉积在氧化膜孔隙底部，最后进行封孔处理，从而达到亚光处理效果。电解着色法工序繁多，操作繁琐，生产效率极其低下，且生产过程中也使用了大量化学液体，同样也会造成各类环境污染。喷涂着色法是将亚光漆均匀喷涂在导体单丝表面，形成一层亚光涂膜，从而达到亚光处理效果。但亚光漆的耐水性、耐高温、附着性等方面有着一定缺陷性，容易在长期雨水冲刷中会发生脱壳脱落，同时这种生产工艺也较为繁琐，且亚光漆也是化学产品，也会产生坏境污染。喷砂法是一种机械物理方式的亚光处理方法，即通过特制的喷砂设备按照一定的喷砂频率、喷砂流量将细小钢砂高速抛落冲击在导体表面，使导体表面形成一层微小、密集、均匀的凹坑，当光线照射导体表面时，这些凹坑会将光线反射向不同的方向，从而达到亚光效果。且整个加工过程中，铝导体表面受到的几乎只是挤压，并无明显铝损[2]。通过对以上三种类型的亚光处理方式分析对比，我们发现氧化法和着色法都涉及化学溶液，在加工过程中产生了大量废液、废气、废渣，这会对环境造成各类污染，不太符合节能环保、环境友好这一设计初衷。而且这两类亚光处理方法需要新建化学反应池，占地广，生产成本高。并且生产过程复杂琐碎，需要研究编制配套生产工艺。同时氧化法和着色法的亚光处理环节比较耗时耗力，效率低下，不能和导线绞制生产很好得相结合，连续生产性极低，并且还有一定的安全风险。反观喷砂法，喷砂机结构简单，可移动。无需新建生产线，可以直接加装在成熟的导线生产线中。这大大降低了生产成本，也避免了化学处理方法带来的环境污染问题。真正做到了节能环保、环境友好要求，所以喷砂法是最佳的节能型亚光导线的亚光处理方法。节能型亚光导线整体结构是有由应力转移型导线和喷砂亚光处理共同组成，此类导线是由应力转移型导线生产线和喷砂机结合生产出来的。具体生产成型图如下图所示。本文设计的节能型亚光导线是应力转移型导线，此类导线因为有成熟的生产和运行实例，所以生产细节方面也是有的放矢，主要集中在原材料质量、铝型线生产及成品绞制三个方面。原材料方面，镀锌钢绞线要选用4级强度以上的，以便保持导线整体强度和保证应力转移后的整体弧垂性能。铝杆要选用高导铝杆，以便后续生产铝型线单丝导电率能达到62.5%以上，成为节能增容导线必要条件。铝型线生产方面，一是除了配备专门的型线拉丝设备，更要选择好与型线设计尺寸相适宜的拉丝模具，选取精加工的纳米模具，再配合上润滑效果佳的拉丝油就能生产出理想状态的型线单丝。二是在铝型线单丝退火时，退火温度和退火时间的控制也是重点，需要根据线材性能和截面大小设定相适宜的退火参数，必要时可先进行小炉试验从而得到需求设计参数。成品绞制方面，首先在导线成型步骤要特别注意，设定合适的控制气压和牵引力度及特殊生产工艺才能在生产中实现应力转移这一关键特性。其次因为亚光处理设备要加装在绞制设备条线中，所以需要绞制设备去配合亚光处理设备的安置，进行设备位置的细微调整，同时在生产中也要配合亚光处理设备实时调整生产速度。综合以上三个导体生产细节，我们会发现导体生产细节关键点在于原材料质量控制、铝型线生产控制及成品绞制控制以上既相对独立又息息相关的三个方面，只要找到抓住原材料关键参数、铝型线的退火温度和时间、应力转移特殊工艺及亚光处理配合度等几个关键点，便能生产出合格的节能型亚光导线的导体。本文设计的节能型亚光导线是采用喷砂法进行亚光处理。节能型亚光导线的表面反射率必须控制在32%以下，才能达到理想亚光处理效果，所以亚光处理细节集中在喷砂频率、喷砂流量、喷舱过线速度这三个方面。喷砂频率是节能型亚光导线亚光处理的主要影响因素，如果喷砂频率过低，导致细小钢砂喷到导线表面的力过小，从而达不到32%表面反射率要求，亚光效果就会很差；如果喷砂频率过高，导致细小钢砂喷到导线表面的力过大，使得凹坑尺寸偏大，导线表面发黑，影响表面外观质量，甚至会导致导线单丝力学性能下降。喷砂流量是节能型亚光导线亚光处理的重要影响因素，如果单位时间内喷到导线表面钢砂的数量过少，则钢砂对导线表面覆盖面就会不完全，甚至有些地方会漏喷，无法达到整体的亚光处理效果，而如果单位时间内喷到导线表面钢砂的数量过多，则会造成导线表面过喷的情况，同样会导致影响表面外观质量，甚至会导致导线单丝力学性能下降的问题，同时钢砂循环系统也会过载，造成喷腔阻塞，从而发生设备故障。喷舱过线速度同样是节能型亚光导线亚光处理的重要影响因素，这里的生产速率可以理解为前置导线绞制后经过喷舱的速度，如果喷舱过线速度过大，会出现导线表面漏喷或亚光效果欠缺的现象；如果喷舱过线速度过小，也会出现导线表面过喷现象，会导致影响表面外观质量和导致导线单丝力学性能下降的问题。综合以上三个亚光处理细节，我们会发现亚光处理关键点在于喷砂频率高低的控制，喷砂流量大小的控制，喷舱过线速度的快慢的控制以及这三个方面整体配合程度。只要找到合适的亚光处理生产速率，便能生产出合格的节能型亚光导线。本文设计的节能型亚光导线是节能型导线和亚光导线的技术结合，进行深度设计探索。这一新型导线符合国家大力提倡“两型三新”线路建设的思想，在资源节约型、环境友好型、新技术、新材料、新工艺各方面都有着其独有的突出优势。此类导线既能在老旧线路上改造时进行节能增容，又能在新建线路时节约土地和投资，属于资源节约型产品。其本身大部分原因是为了解决光污染这一新型污染而设计产生，特别是在设计生产中又使用了“绿色工艺”，避免了大量废液、废气、废渣等污染，不仅属于环境友好型产品，同时也涵盖新技术、新材料、新工艺等各方面。节能型亚光导线设计探索不仅扩大了国内亚光导线系列产品研究，也为国家电网建设提供了新思路。参考文献：
[1] 黄豪士,陆国钦,施海峰,顾炎．应力转移型特强钢芯软铝型线绞线的特性及应用[J]．电线电缆,2019,000(001):5-10
[2] 郑秋, 张传省, 王诗勇,等. 经喷砂处理后亚光架空导线的铝单线性能[J]. 电线电缆, 2012(2):4
