碳纖維耐熱導線在電網增容改造中的應用

蘆 燈

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南250013）

0 引言

目前國內經濟快速發展，輸電線路傳輸能力已不堪承受電網快速擴容的需求，成為工業發展的“瓶頸”。當電力需求增長超過現有輸電線路的輸送容量，并且人口稠密、走廊緊張而難以新建輸電線路時，可以繼續利用原有線路走廊和鐵塔，更換導線來提高輸送容量，碳纖維耐熱增容導線由此應運而生。

碳纖維耐熱增容導線與鋼芯鋁絞線相比，可提高傳輸容量1倍，僅通過更換已建線路導線即可提升線路輸送容量。不需要新建桿塔和基礎，節省了寶貴的土地資源，并減少有色金屬資源消耗，符合建設“兩型三新”智能電網的方針政策。

1 碳纖維導線的增容特性

耐熱導線具備增容特性，將導線允許運行溫度提高，以提升單位輸送容量，等截面前提下載流能力顯著優于普通導線，最高可以實現提高100%輸送容量。碳纖維導線結構如圖1所示。

圖1 梯形軟鋁型線碳纖維復合芯導線

碳纖維耐熱增容導線提高輸送容量主要依賴以下兩點特性［1］：

（1）耐熱特性。耐熱導線導電基體為退火軟鋁線，具備較高溫度下長期安全運行的特性。普通導線允許運行溫度為70～80℃，退火軟鋁線運行溫度最高可提升至210℃，單位截面輸送電流能力因此增強。

（2）低弧垂特性。由于碳纖維導線的碳纖維復合芯線型膨脹系數顯著優于導體部分，當運行溫度提升至相應遷移點時，鋁部不再承擔應力，導線張力全部轉移至碳纖維芯。此時，整根導線的機械特性得到大幅提升，線型膨脹系數降低75%左右，極大優化了弧垂特性。

通過耐熱、低弧垂這兩個特性，在解決輸電線路增容改造問題時，不需新建輸電線路，僅在已建鐵塔上架設碳纖維耐熱導線，即可提升線路輸送容量30%～100%。

2 增容改造中應用碳纖維導線的前提條件

將增容導線應用于實際工程尤其是老線路改造工程中，有兩個關鍵點需要特別注意：應滿足已建線路桿塔的使用條件，應滿足設計規程中相關交叉跨越要求。

2.1 滿足已建桿塔的使用條件

更換為增容導線后，作用于鐵塔的縱向張力、覆冰條件下垂直荷載、大風條件下水平荷載應不超過原線路所用導線。

（1）縱向張力。在滿足安全系數不小于2.5的情況下，最大使用張力不超過老線路導線，即增容導線應有一定的抗拉強度。

（2）垂直荷載。即覆冰條件下垂直荷載，主要取決于導線的單位重量，即增容導線單重不大于老線路導線，另外也受導線外徑制約。

（3）水平荷載。即大風條件下水平荷載，導線直徑應不大于已建線路導線，即導線受風面積應較小。

綜上，碳纖維導線具有單位重量小、額定拉斷力大、結構緊湊等優點，較易滿足上述要求。

2.2 滿足規程中交叉跨越距離要求

輸電線路導線在相應溫度下的弧垂，均需滿足相關電力規程的規定。耐熱增容導線替換原導線后，其弧垂在正常運行和短期過載兩種情況下，均不應大于同等情況下原導線的弧垂。

碳纖維導線可有效的利用其優良的高溫低弧垂特性，滿足對導線下方障礙物的交叉跨越距離，且導線溫度越高這種優勢就越明顯。

3 碳纖維耐熱導線弧垂計算

3.1 遷移點溫度及應力的計算

按一般導線機械特性計算原則，為簡化計算過程，計算中忽略導線的蠕變性能。當溫度高于遷移點時，導線彈性模量為常數，ΔL表示整根導線長度增加量，ΔL1表示碳纖維復合芯長度增加量，ΔL2表示鋁合金導體長度增加量。

已知：

導線溫度與遷移點溫度相同時，鋁導體不再受力，因此將Ta＝0引入式（3），tc為遷移點溫度，Tc為該溫度下導線張力。則：

另外，導線線長l的近似計算公式為［3］：

代入15℃無風無冰狀態下架線時導線張力以簡化計算，令T1＝T01，代入式（4）、（9）整理得：

采用迭代法求出Tc。其中，T01引進相關參數迭代計算出σn：

式中，σn為在溫度為15℃、比載為gn＝g1時的應力。

由公式（4）轉換得計算遷移點溫度的公式：

由此得出遷移點溫度。

以上式中，T01為15℃時導線的張力；Tc為溫度遷移點時導線承受的張力；αs遷移點以下為溫度低于遷移點時的膨脹系數；αa為導體的膨脹系數；Es為復合芯的彈性模量；Ea為鋁合金導體的彈性模量；t0為導線初始溫度，一般為15℃（制造時的溫度）；tc為遷移點溫度；q1為每米導線自重；l為導線的線長；L為檔距；S為導線截面積。

3.2 導線溫度大于遷移點時的弧垂計算

導線的溫度超過遷移點時，溫度和張力按如下公式計算：

式中，T2為遷移點以上任意溫度下的張力。

采用公式（13）可以計算出不同溫度下的導線張力，并根據以下公式計算導線弧垂：

4 應用碳纖維耐熱導線的效益分析

無論是在線路增容改造還是新建線路中，采用碳纖維導線均具有明顯的經濟效益和社會效益。

4.1 經濟效益

（1）減少鐵塔鋼材和基礎用量。對于老線路的增容改造，不需新建鐵塔和基礎，僅將原導線更換為碳纖維耐熱增容導線，即可實現大幅提高線路輸送容量的目的，大大節省了鐵塔鋼材和基礎的材料量，這也是應用碳纖維導線的最大優勢。對于新建線路，碳纖維導線具有單重輕、高溫弧垂優等特點，可使導線對鐵塔作用力減少約25%，降低鐵塔平均高度，并使鐵塔結構更加緊湊，可降低鐵塔重量、縮小基礎根開，降低工程綜合造價［4］。

（2）減少電能損耗。對于新建線路按等截面原則選擇碳纖維復合芯導線來代替常規導線，由于碳纖維導線導體采用軟鋁，導電率比普通導線中硬鋁提高約3.3%。碳纖維導線所采用的復合芯不產生磁滯損耗和渦流損耗，可將損耗顯著降低。另外，碳纖維導線排列結構緊湊、填充系數高，外表面遠比常規圓線同芯絞線光滑，可有效減小電暈損耗，同時降低可聽噪聲和無線電干擾。據測算，在相同負荷條件下，等截面的碳纖維導線較鋼芯鋁絞線可減少約6%的電能損失［5］。

4.2 社會效益

（1）節約土地資源。隨著我國城市化建設的快速發展，新建線路走廊難度越來越大，拆遷賠償、施工征地等問題都給電力系統的發展增加了難度。在已建線路上更換碳纖維耐熱增容導線，既可以提高系統輸送容量，又不需新占用走廊、新建鐵塔，不需任何土建施工即可實現增容改造的目的。另外，新建線路中采用碳纖維導線，投運一條同塔雙回線路，可以獲得四回路的輸送容量，土地占用面積節省一半，土地資源得到極大的節約。

（2）減少對地方發展的影響。由于不需要新開拓線路走廊，減少了對地方發展規劃的影響，也免去了向地方政府辦理路徑協議這一環節。同時，碳纖維導線往往應用于線路走廊特別緊張的地區，可大量減少因新建線路造成的巨額拆遷賠償和大量的民事工作，有利于與地方的和諧相處。

5 碳纖維耐熱增容導線的應用實例

下面根據工程實例具體論述碳纖維耐熱增容導線的選型應用。山東聊城220kV聊尚線為同塔雙回路，線路長度約30km，鐵塔按1×LGJ－400／35導線設計荷載。根據系統輸送容量的要求，擬對線路進行增容改造，使改造后能夠達到雙分裂2×LGJ－400／35的輸送容量。由于500kV聊城站220kV出線密集達12回，已無新建線路走廊。下面以碳纖維導線JRLX／T－455／52為例，驗算該種導線是否能應用到老線路鐵塔上實現倍容，同時與耐熱殷鋼導線方案進行了對比分析。

5.1 應用耐熱增容導線的可行性分析

將機械、電氣特性相近的碳纖維導線JRLX／T－455／52和耐熱殷鋼導線STACIR／AW 360，與原線路導線LGJ－400／35的載流量、荷載和弧垂進行對比，如表1［6］所示。

由表1可以看出，碳纖維導線和殷鋼導線兩種導線在安全系數取值3.33和2.82的情況下，均能滿足最大使用張力不超原線路導線要求；而且兩種導線的覆冰垂直荷載和大風水平荷載均小于原1×LGJ－400／35導線，因此滿足原線路鐵塔設計條件，可以直接更換。

在滿足2×LGJ－400導線載流量的前提下，碳纖維導線能滿足弧垂不超過原LGJ－400／35導線的要求（規律檔距350m時弧垂小0.7m）。而耐熱殷鋼導線由于運行溫度較高，殷鋼芯的線性膨脹系數較碳纖維略大，在相同規律檔距下弧垂比原線路導線略大。

表1 導線載流量、荷載和弧垂對比表

因此，兩種耐熱增容導線均可代替原導線，其中碳纖維導線機械特性優于耐熱殷鋼導線，弧垂優勢較為明顯。

5.2 投資分析

根據向廠家咨詢的價格，兩種耐熱導線在工程中的投資如表2所示。

表2 導線投資對比表

以往我國碳纖維復合芯原材料一直依靠進口，造成該導線的價格較為昂貴。目前國內已有多家廠家具備碳纖維導線的生產能力，該導線造價已大幅下降。由上表可見，碳纖維導線與殷鋼導線相比，每千米、每回路可節約投資8.25萬元，本工程共節約投資247.5萬元。

綜上所述，該改造工程采用JRLX／T－455／52型碳纖維導線，技術方案可行，經濟性較優，不需占用土地和新建鐵塔，僅利用已建220kV聊尚線鐵塔即可實現提升輸送容量100%。

6 結語

總之，碳纖維耐熱增容導線具有自重小、抗拉強度大、耐高溫、載流量大、損耗低、弧垂小等優點，可在輸電線路增容改造中大量推廣應用。

［1］尤傳永.增容導線在架空輸電線路上的應用研究［J］.電力設備，2006，7（10）：17－19.

［2］邵天曉.架空送電線路的電線力學計算［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［3］張穎璐.倍容量導線的張力弧垂特性分析計算［J］.電力建設，2006，27（9）：7－9.

［4］何州文，陳新，王秋玲，等.國內碳纖維復合芯導線的研究和應用綜述［J］.電力建設，2010，31（4）：90－93.

［5］牛海軍，萬建成，董玉明，等.碳纖維復合芯梯形軟鋁導線的研究開發［J］.電力建設，2009，30（11）：92－95.

［6］GB50545—2010 110～750kV架空輸電線路設計規范［S］.