韓國聚，許紹良，劉廣增

(1.河南平頂山電力設(shè)計院，河南省 平頂山市，467001;2.河南省電力公司，鄭州市，450052;3.河南商丘供電公司，河南省 商丘市，476000)

0 引言

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(aluminum conductor composite core，ACCC)從2006年開始應(yīng)用在國內(nèi)電網(wǎng)中，這是繼美國2004年首條該型線路投運后，我國又引進的一項新技術(shù)。該導(dǎo)線在材料和結(jié)構(gòu)上和普通LGJ型鋼芯鋁絞線的不同之處在于:

(1)芯線采用抗拉強度達2 399 MPa的碳纖維和玻璃混合芯棒，而普通導(dǎo)線的鋼芯抗拉強度僅為1 240 MPa，高強絲為 1 410 MPa。

(2)芯線的溫度線膨脹系數(shù)小，縱向約為1.6×10-6/℃，而普通鋼芯約為11.5×10-6/℃。復(fù)合芯還具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等性能，復(fù)合芯為非磁性材料，不存在鋼絲引起的磁損和熱效應(yīng)。

(3)導(dǎo)電部分采用退火純軟鋁，導(dǎo)電率較硬鋁高約2.7%;鋁股線為梯形，結(jié)構(gòu)緊湊，填充系數(shù)為0.93(普通導(dǎo)線為0.75)，導(dǎo)線表面光滑［1-5］。

1 碳纖維導(dǎo)線的特性

由于材料和結(jié)構(gòu)上的改進，使得JRLX/T型碳纖維導(dǎo)線與普通鋼芯鋁絞線(LGJ或ACSR)相比有如下優(yōu)點:

(1)JRLX/T型碳纖維導(dǎo)線的綜合抗拉強度可達213～378 MPa，而 LGJ型導(dǎo)線為207～339 MPa。

普通LGJ型導(dǎo)線的彈性模數(shù)E為62～78 GPa，溫度線膨脹系數(shù)α為(15～20)×10-6/℃，JRLX/T型碳纖維導(dǎo)線由于采用了抗拉強度大、線膨脹系數(shù)小的復(fù)合芯，所以在導(dǎo)線由于電流增大而引起溫度升高、長度伸長時，其受力逐漸由鋁轉(zhuǎn)向復(fù)合芯承擔。根據(jù)試驗，在導(dǎo)線溫度達到60～80℃時，其整個導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)和彈性模數(shù)都出現(xiàn)了1個遷移區(qū)域，在60℃以下時α=(12.5×10-6)～(14×10-6)/℃，E=64～68 GPa;在80℃以上時α=1.6×10-6/℃，E=117 GPa。

本導(dǎo)線的極限工作溫度可達200℃，測試證明即使長期運行于165℃左右，導(dǎo)線也不會產(chǎn)生塑性變形或其他性能的改變，而普通鋼芯鋁絞線的極限工作溫度和長期工作溫度分別為120℃和70/80℃。

(2)碳纖維導(dǎo)線采用提純高導(dǎo)電的退火軟鋁線作為導(dǎo)電元件，根據(jù)上海電纜研究所電工材料及特種線纜質(zhì)檢中心2007年5月31日對遠東復(fù)合技術(shù)有限公司 JRLX/T-517/71樣品的試驗，在加溫至190℃并3 h后，其高溫拉斷力為149.5 kN，即為計算拉斷力182 kN的82%。還有試驗表明，導(dǎo)線加溫至140℃并3 h后，拉斷力與計算拉斷力一致，碳纖維芯經(jīng)160℃ 并400 h加溫后，拉斷力與計算拉斷力一致。因此可以認定導(dǎo)線能長期運行在140℃，而從160～200℃，雖短時拉斷力有所下降，但溫度降低后即能恢復(fù)其原有拉斷力。在設(shè)計線路時，該導(dǎo)線的長期容許輸送容量可以按溫度165℃來考慮，此時其輸送量為相同截面LGJ型導(dǎo)線的1.45～1.8倍(LGJ導(dǎo)線以允許溫度80℃考慮)，與常用導(dǎo)線的允許載流量［6-7］對比見表1。表1中環(huán)境溫度為25℃;*為估計值，非廠家提供;允許載流量與空氣溫度、風速、日照強度等有關(guān)系，不易得出精確的數(shù)值。

表1 碳纖維導(dǎo)線與LGJ普通導(dǎo)線允許載流量Tab.1 Accepted carrying capacity of ACCC and ACSR

(3)碳纖維導(dǎo)線表面光滑，可使導(dǎo)線表面不易結(jié)冰，亦可減小空氣動力系數(shù)、減小導(dǎo)線風荷載。近年來，為防止導(dǎo)線因風舞動引起的短路事故，某些地方加裝了相間間隔棒，費錢費力;而碳纖維導(dǎo)線由于表面光滑、風載小，不易發(fā)生舞動，從遼寧沈陽、江蘇常州、湖北宜昌反饋的用戶訊息中都肯定了這一點;又因表面光滑，有利于提高導(dǎo)線的電暈起始電壓，減少電暈損耗，降低電暈噪聲和無線電干擾。這一特點在特高壓線路上更能顯示其優(yōu)越性。

(4)碳纖維導(dǎo)線在20℃時的直流電阻比普通鋼芯鋁絞線小4% ～6%，交流電阻由于集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)及磁滯渦流等影響比直流電阻略有增加，在50 Hz時LGJ導(dǎo)線約增加2.5%，JRLX/T導(dǎo)線約增加0.5%。隨著導(dǎo)線溫度的升高，其電阻亦隨之升高，JRLX/T型導(dǎo)線在165℃時比20℃時高61%～63%。在一般溫度下，輸送相同的電流，相同截面的JRLX/T型導(dǎo)線比LGJ型導(dǎo)線其損耗可減少6%～8%。假如增加了JRLX/T型導(dǎo)線的輸送電流，則因?qū)Ь€損耗與電流平方成正比，且溫度升高電阻亦隨之升高，損耗的增加就更加明顯了。所以和LGJ導(dǎo)線相比，其提高輸送容量和降低損耗不能同時實現(xiàn)。

2 碳纖維導(dǎo)線的工程應(yīng)用

由于碳纖維導(dǎo)線優(yōu)越的特性，在各級電壓的輸電線路上都有其廣泛的應(yīng)用前景，在新建線路、增容改造線路、一些特殊情況下的線路(如大跨越，嚴重覆冰地區(qū))都能顯示出其優(yōu)越性。

2.1 新建線路

輸電線路建設(shè)中，影響造價的主要因素是導(dǎo)線和桿塔。承力桿塔的受力受導(dǎo)線最大使用張力控制，直線桿塔的受力一般受最大風壓控制。本導(dǎo)線最大的優(yōu)越性是載流量大、弧垂小，如都按長期允許載流量來選擇導(dǎo)線載面，則在相近允許載流量的情況下，使用本導(dǎo)線承力桿塔受力要比LGJ型導(dǎo)線下降20%～40%?，F(xiàn)今設(shè)計一般要求LGJ型鋼芯鋁絞線按允許溫度80℃來考慮其輸送容量，根據(jù)現(xiàn)行線路設(shè)計規(guī)程，導(dǎo)線對地距離按50℃時的弧垂考慮。而碳纖維導(dǎo)線目前設(shè)計規(guī)程尚無規(guī)定，該導(dǎo)線輸送容量按允許溫度165℃考慮，所以按165℃時的弧垂f165℃作為導(dǎo)線對地距離的控制弧垂而取其相應(yīng)的檔距。風壓之比考慮了檔距和導(dǎo)線直徑的差別，碳纖維導(dǎo)線由于表現(xiàn)較光滑、空氣動力系數(shù)較小，故實際風壓將更小。

在城市電網(wǎng)中往往受城市規(guī)劃和桿塔位置的限制，需要采用鋼管桿或高強度鋼筋混凝土單桿，而受桿塔強度的限制，必須放松導(dǎo)線、縮小檔距。

在使用普通鋼筋混凝土電桿或鐵塔的一般線路(設(shè)計導(dǎo)線安全系數(shù)n=2.5、覆冰為10 mm)時，使用碳纖維導(dǎo)線比普通鋼芯鋁絞線檔距可增加5% ～20%，即可減少桿塔數(shù)量5% ～17%，桿塔承受導(dǎo)線風壓可減少38%～46%。在需要使用高強度鋼筋混凝土電桿或鋼管塔的城市電網(wǎng)線路中(n=6、覆冰為10 mm)，檔距可增加8% ～16%，即桿塔可減少7%～14%，桿塔承受導(dǎo)線風壓可減少40% ～45%。實際上，碳纖維導(dǎo)線E與α的變化不會在80℃突變，必有過渡溫度，而且這一溫度隨著導(dǎo)線的不同而改變，和鋁芯的截面有關(guān)。因此只能大致確定一個和普通鋼芯鋁絞線檔距差別的范圍，這些差別又和設(shè)計氣象條件、導(dǎo)線使用安全系數(shù)、常用檔距等有關(guān)。根據(jù)我國目前線路設(shè)計的有關(guān)標準，可認為在按長期容許輸送電流選擇導(dǎo)線截面且正常拉力(n=2.5～3.0)時，碳纖維導(dǎo)線比普通鋼芯鋁絞線檔距約可增加15%，桿搭約可減少13%，桿搭承受導(dǎo)線風壓可減少約40%;在松弛拉力(n＞5)時，檔距約可增加12%，桿搭約可減少10%，桿搭承受導(dǎo)線風壓可減少約40%。這作為一個概念性的數(shù)字提供初步方案比較用是合適的，工程設(shè)計則應(yīng)根據(jù)工程具體條件來詳細計算比較。線路建設(shè)費用包括本體工程費用和其他費用2個部分，各占的比例隨電壓、導(dǎo)地線、地形、地址、氣象條件、桿搭和基礎(chǔ)型式、原材料價格、施工費用等諸多因素的變化而差異很大。本體工程中導(dǎo)地線、桿搭和基礎(chǔ)的費用占了主要部分，就使用LGJ型導(dǎo)線的220 kV線路而言，導(dǎo)線費用大致占整個工程費的20%～25%，而桿搭和基礎(chǔ)費用又較此略高。

LGJ型鋼芯鋁絞線的價格以每 t計算，而JRLX/T型碳纖維導(dǎo)線是以每m計算，后者因其材料成本較高、設(shè)備投資較大，故比相同截面的普通鋼芯鋁絞線每 m貴4～5倍，但因其輸送容量可增大60%～80%，所以僅比相同輸送容量的導(dǎo)線價格貴2～3倍。計入桿塔數(shù)量的減少以及由于桿塔受力的減少引起的桿塔、基礎(chǔ)用材量及占地的減少，線路工程費用中導(dǎo)線費用占的比例要增加，而桿塔和基礎(chǔ)費用占的比例要下降，整條線路的造價要根據(jù)線路具體情況進行比較，孰高孰低很難定論。但需要指出的是，如按長期容許電流來選擇導(dǎo)線截面，則碳纖維導(dǎo)線的線損將大幅增加，究竟選擇什么導(dǎo)線和截面，應(yīng)綜合考慮線路造價和電能損耗來確定。不過碳纖維導(dǎo)線具有在抗冰雪、大風和防止導(dǎo)線舞動等方面的優(yōu)越性，保證了線路的安全運行，其經(jīng)濟價值不可估量。

2.2 增容改造線路

隨著電力需求的發(fā)展、電力系統(tǒng)的擴大，有些線路的輸送容量已不能滿足要求，如果新建線路則投資較大，尤其在城市中新的線路路徑較難選擇，而且把老線路拆掉新建會影響供電。最佳的選擇是利用原有桿塔而另換輸送容量大的導(dǎo)線，碳纖維導(dǎo)線在不增加原有桿塔的受力和導(dǎo)線弧垂的條件下，代替原有的普通鋼芯鋁絞線，增加輸送容量，投資費用可大為節(jié)省。

因為原有桿塔檔距不變，桿塔風壓、導(dǎo)線質(zhì)量和對地距離都比原來小，因此碳纖維導(dǎo)線的選用可適當放松，選用大一號的導(dǎo)線，這樣可把輸送容量提高更多。亦可選用鋁芯截面比大一些的導(dǎo)線，既可充分利用承力塔強度，又可提高輸送容量。河南某220 kV線路原導(dǎo)線為LGJ-300/40、n=2.5，更換為JRLX/T-310/40、n=2.72，其最大使用應(yīng)力、平均運行應(yīng)力、垂直荷載、風荷載、弧垂都滿足要求，輸送容量可提高61%，綜合造價為106萬元/km。假如換成2×LGJ-300/40型導(dǎo)線，需要換桿塔，則綜合造價為190萬元/km，而且改造線路工期大大增大，所以碳纖維導(dǎo)線用于老線路的增容改造其優(yōu)勢是十分明顯的。

2.3 特殊情況下的應(yīng)用

線路遇有高山峽谷或大江大河需要大跨越時，為減小導(dǎo)線弧垂和滿足懸掛點應(yīng)力不超過最低點應(yīng)力10%的要求，往往需要選用特殊的加強型導(dǎo)線。碳纖維導(dǎo)線是比較理想的選擇，因其輸送容量大、破斷力大、重量輕、弧垂小，對桿塔的風荷載和垂直荷載較小，可以降低跨越塔的高度，從而有效減少桿塔和基礎(chǔ)的材料用量。因為具體工程情況差別很多，此處不便舉例，只能根據(jù)工程情況，選擇幾種不同的導(dǎo)線、檔距、塔高、基礎(chǔ)組合，進行經(jīng)濟技術(shù)比較。

在重覆冰區(qū)，線路的安全性應(yīng)特別關(guān)注，使用碳纖維導(dǎo)線有明顯的優(yōu)越性。當導(dǎo)線覆冰達到一定厚度時，導(dǎo)線將破斷。此時的覆冰厚度與導(dǎo)線的性能、設(shè)計采用的氣象條件、導(dǎo)線最大應(yīng)力和檔距等有關(guān)。由于碳纖維導(dǎo)線強度大，其破斷時的過載冰厚比普通LGJ導(dǎo)線大。如設(shè)計最大風速取30 m/s，冰厚取10 mm，導(dǎo)線安全系數(shù)取2.5，冰的比重為0.9，2種導(dǎo)線的極限冰厚見表2。

表2 外徑基本相同的導(dǎo)線極限覆冰厚度Tab.2 Limit value of ice thickness for nearly same diameter of conductors

普通LGJ型導(dǎo)線，當達到破斷力時其導(dǎo)線覆冰厚度往往超過設(shè)計冰厚很多。如導(dǎo)線設(shè)計安全系數(shù)為2.5，當設(shè)計冰厚為10 mm時，導(dǎo)線在覆冰40～50 mm時破斷(因?qū)Ь€大小而異);當設(shè)計冰厚為20 mm時，導(dǎo)線在覆冰46～57 mm時破斷，導(dǎo)線強度越大其破斷時過載冰厚越大。由于碳纖維導(dǎo)線的強度大，所以其過載能力亦大。此外，碳纖維導(dǎo)線表面光滑，表面相對不易形成結(jié)冰。在湖北、蘇南以及遼寧往年遭遇的特大冰雪災(zāi)害中大量線路受到破壞，使用該導(dǎo)線的線路卻安然無恙。

3 結(jié)語

由于原材料和結(jié)構(gòu)的特性，使碳纖維導(dǎo)線具有強度大、耐熱性能好、高溫時溫度線膨脹系數(shù)小、彈性模量大、高溫弧垂小、載流量大、表面光滑、不易覆冰、空氣動力系數(shù)較小、在相同的鋁截面時比普通鋼芯鋁絞線質(zhì)量小等優(yōu)點。若按允許溫度165℃考慮(允許最高溫度180℃，允許長期工作最高溫度165℃)，該型導(dǎo)線與LGJ導(dǎo)線(允許溫度80℃)相比，相同截面時，其輸送容量可提高45% ～80%。在新建線路中，相近載流量下可比使用LGJ型導(dǎo)線承受塔受力下降20% ～40%，直線塔數(shù)量減少5% ～17%，承載導(dǎo)線風壓減小38%～46%。其造價應(yīng)根據(jù)線路具體情況計算比較。在方案選擇時，還應(yīng)考慮線路運行費用(包括線路折舊、線損等)的影響。在增容改造的老線路中，可利用原有桿塔，將原導(dǎo)線更換成碳纖維導(dǎo)線，使輸送容量增加30% ～60%，改造費用僅為新建線路的50%左右。特別在線路走徑比較難找的情況下，選擇碳纖維導(dǎo)線往往是最佳的方案。為了能增加輸送容量而又盡可能地減少由此引起的年電能損耗，碳纖維導(dǎo)線特別適用于最大負荷利用小時比較小的線路，如抽水蓄能電站、風力電站的外送線路以及峰谷差大或季節(jié)性負荷的線路。但是從節(jié)能考慮，碳纖維導(dǎo)線的長期運作電流不能選得太大，運行溫度亦不能選得太高。

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