蘆 燈

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南250013）

0 引言

目前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，輸電線路傳輸能力已不堪承受電網(wǎng)快速擴(kuò)容的需求，成為工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。當(dāng)電力需求增長超過現(xiàn)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(shí)，可以繼續(xù)利用原有線路走廊和鐵塔，更換導(dǎo)線來提高輸送容量，碳纖維耐熱增容導(dǎo)線由此應(yīng)運(yùn)而生。

碳纖維耐熱增容導(dǎo)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(dǎo)線即可提升線路輸送容量。不需要新建桿塔和基礎(chǔ)，節(jié)省了寶貴的土地資源，并減少有色金屬資源消耗，符合建設(shè)“兩型三新”智能電網(wǎng)的方針政策。

1 碳纖維導(dǎo)線的增容特性

耐熱導(dǎo)線具備增容特性，將導(dǎo)線允許運(yùn)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(yōu)于普通導(dǎo)線，最高可以實(shí)現(xiàn)提高100%輸送容量。碳纖維導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 梯形軟鋁型線碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線

碳纖維耐熱增容導(dǎo)線提高輸送容量主要依賴以下兩點(diǎn)特性［1］：

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

（2）低弧垂特性。由于碳纖維導(dǎo)線的碳纖維復(fù)合芯線型膨脹系數(shù)顯著優(yōu)于導(dǎo)體部分，當(dāng)運(yùn)行溫度提升至相應(yīng)遷移點(diǎn)時(shí)，鋁部不再承擔(dān)應(yīng)力，導(dǎo)線張力全部轉(zhuǎn)移至碳纖維芯。此時(shí)，整根導(dǎo)線的機(jī)械特性得到大幅提升，線型膨脹系數(shù)降低75%左右，極大優(yōu)化了弧垂特性。

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

2 增容改造中應(yīng)用碳纖維導(dǎo)線的前提條件

將增容導(dǎo)線應(yīng)用于實(shí)際工程尤其是老線路改造工程中，有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要特別注意：應(yīng)滿足已建線路桿塔的使用條件，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)程中相關(guān)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(dǎo)線后，作用于鐵塔的縱向張力、覆冰條件下垂直荷載、大風(fēng)條件下水平荷載應(yīng)不超過原線路所用導(dǎo)線。

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

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

（3）水平荷載。即大風(fēng)條件下水平荷載，導(dǎo)線直徑應(yīng)不大于已建線路導(dǎo)線，即導(dǎo)線受風(fēng)面積應(yīng)較小。

綜上，碳纖維導(dǎo)線具有單位重量小、額定拉斷力大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，較易滿足上述要求。

2.2 滿足規(guī)程中交叉跨越距離要求

輸電線路導(dǎo)線在相應(yīng)溫度下的弧垂，均需滿足相關(guān)電力規(guī)程的規(guī)定。耐熱增容導(dǎo)線替換原導(dǎo)線后，其弧垂在正常運(yùn)行和短期過載兩種情況下，均不應(yīng)大于同等情況下原導(dǎo)線的弧垂。

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

3 碳纖維耐熱導(dǎo)線弧垂計(jì)算

3.1 遷移點(diǎn)溫度及應(yīng)力的計(jì)算

按一般導(dǎo)線機(jī)械特性計(jì)算原則，為簡化計(jì)算過程，計(jì)算中忽略導(dǎo)線的蠕變性能。當(dāng)溫度高于遷移點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)線彈性模量為常數(shù)，ΔL表示整根導(dǎo)線長度增加量，ΔL1表示碳纖維復(fù)合芯長度增加量，ΔL2表示鋁合金導(dǎo)體長度增加量。

已知：

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

另外，導(dǎo)線線長l的近似計(jì)算公式為［3］：

代入15℃無風(fēng)無冰狀態(tài)下架線時(shí)導(dǎo)線張力以簡化計(jì)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(jìn)相關(guān)參數(shù)迭代計(jì)算出σn：

式中，σn為在溫度為15℃、比載為gn＝g1時(shí)的應(yīng)力。

由公式（4）轉(zhuǎn)換得計(jì)算遷移點(diǎn)溫度的公式：

由此得出遷移點(diǎn)溫度。

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

3.2 導(dǎo)線溫度大于遷移點(diǎn)時(shí)的弧垂計(jì)算

導(dǎo)線的溫度超過遷移點(diǎn)時(shí)，溫度和張力按如下公式計(jì)算：

式中，T2為遷移點(diǎn)以上任意溫度下的張力。

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

4 應(yīng)用碳纖維耐熱導(dǎo)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(dǎo)線均具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）減少鐵塔鋼材和基礎(chǔ)用量。對于老線路的增容改造，不需新建鐵塔和基礎(chǔ)，僅將原導(dǎo)線更換為碳纖維耐熱增容導(dǎo)線，即可實(shí)現(xiàn)大幅提高線路輸送容量的目的，大大節(jié)省了鐵塔鋼材和基礎(chǔ)的材料量，這也是應(yīng)用碳纖維導(dǎo)線的最大優(yōu)勢。對于新建線路，碳纖維導(dǎo)線具有單重輕、高溫弧垂優(yōu)等特點(diǎn)，可使導(dǎo)線對鐵塔作用力減少約25%，降低鐵塔平均高度，并使鐵塔結(jié)構(gòu)更加緊湊，可降低鐵塔重量、縮小基礎(chǔ)根開，降低工程綜合造價(jià)［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(fù)合芯導(dǎo)線來代替常規(guī)導(dǎo)線，由于碳纖維導(dǎo)線導(dǎo)體采用軟鋁，導(dǎo)電率比普通導(dǎo)線中硬鋁提高約3.3%。碳纖維導(dǎo)線所采用的復(fù)合芯不產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，可將損耗顯著降低。另外，碳纖維導(dǎo)線排列結(jié)構(gòu)緊湊、填充系數(shù)高，外表面遠(yuǎn)比常規(guī)圓線同芯絞線光滑，可有效減小電暈損耗，同時(shí)降低可聽噪聲和無線電干擾。據(jù)測算，在相同負(fù)荷條件下，等截面的碳纖維導(dǎo)線較鋼芯鋁絞線可減少約6%的電能損失［5］。

4.2 社會(huì)效益

（1）節(jié)約土地資源。隨著我國城市化建設(shè)的快速發(fā)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(tǒng)的發(fā)展增加了難度。在已建線路上更換碳纖維耐熱增容導(dǎo)線，既可以提高系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)增容改造的目的。另外，新建線路中采用碳纖維導(dǎo)線，投運(yùn)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(jié)省一半，土地資源得到極大的節(jié)約。

（2）減少對地方發(fā)展的影響。由于不需要新開拓線路走廊，減少了對地方發(fā)展規(guī)劃的影響，也免去了向地方政府辦理路徑協(xié)議這一環(huán)節(jié)。同時(shí)，碳纖維導(dǎo)線往往應(yīng)用于線路走廊特別緊張的地區(qū)，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(dǎo)線的應(yīng)用實(shí)例

下面根據(jù)工程實(shí)例具體論述碳纖維耐熱增容導(dǎo)線的選型應(yīng)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(dǎo)線設(shè)計(jì)荷載。根據(jù)系統(tǒng)輸送容量的要求，擬對線路進(jìn)行增容改造，使改造后能夠達(dá)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(dá)12回，已無新建線路走廊。下面以碳纖維導(dǎo)線JRLX／T－455／52為例，驗(yàn)算該種導(dǎo)線是否能應(yīng)用到老線路鐵塔上實(shí)現(xiàn)倍容，同時(shí)與耐熱殷鋼導(dǎo)線方案進(jìn)行了對比分析。

5.1 應(yīng)用耐熱增容導(dǎo)線的可行性分析

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

由表1可以看出，碳纖維導(dǎo)線和殷鋼導(dǎo)線兩種導(dǎo)線在安全系數(shù)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(dǎo)線要求；而且兩種導(dǎo)線的覆冰垂直荷載和大風(fēng)水平荷載均小于原1×LGJ－400／35導(dǎo)線，因此滿足原線路鐵塔設(shè)計(jì)條件，可以直接更換。

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

表1 導(dǎo)線載流量、荷載和弧垂對比表

因此，兩種耐熱增容導(dǎo)線均可代替原導(dǎo)線，其中碳纖維導(dǎo)線機(jī)械特性優(yōu)于耐熱殷鋼導(dǎo)線，弧垂優(yōu)勢較為明顯。

5.2 投資分析

根據(jù)向廠家咨詢的價(jià)格，兩種耐熱導(dǎo)線在工程中的投資如表2所示。

表2 導(dǎo)線投資對比表

以往我國碳纖維復(fù)合芯原材料一直依靠進(jìn)口，造成該導(dǎo)線的價(jià)格較為昂貴。目前國內(nèi)已有多家廠家具備碳纖維導(dǎo)線的生產(chǎn)能力，該導(dǎo)線造價(jià)已大幅下降。由上表可見，碳纖維導(dǎo)線與殷鋼導(dǎo)線相比，每千米、每回路可節(jié)約投資8.25萬元，本工程共節(jié)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(dǎo)線，技術(shù)方案可行，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，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(shí)現(xiàn)提升輸送容量100%。

6 結(jié)語

總之，碳纖維耐熱增容導(dǎo)線具有自重小、抗拉強(qiáng)度大、耐高溫、載流量大、損耗低、弧垂小等優(yōu)點(diǎn)，可在輸電線路增容改造中大量推廣應(yīng)用。

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

［2］邵天曉.架空送電線路的電線力學(xué)計(jì)算［M］.北京：中國電力出版社，2003.

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

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

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

［6］GB50545—2010 110～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.