王思源，楊 博，侯 駿，張 揚(yáng)，趙慶周

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250001；2.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250014；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

特高壓交流線路用于國(guó)內(nèi)最高等級(jí)網(wǎng)架構(gòu)建及跨大區(qū)同步聯(lián)網(wǎng)送電［1］。其主要特點(diǎn)為：電氣距離短，便于擴(kuò)大同步電網(wǎng)規(guī)模，提升抵御事故及新能源消納能力；電壓等級(jí)高、輸電能力強(qiáng)、功率損耗低及綜合效益高［2-3］。

特高壓交流線路通過(guò)提高線路額定電壓及輸送電流的方式提升輸送容量，1條特高壓交流線路自然傳輸功率相當(dāng)于4～6 條500 kV 交流線路的自然傳輸功率［3］。線路輸送電壓及電流的提高對(duì)特高壓交流線路的導(dǎo)線提出了更高要求，為滿足載流量及電磁環(huán)境的要求，我國(guó)已投運(yùn)及在建的特高壓交流線路導(dǎo)線型式由500 kV 交流線路的4×630 mm2截面提高至8×500 mm2（單回路）、8×630 mm2（雙回路）截面。線路電阻損耗隨線路電流呈平方關(guān)系增大，桿塔荷載隨導(dǎo)線分裂數(shù)及外徑呈直線關(guān)系增大，線路電阻損耗及桿塔線條荷載已成為特高壓交流線路輸送容量及經(jīng)濟(jì)性提升的關(guān)鍵因素。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有單重輕、載流量大、導(dǎo)電率高、電阻率低等優(yōu)點(diǎn)，特高壓交流線路工程使用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線能極大發(fā)揮碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線載流量大、線損低、弧垂小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可克服特高壓交流線路工程因?qū)Ь€引起輸送容量受限的缺點(diǎn)，因此碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在特高壓交流工程具有了廣闊的應(yīng)用空間［4-6］。

1 鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線特點(diǎn)

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（Carbon Fiber Composite Core Conductor）電氣及機(jī)械特性優(yōu)異，較鋼芯鋁絞線，優(yōu)點(diǎn)如下：

1）載流量大，線損低。通過(guò)采用導(dǎo)電率為63% IACS 的軟鋁，導(dǎo)線長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度由70 ℃提升至160 ℃，導(dǎo)線載流量提升近兩倍。通過(guò)采用梯形型線代替圓形絞線，提升了鋁導(dǎo)體填充率，等外徑條件下鋁截面較圓絞線提高約30%，降低了導(dǎo)線電阻［7］。

2）拉斷力大，安全性高。采用抗拉強(qiáng)度為2 400 MPa 的碳纖維復(fù)合芯代替抗拉強(qiáng)度為1 240 MPa 的鋼芯，大幅提高了導(dǎo)線拉斷力，增加了導(dǎo)線覆冰過(guò)載能力，提升了導(dǎo)線安全性［8］。

3）線膨脹系數(shù)小，拉重比大，弧垂特性優(yōu)異。導(dǎo)線弧垂小，檔距固定情況下，可降低桿塔高度，桿塔高度固定情況下，可拉大桿塔檔距，降低線路單位長(zhǎng)度內(nèi)桿塔數(shù)量，從而降低輸電線路單公里造價(jià)［9-10］。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線抗彎折能力較差，在施工過(guò)程中易出現(xiàn)折損，并且難以進(jìn)行全線探測(cè)，容易造成斷線故障，有較大的安全隱患。此外，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線需要特制楔形連接金具，工藝復(fù)雜、成本較高，且對(duì)施工工藝要求較高，嚴(yán)重限制了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的推廣應(yīng)用。針對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的不足，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線通過(guò)對(duì)碳纖維芯棒進(jìn)行鋁包覆，在保持碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線優(yōu)點(diǎn)的情況下，彌補(bǔ)了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線易折損的缺點(diǎn)，確保碳纖維復(fù)合芯處于預(yù)張力狀態(tài)，大幅提高導(dǎo)線耐剪切能力，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)促使鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線采用液壓式連接金具，降低連接金具造價(jià)及施工難度，提升導(dǎo)線安全性，為其在特高壓輸電線路中應(yīng)用提供可靠保障［11］。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線已在中國(guó)、美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)等幾十個(gè)國(guó)家及地區(qū)得以廣泛應(yīng)用，截至2020年，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線、鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線已在我國(guó)應(yīng)用26 000 km（導(dǎo)線單線長(zhǎng)度）以上［12-13］，典型應(yīng)用工程如表1所示。

表1 （鋁包覆）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用情況

在經(jīng)濟(jì)性方面，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線較碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線節(jié)省的連接金具費(fèi)用在輸電線路初投資中占比很小，考慮到鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線年費(fèi)用略優(yōu)于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，本文導(dǎo)線比選章節(jié)僅將鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線作為比選導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線在電氣特性、機(jī)械特性、經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面進(jìn)行綜合對(duì)比，對(duì)鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在特高壓交流線路工程的導(dǎo)線選型進(jìn)行研究并給出建議。

2 導(dǎo)線初選

目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)多條特高壓交流線路，線路每回正常輸送容量4 000～6 000 MW，每相電流2 431～3 646 A，N-1 原則下線路每回極限輸送容量8 000～12 000 MW，每相電流4 862～7 292 A，以經(jīng)濟(jì)電流密度0.9 A/mm2，算得導(dǎo)線總截面為5 402～8 104 mm2。參考國(guó)內(nèi)已投運(yùn)特高壓交流線路，本次導(dǎo)線選型的基準(zhǔn)導(dǎo)線為8×JL1/G1A-630/45（方案1）。導(dǎo)線選型需從電氣特性、機(jī)械特性及經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，導(dǎo)線截面、導(dǎo)線外徑、導(dǎo)線單重及導(dǎo)線載流量等因素均對(duì)導(dǎo)線技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選有影響。以8×JL1/G1A-630/45（方案1）導(dǎo)線為基準(zhǔn)，按照等鋁截面、等單重、等外徑、等載流量原則選定了如下導(dǎo)線進(jìn)行比選：8×JLRX1/F2A-630/45（方案2）、8×JLRX1/F2A-710/55（方案3）、8×JLRX1/F2A-800/50（方案4）、10×JLRX1/F2A-400/50（方案5，此截面電磁環(huán)境最小限值為10 分裂）。各比選導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 技術(shù)參數(shù)比選

3.1 邊界條件

目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)多條特高壓交流線路，以正在建設(shè)武漢—南昌特高壓交流線路為例進(jìn)行導(dǎo)線比選。其邊界條件如下：1）每回正常輸送容量6 000 MW，事故情況下極限輸送容量12 000 MW；2）線路年損耗小時(shí)數(shù)分別為3 000 h、4 000 h、5 000 h；3）同塔雙回路，單公里桿塔基數(shù)為2 基，直線塔與耐張比例為4∶1；4）設(shè)計(jì)風(fēng)速32 m/s，設(shè)計(jì)覆冰15 mm。

3.2 導(dǎo)線電氣特性

導(dǎo)線電氣特性主要包括載流量、電阻損耗與電暈損耗引起的電能損失及電磁環(huán)境問(wèn)題等。規(guī)范規(guī)定鋼芯鋁絞線長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度為70 ℃，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度為160 ℃［14-15］。各比選導(dǎo)線長(zhǎng)期允許溫度下的載流量如表3所示。

表3 導(dǎo)線允許載流量

由表3 可知，5 種導(dǎo)線方案載流量均滿足極限輸送容量要求。

特高壓交流線路由于電壓等級(jí)高，電磁環(huán)境問(wèn)題更為突出，主要包括導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度、無(wú)線電干擾、可聽(tīng)噪聲等幾個(gè)方面。

現(xiàn)行特高壓交流線路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)線路電磁環(huán)境進(jìn)行了限定，在規(guī)定距離下，無(wú)線電干擾不超過(guò)58 dB（μV/m），可聽(tīng)噪聲不超過(guò)55 dB（A）。各比選導(dǎo)線可聽(tīng)噪聲及無(wú)線電干擾如表4所示。

表4 導(dǎo)線可聽(tīng)噪聲及無(wú)線電干擾

由表4 可知，各比選導(dǎo)線方案可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電干擾滿足要求。

線路損耗包括電阻損耗及電暈損耗兩個(gè)方面，各導(dǎo)線方案線路損耗如表5所示。

表5 線路損耗

由表5 可知，所選10 分裂型式的鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線損耗高于鋼芯鋁絞線，另外3種8分裂型式的鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線損耗均低于鋼芯鋁絞線，8×JLRX1/F2A-800/50（方案4）導(dǎo)線損耗最低。

綜上，在電氣特性方面：各比選導(dǎo)線載流量均滿足要求，且鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線極限輸送容量大大高于鋼芯鋁絞線極限輸送容量，有較大容量?jī)?chǔ)備，具備大負(fù)荷轉(zhuǎn)移條件；各比選導(dǎo)線無(wú)線電干擾及可聽(tīng)噪聲均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；與鋼芯鋁絞線等截面、等單重、等外徑條件下，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線電阻損耗均低于鋼芯鋁絞線。

3.3 導(dǎo)線機(jī)械特性

導(dǎo)線機(jī)械特性主要包括：水平荷載、垂直荷載、覆冰過(guò)載能力、高溫弧垂。導(dǎo)線機(jī)械特性決定桿塔荷載、絕緣子及金具噸位等。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法計(jì)算的各比選導(dǎo)線機(jī)械特性如表6所示。

由表6可知，3種比選的大截面鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線覆冰過(guò)載能力優(yōu)于鋼芯鋁絞線，5種導(dǎo)線覆冰過(guò)載均超過(guò)20 mm，均滿足需求。4種鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線拉重比均大于鋼芯鋁絞線，相同規(guī)律檔距及檔距條件下鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線高溫弧垂較鋼芯鋁絞線高溫弧垂小1～3 m。在荷載特性方面，導(dǎo)線外徑、分裂數(shù)決定了風(fēng)荷載，單重決定了垂直荷載，拉斷力決定了張力荷載，各荷載決定因素與荷載成正相關(guān)?？傮w看，方案2、3荷載與方案1相當(dāng)，方案4荷載大于方案1，方案5荷載小于方案1，荷載越小，塔重越輕。

表6 導(dǎo)線機(jī)械特性

4 經(jīng)濟(jì)性分析

線路費(fèi)用由初期投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用兩部分構(gòu)成，初期投資主要包括桿塔、基礎(chǔ)、導(dǎo)線、金具、絕緣子、接地裝置等，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)主要為線路電阻及電暈損耗。線路工程通常采用年費(fèi)用法判斷導(dǎo)線選型的合理性［16］。

4.1 初期投資

根據(jù)武漢—南昌特高壓交流線路工程南昌段實(shí)際情況，各比選導(dǎo)線方案初期投資如表7所示。

由表7可知，方案2—方案4由于導(dǎo)線單價(jià)高，導(dǎo)線單價(jià)相差不大，方案5 由于水平、垂直荷載均較小，降低了桿塔及基礎(chǔ)費(fèi)用，本體投資較低。

表7 各導(dǎo)線方案初期投資

4.2 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

線路投運(yùn)后的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用主要是線路電能損耗，其由電阻損耗及電暈損耗組成，線路損耗費(fèi)用除與電能損耗功率有關(guān)外，還與上網(wǎng)電價(jià)、線路年損耗小時(shí)數(shù)相關(guān)。此外，線路運(yùn)行維護(hù)也需要費(fèi)用，通常為線路造價(jià)的1.4%，考慮到該項(xiàng)占比較小且不影響導(dǎo)線選型，本文不再考慮此項(xiàng)。各比選導(dǎo)線方案線路損耗功率如表8所示。

表8 各導(dǎo)線方案線路損耗功率

4.3 年費(fèi)用

年費(fèi)用法是將各比選導(dǎo)線方案在全壽命周期內(nèi)的全部投入費(fèi)用折算至等額年費(fèi)用進(jìn)行比較，得出經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)方案。年費(fèi)用包括初期投資年費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)年費(fèi)用、電能損耗年費(fèi)用及資金利息。各比選導(dǎo)線不同上網(wǎng)電價(jià)、不同年損耗小時(shí)數(shù)、不同折現(xiàn)率條件下的年費(fèi)用如表9所示。

表9 各導(dǎo)線方案年費(fèi)用

由表9 可知，在不同上網(wǎng)電價(jià)、不同年損耗小時(shí)數(shù)、不同回收率情況下，比選的4 種鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線方案中8×JLRX1/F2A-630/45（方案2）年費(fèi)用基本最優(yōu)，其年費(fèi)用略高于基準(zhǔn)導(dǎo)線年費(fèi)用。考慮到鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線有較大容量?jī)?chǔ)備，具備大負(fù)荷轉(zhuǎn)移條件，在一定的工程設(shè)計(jì)條件下，該型鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線可代替常規(guī)鋼芯鋁絞線使用。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)特高壓交流線路及鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的特點(diǎn)，選取了4 種型號(hào)的鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線從電氣特性、機(jī)械特性及經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面與鋼芯鋁絞線進(jìn)行了全面比較。比選可知，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線8×JLRX1/F2A-630/45 電氣及機(jī)械特性優(yōu)于基準(zhǔn)導(dǎo)線8×JL1/G1A-630/45，經(jīng)濟(jì)性與基準(zhǔn)導(dǎo)線相當(dāng)。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有弧垂小、線損低、耐高溫、輸送容量大、儲(chǔ)備容量大、負(fù)荷轉(zhuǎn)移強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，隨著特高壓交流線路工程的發(fā)展，輸送容量大的特高壓交流線路推薦采用8×JLRX1/F2A-630/45鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線方案。未來(lái)，隨著鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線價(jià)格不斷降低，其在特高壓交流線路中的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加顯著。