碳纤维复合芯导线在华东电网的应用分析

朱忠烈，张旭航，祝瑞金，曹 炜，杜 洋

（1.华东电网有限公司，上海 200002；2.上海电力经济技术研究院，上海 200002；3.上海电力学院，上海 200090）

1 采用碳纤维复合芯导线提高输送能力

随着我国经济建设的快速发展，电力需求不断增长，电力负荷不断增加，电源容量和用电需求的增长以及环境保护要求的不断提高，使得我国现有的输电线路已经不能适应电力传输快速扩容的需求，现有线路的传输容量已经成为电力工业发展的瓶颈［1］。

碳纤维复合芯导线（ACCC）的结构独特，内部是1根由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的复合芯，外层由1系列呈梯形截面的软铝线绞合而成。导线重量轻，电阻小，表面光滑不易舞动，拉力质量比大，弧垂随温度的变化小等［2］。碳纤维复核芯承担导线总的力学性能，具有强度高、密度小、膨胀系数小、耐腐蚀等特点。外层软铝具有导电率高、电阻小、自阻尼性能强的特点。

国外碳纤维复合芯软铝导线的生产厂家目前有2家，分别是美国CTC公司（Composite Technology Corporation）和美国水银电缆公司（Mercury Cable ＆Energy LLC）。其中CTC公司研制的碳纤维复合芯软铝导线（型号为ACCC／TW），2004年8月首次安装在试验线段上，2005年1月正式在实际线路工程上应用。迄今为止，国外共有15条线路（均为单回路）使用该种导线。法国于2005年开始进行碳纤维复合芯软铝导线应用试验，试验线路的长度分别为0.8 km和0.4 km。

从2005年开始，我国多家单位开始对碳纤维复合芯导线的技术进行研究。这些单位主要有：远东电缆有限公司、中国电力科学研究院、航天四院43所、辽宁省电力公司与哈玻院、华北电力科学研究院和河北硅谷化工有限公司等。从2006年6月至今，我国挂网运行的碳纤维复合芯导线的线路已经超过100条，长2 800 km，主要集中在110～220 k V线路上［3］。

华东电网是我国最大的区域电网，电源主要分布在沿江、沿海、铁路沿线以及两淮、苏北坑口，负荷中心主要集中在上海、苏南、浙北和浙南地区；华东电网内部也形成了结构迥异的多受端电网。未来2～3年，华东电网，特别是地处长三角的上海、苏南、浙北核心电网，仍将面临较大的运行压力。

随着电源的不断接入，特高压交流输电工程投产初期，都将带来落点附近部分断面局部时段输电受阻，例如：复奉特高压直流送出受阻、苏锡南部电网输电受阻等。同样，新增电源送出也受阻，例如：秦山核电、嘉兴三期电厂等新增电源因电网结构原因，也存在出力受阻问题。现有福建与浙江的联络通道不能满足福建富裕电力送出需求，窝电严重。由此可见，对原有线路进行增容改造，从而增加重要联络线的输送能力，对改善华东电网部分断面局部时段输电受阻、部分新增电源送出受阻有着重要意义。

2 华东500 k V线路改造经济性分析

2.1 增容改造项目

汾湖—三林双回线路（100 km）使用了3种导线：4×720 mm2导线、4×400 mm2耐热铝合金导线和4×400 mm2钢芯铝绞线，其允许载流量分别为3.24 k A（70℃）、4.1 k A（150℃）和2.9 k A（升温至80℃）。受4×400 mm2钢芯铝绞线限制，汾湖—三林双回线路热稳限额为2.6 GW（转移比为0.87）。“十二五”期间，随着奉贤直流（6.4 GW）、枫泾直流（3 GW）、同里直流（7.2 GW）的陆续投产，浙江电网承担的调峰压力增大，低谷时段汾湖—三林双回线路难以满足要求，需要进行增容改造。

2.2 增容改造方案

方案一 不改变原有线路基础及杆塔，将原有导线更换为近似截面的碳纤维导线（型号为JLRX-4×413／52），更换后运行温度低于120℃，汾湖—三林双回线路热稳限额为4.16 GW（线路额定电流按4.648 k A计）；运行温度为160℃时，汾湖—三林双回线路热稳限额为5.17 GW（线路额定电流按5.772 k A计）。

方案二 将原有线路及杆塔拆除，重建大截面钢芯铝绞线线路（型号为LGJQ-4×720），汾湖—三林双回线路热稳限额为3.58 GW（线路额定电流按4 k A计）。

以2013年华东电网夏季低谷典型方式为例进行校核，以上两种方案潮流计算结果如表1所示。

表1 两种方案潮流计算结果

由表1计算结果可见，两种方案均能满足汾湖—三林断面电力输送要求，方案一线路容量裕度更大。此外，由于采用碳纤维导线铝截面积相对较小，线路阻抗相对较大，因此碳纤维线路上通过潮流略小于大截面导线线路。

对于电网分布密集、短路电流问题严重的华东电网而言，使用碳纤维导线可减小导线截面，增大线路阻抗，提高线路电气距离，有一定限制电网短路电流的作用。

2.3 改造项目经济性分析

通过对线路增容改造方案的分析可以看出，两种方案在技术上均能满足要求，而且方案一线路容量裕度更大。从经济角度看，方案一碳纤维导线价格较贵，需要采用部分特殊金具，基本无需改变线路杆塔及其基础，施工工期较短；方案二导线价格相对便宜，但是原有线路基础及杆塔拆除重建费用较高，施工工期较长，总体方案经济技术比较，如表2所示。

表2 两种方案经济比较

2.4 改造后的运行费用计算

2.4.1 运行损耗对比

1）当JLRX-4×413／52导线的电阻率ρ为27.366Ω·mm2／km，20℃时导线单位长度的电阻r20为0.066Ω／km。

2）当LGJQ-4×720导线的电阻率ρ为28.264Ω·mm2／km，20℃时导线单位长度的电阻r20为0.039Ω／km。

根据温度在t时导线单位长度的电阻rt＝r20［1＋α（t-20）］，电阻的温度系数α为0.003 6，折算到运行温度下（钢芯铝绞线为80℃，碳纤维复合芯导线为120℃），方案一JLRX-4×413／52导线的r120为0.089 6Ω／km，线路长度为100 km，整条线路单线的电阻R为1.12Ω。方案二LGJQ－4× 720导线的r80为0.047Ω／km，线路长度为100 km，整条线路单线的电阻R为0.59Ω。

2.4.2 线路功率损耗对比

按80℃时r80为0.047Ω／km，线路长度为100 km，单条线路的电阻R为0.59Ω计算，方案一的线路功率损耗ΔP为9.02 MW。

按80℃时r80为0.047Ω／km，线路长度为100 km，单条线路的电阻R为1.12Ω计算，方案二的线路功率损耗ΔP为3.51 MW。

2.4.3 年运行费用对比

设线路的年最大负荷损耗时间τmax为3 000 h，平均电价为0.61元／k Wh，按年运行费用C＝ΔPmax×τmax×平均电价计算，方案一的年运行费用为1 660.54万元，方案二的年运行费用为642.33万元。

2.4.4 经济性评估

综上所述，虽然碳纤维导线本体价格较贵，但与相近规格的常规钢芯铝绞线的载流量相比，要高出1倍多。在线路增容改造工程中，可利用原有杆塔和基础，与方案二新建大截面导线线路相比，方案一可大幅降低工程总体费用，缩短工期，具有较好的技术经济效益。考虑运行费用后，由于方案一的线损为9.02 MW，大于方案二的线损3.51 MW，所以方案一的运行费用高于方案二。据估算，若采用碳纤维导线改造该项目，29年后其经济性优势将损失殆尽。若计及电价逐年上涨的趋势，该年限还会进一步缩短。

3 在华东电网的应用前景

为了解决华东电网面临输电受阻突出的问题，需要增加原有输电线路的载流能力。为此，在线路增容改造中，选择适合华东地区未来规划发展要求的输电线路十分重要。在众多新型增容导线中，碳纤维复合芯导线具有诸多优点，因而可以结合碳纤维复合芯导线的各项技术优势，针对华东电网的具体情况，对输电线路进行改造，是华东电网未来发展方向之一。

3.1 在大跨度的越江断面上新建输电线路

由于华东地区的地理环境复杂，大跨度的过江断面或陡峭不平的山峰随处可见。在这样的地区新建输电线路，倘若采用传统的钢芯铝绞线，由于杆塔间的跨距不满足实际情况的要求，使得施工难度增加，建设费用增加。

由于碳纤维复合芯导线的抗拉强度大、弧垂小、表面光滑不易舞动，这样的性能，保证了碳纤维复合芯导线在架设时将杆塔间的跨距增大，线路仍然能满足对地距离而且安全稳定。因此，将碳纤维复合芯导线应用在这些地区，可以减小施工难度，节约项目成本，也使得一些较难完成的线路建设项目得以轻松实现。

3.2 在某些特殊地区进行线路改造

由于输电线路可能要穿越城市、历史古迹、人口密集的交通枢纽等特殊地区，在进行线路改造时，若采用传统方式拆除杆塔，换上大线径的钢芯铝绞线，将会产生负面社会影响和一定的经济损失，并且增加线路改造施工的难度。

由于碳纤维导线重量较轻，在不改变线径的情况下，可以使线路输电容量增加1倍，因此在拆除或建设杆塔难度很大的地区，无需拆除杆塔，在原有杆塔上可以直接将原有导线更换成碳纤维复合芯导线。虽然碳纤维复合芯导线的线径较细，线路损耗比大线径的钢芯铝绞线大，运行起来经济性不好，但是这样做缩短了工期，对生产生活影响较小，由此带来的经济效益和社会效益也是十分可观的。

3.3 在无特殊要求的地区新建输电线路

在无特殊地理环境要求的地区新建线路，即选择钢芯铝绞线和选择碳纤维复合芯导线都能实现设计要求的地区，可以按照以下情况分析其合理性。相同线径的碳纤维复合芯导线比钢芯铝绞线的电阻小，线路损耗小，运行费用小。虽然在相同线径下，碳纤维复合芯导线的单价是钢芯铝绞线的3～4倍，但是随着运行时间的增加，据估算，10年内碳纤维导线在运行费用上节省的资金可以补偿其建设阶段多投入的费用。因此，在无特殊地理环境要求的地区，碳纤维导线同样具有一定的优势。

3.4 在无特殊要求的地区改造输电线路

在无特殊条件要求的地区改造线路，选用和原来线路相同线径的碳纤维导线，可以不用更换杆塔，这样可在线路改造工程中节省资金。但是，相比采用大线径的钢芯铝绞线的改造方案，碳纤维复合芯导线的运行费用高。据估算，1条500 k V的线路运行30年后，碳纤维复合芯导线的经济性优势将不复存在，所以在这种地区采用碳纤维复合芯导线改造原线路，需要全面综合考虑后再做决定。

4 结语

碳纤维复合芯导线是一种新型增容输电导线［4］，在机械、电气性能等方面都具有突出的优势。通过对华东电网1条500 k V输电线路的技术经济分析可以看出，应用碳纤维复合芯导线增容线路，虽然可以节省改造项目成本，但是该导线的运行损耗要比大线径的钢芯铝绞线大。在华东地区，基于不同的具体情况，可以利用碳纤维导线的性能优势解决一些特殊环境下的具体问题。因此，在不同场合下应用碳纤维复合芯导线，应视具体情况而定。

［1］ 梁华贵.1根220 k V碳纤维导线断线分析及预控［J］.中国电力教育，2010，（S1）：620-622.

［2］ 佘刚，孙学文，廖永红，吴宝平.碳纤维复合芯导线施工工艺改进［J］.湖北电力，2010，34（1）：57-58.

［3］ 李瑞，余虹云，余长水，曹钧.ACCC导线芯棒高温“竹节"现象浅析［J］.电力建设，2008，29（6）：22-25.

［4］ 谷俊秀.碳纤维复合芯铝导线国产金具的研制与应用［J］.电力建设，2009，30（12）：89-92.