碳纤维耐热导线在电网增容改造中的应用

芦 灯

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南250013）

0 引言

目前国内经济快速发展，输电线路传输能力已不堪承受电网快速扩容的需求，成为工业发展的“瓶颈”。当电力需求增长超过现有输电线路的输送容量，并且人口稠密、走廊紧张而难以新建输电线路时，可以继续利用原有线路走廊和铁塔，更换导线来提高输送容量，碳纤维耐热增容导线由此应运而生。

碳纤维耐热增容导线与钢芯铝绞线相比，可提高传输容量1倍，仅通过更换已建线路导线即可提升线路输送容量。不需要新建杆塔和基础，节省了宝贵的土地资源，并减少有色金属资源消耗，符合建设“两型三新”智能电网的方针政策。

1 碳纤维导线的增容特性

耐热导线具备增容特性，将导线允许运行温度提高，以提升单位输送容量，等截面前提下载流能力显著优于普通导线，最高可以实现提高100%输送容量。碳纤维导线结构如图1所示。

图1 梯形软铝型线碳纤维复合芯导线

碳纤维耐热增容导线提高输送容量主要依赖以下两点特性［1］：

（1）耐热特性。耐热导线导电基体为退火软铝线，具备较高温度下长期安全运行的特性。普通导线允许运行温度为70～80℃，退火软铝线运行温度最高可提升至210℃，单位截面输送电流能力因此增强。

（2）低弧垂特性。由于碳纤维导线的碳纤维复合芯线型膨胀系数显著优于导体部分，当运行温度提升至相应迁移点时，铝部不再承担应力，导线张力全部转移至碳纤维芯。此时，整根导线的机械特性得到大幅提升，线型膨胀系数降低75%左右，极大优化了弧垂特性。

通过耐热、低弧垂这两个特性，在解决输电线路增容改造问题时，不需新建输电线路，仅在已建铁塔上架设碳纤维耐热导线，即可提升线路输送容量30%～100%。

2 增容改造中应用碳纤维导线的前提条件

将增容导线应用于实际工程尤其是老线路改造工程中，有两个关键点需要特别注意：应满足已建线路杆塔的使用条件，应满足设计规程中相关交叉跨越要求。

2.1 满足已建杆塔的使用条件

更换为增容导线后，作用于铁塔的纵向张力、覆冰条件下垂直荷载、大风条件下水平荷载应不超过原线路所用导线。

（1）纵向张力。在满足安全系数不小于2.5的情况下，最大使用张力不超过老线路导线，即增容导线应有一定的抗拉强度。

（2）垂直荷载。即覆冰条件下垂直荷载，主要取决于导线的单位重量，即增容导线单重不大于老线路导线，另外也受导线外径制约。

（3）水平荷载。即大风条件下水平荷载，导线直径应不大于已建线路导线，即导线受风面积应较小。

综上，碳纤维导线具有单位重量小、额定拉断力大、结构紧凑等优点，较易满足上述要求。

2.2 满足规程中交叉跨越距离要求

输电线路导线在相应温度下的弧垂，均需满足相关电力规程的规定。耐热增容导线替换原导线后，其弧垂在正常运行和短期过载两种情况下，均不应大于同等情况下原导线的弧垂。

碳纤维导线可有效的利用其优良的高温低弧垂特性，满足对导线下方障碍物的交叉跨越距离，且导线温度越高这种优势就越明显。

3 碳纤维耐热导线弧垂计算

3.1 迁移点温度及应力的计算

按一般导线机械特性计算原则，为简化计算过程，计算中忽略导线的蠕变性能。当温度高于迁移点时，导线弹性模量为常数，ΔL表示整根导线长度增加量，ΔL1表示碳纤维复合芯长度增加量，ΔL2表示铝合金导体长度增加量。

已知：

导线温度与迁移点温度相同时，铝导体不再受力，因此将Ta＝0引入式（3），tc为迁移点温度，Tc为该温度下导线张力。则：

另外，导线线长l的近似计算公式为［3］：

代入15℃无风无冰状态下架线时导线张力以简化计算，令T1＝T01，代入式（4）、（9）整理得：

采用迭代法求出Tc。其中，T01引进相关参数迭代计算出σn：

式中，σn为在温度为15℃、比载为gn＝g1时的应力。

由公式（4）转换得计算迁移点温度的公式：

由此得出迁移点温度。

以上式中，T01为15℃时导线的张力；Tc为温度迁移点时导线承受的张力；αs迁移点以下为温度低于迁移点时的膨胀系数；αa为导体的膨胀系数；Es为复合芯的弹性模量；Ea为铝合金导体的弹性模量；t0为导线初始温度，一般为15℃（制造时的温度）；tc为迁移点温度；q1为每米导线自重；l为导线的线长；L为档距；S为导线截面积。

3.2 导线温度大于迁移点时的弧垂计算

导线的温度超过迁移点时，温度和张力按如下公式计算：

式中，T2为迁移点以上任意温度下的张力。

采用公式（13）可以计算出不同温度下的导线张力，并根据以下公式计算导线弧垂：

4 应用碳纤维耐热导线的效益分析

无论是在线路增容改造还是新建线路中，采用碳纤维导线均具有明显的经济效益和社会效益。

4.1 经济效益

（1）减少铁塔钢材和基础用量。对于老线路的增容改造，不需新建铁塔和基础，仅将原导线更换为碳纤维耐热增容导线，即可实现大幅提高线路输送容量的目的，大大节省了铁塔钢材和基础的材料量，这也是应用碳纤维导线的最大优势。对于新建线路，碳纤维导线具有单重轻、高温弧垂优等特点，可使导线对铁塔作用力减少约25%，降低铁塔平均高度，并使铁塔结构更加紧凑，可降低铁塔重量、缩小基础根开，降低工程综合造价［4］。

（2）减少电能损耗。对于新建线路按等截面原则选择碳纤维复合芯导线来代替常规导线，由于碳纤维导线导体采用软铝，导电率比普通导线中硬铝提高约3.3%。碳纤维导线所采用的复合芯不产生磁滞损耗和涡流损耗，可将损耗显著降低。另外，碳纤维导线排列结构紧凑、填充系数高，外表面远比常规圆线同芯绞线光滑，可有效减小电晕损耗，同时降低可听噪声和无线电干扰。据测算，在相同负荷条件下，等截面的碳纤维导线较钢芯铝绞线可减少约6%的电能损失［5］。

4.2 社会效益

（1）节约土地资源。随着我国城市化建设的快速发展，新建线路走廊难度越来越大，拆迁赔偿、施工征地等问题都给电力系统的发展增加了难度。在已建线路上更换碳纤维耐热增容导线，既可以提高系统输送容量，又不需新占用走廊、新建铁塔，不需任何土建施工即可实现增容改造的目的。另外，新建线路中采用碳纤维导线，投运一条同塔双回线路，可以获得四回路的输送容量，土地占用面积节省一半，土地资源得到极大的节约。

（2）减少对地方发展的影响。由于不需要新开拓线路走廊，减少了对地方发展规划的影响，也免去了向地方政府办理路径协议这一环节。同时，碳纤维导线往往应用于线路走廊特别紧张的地区，可大量减少因新建线路造成的巨额拆迁赔偿和大量的民事工作，有利于与地方的和谐相处。

5 碳纤维耐热增容导线的应用实例

下面根据工程实例具体论述碳纤维耐热增容导线的选型应用。山东聊城220kV聊尚线为同塔双回路，线路长度约30km，铁塔按1×LGJ－400／35导线设计荷载。根据系统输送容量的要求，拟对线路进行增容改造，使改造后能够达到双分裂2×LGJ－400／35的输送容量。由于500kV聊城站220kV出线密集达12回，已无新建线路走廊。下面以碳纤维导线JRLX／T－455／52为例，验算该种导线是否能应用到老线路铁塔上实现倍容，同时与耐热殷钢导线方案进行了对比分析。

5.1 应用耐热增容导线的可行性分析

将机械、电气特性相近的碳纤维导线JRLX／T－455／52和耐热殷钢导线STACIR／AW 360，与原线路导线LGJ－400／35的载流量、荷载和弧垂进行对比，如表1［6］所示。

由表1可以看出，碳纤维导线和殷钢导线两种导线在安全系数取值3.33和2.82的情况下，均能满足最大使用张力不超原线路导线要求；而且两种导线的覆冰垂直荷载和大风水平荷载均小于原1×LGJ－400／35导线，因此满足原线路铁塔设计条件，可以直接更换。

在满足2×LGJ－400导线载流量的前提下，碳纤维导线能满足弧垂不超过原LGJ－400／35导线的要求（规律档距350m时弧垂小0.7m）。而耐热殷钢导线由于运行温度较高，殷钢芯的线性膨胀系数较碳纤维略大，在相同规律档距下弧垂比原线路导线略大。

表1 导线载流量、荷载和弧垂对比表

因此，两种耐热增容导线均可代替原导线，其中碳纤维导线机械特性优于耐热殷钢导线，弧垂优势较为明显。

5.2 投资分析

根据向厂家咨询的价格，两种耐热导线在工程中的投资如表2所示。

表2 导线投资对比表

以往我国碳纤维复合芯原材料一直依靠进口，造成该导线的价格较为昂贵。目前国内已有多家厂家具备碳纤维导线的生产能力，该导线造价已大幅下降。由上表可见，碳纤维导线与殷钢导线相比，每千米、每回路可节约投资8.25万元，本工程共节约投资247.5万元。

综上所述，该改造工程采用JRLX／T－455／52型碳纤维导线，技术方案可行，经济性较优，不需占用土地和新建铁塔，仅利用已建220kV聊尚线铁塔即可实现提升输送容量100%。

6 结语

总之，碳纤维耐热增容导线具有自重小、抗拉强度大、耐高温、载流量大、损耗低、弧垂小等优点，可在输电线路增容改造中大量推广应用。

［1］尤传永.增容导线在架空输电线路上的应用研究［J］.电力设备，2006，7（10）：17－19.

［2］邵天晓.架空送电线路的电线力学计算［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［3］张颖璐.倍容量导线的张力弧垂特性分析计算［J］.电力建设，2006，27（9）：7－9.

［4］何州文，陈新，王秋玲，等.国内碳纤维复合芯导线的研究和应用综述［J］.电力建设，2010，31（4）：90－93.

［5］牛海军，万建成，董玉明，等.碳纤维复合芯梯形软铝导线的研究开发［J］.电力建设，2009，30（11）：92－95.

［6］GB50545—2010 110～750kV架空输电线路设计规范［S］.