JRLX/T型碳纖維復合芯導線的特性及工程應用

韓國聚，許紹良，劉廣增

(1.河南平頂山電力設計院，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

碳纖維復合芯導線(aluminum conductor composite core，ACCC)從2006年開始應用在國內電網中，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。該導線在材料和結構上和普通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小，縱向約為1.6×10-6/℃，而普通鋼芯約為11.5×10-6/℃。復合芯還具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等性能，復合芯為非磁性材料，不存在鋼絲引起的磁損和熱效應。

(3)導電部分采用退火純軟鋁，導電率較硬鋁高約2.7%;鋁股線為梯形，結構緊湊，填充系數為0.93(普通導線為0.75)，導線表面光滑［1-5］。

1 碳纖維導線的特性

由于材料和結構上的改進，使得JRLX/T型碳纖維導線與普通鋼芯鋁絞線(LGJ或ACSR)相比有如下優點:

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

普通LGJ型導線的彈性模數E為62～78 GPa，溫度線膨脹系數α為(15～20)×10-6/℃，JRLX/T型碳纖維導線由于采用了抗拉強度大、線膨脹系數小的復合芯，所以在導線由于電流增大而引起溫度升高、長度伸長時，其受力逐漸由鋁轉向復合芯承擔。根據試驗，在導線溫度達到60～80℃時，其整個導線的線膨脹系數和彈性模數都出現了1個遷移區域，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，導線也不會產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)碳纖維導線采用提純高導電的退火軟鋁線作為導電元件，根據上海電纜研究所電工材料及特種線纜質檢中心2007年5月31日對遠東復合技術有限公司 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其原有拉斷力。在設計線路時，該導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型導線的1.45～1.8倍(LGJ導線以允許溫度80℃考慮)，與常用導線的允許載流量［6-7］對比見表1。表1中環境溫度為25℃;*為估計值，非廠家提供;允許載流量與空氣溫度、風速、日照強度等有關系，不易得出精確的數值。

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

(3)碳纖維導線表面光滑，可使導線表面不易結冰，亦可減小空氣動力系數、減小導線風荷載。近年來，為防止導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;而碳纖維導線由于表面光滑、風載小，不易發生舞動，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越性。

(4)碳纖維導線在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、鄰近效應及磁滯渦流等影響比直流電阻略有增加，在50 Hz時LGJ導線約增加2.5%，JRLX/T導線約增加0.5%。隨著導線溫度的升高，其電阻亦隨之升高，JRLX/T型導線在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型導線比LGJ型導線其損耗可減少6%～8%。假如增加了JRLX/T型導線的輸送電流，則因導線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導線相比，其提高輸送容量和降低損耗不能同時實現。

2 碳纖維導線的工程應用

由于碳纖維導線優越的特性，在各級電壓的輸電線路上都有其廣泛的應用前景，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)都能顯示出其優越性。

2.1 新建線路

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

在城市電網中往往受城市規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(設計導線安全系數n=2.5、覆冰為10 mm)時，使用碳纖維導線比普通鋼芯鋁絞線檔距可增加5% ～20%，即可減少桿塔數量5% ～17%，桿塔承受導線風壓可減少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%，桿塔承受導線風壓可減少40% ～45%。實際上，碳纖維導線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線的不同而改變，和鋁芯的截面有關。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，這些差別又和設計氣象條件、導線使用安全系數、常用檔距等有關。根據我國目前線路設計的有關標準，可認為在按長期容許輸送電流選擇導線截面且正常拉力(n=2.5～3.0)時，碳纖維導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%，桿搭承受導線風壓可減少約40%。這作為一個概念性的數字提供初步方案比較用是合適的，工程設計則應根據工程具體條件來詳細計算比較。線路建設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、導地線、地形、地址、氣象條件、桿搭和基礎型式、原材料價格、施工費用等諸多因素的變化而差異很大。本體工程中導地線、桿搭和基礎的費用占了主要部分，就使用LGJ型導線的220 kV線路而言，導線費用大致占整個工程費的20%～25%，而桿搭和基礎費用又較此略高。

LGJ型鋼芯鋁絞線的價格以每 t計算，而JRLX/T型碳纖維導線是以每m計算，后者因其材料成本較高、設備投資較大，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線價格貴2～3倍。計入桿塔數量的減少以及由于桿塔受力的減少引起的桿塔、基礎用材量及占地的減少，線路工程費用中導線費用占的比例要增加，而桿塔和基礎費用占的比例要下降，整條線路的造價要根據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線截面，則碳纖維導線的線損將大幅增加，究竟選擇什么導線和截面，應綜合考慮線路造價和電能損耗來確定。不過碳纖維導線具有在抗冰雪、大風和防止導線舞動等方面的優越性，保證了線路的安全運行，其經濟價值不可估量。

2.2 增容改造線路

隨著電力需求的發展、電力系統的擴大，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線，碳纖維導線在不增加原有桿塔的受力和導線弧垂的條件下，代替原有的普通鋼芯鋁絞線，增加輸送容量，投資費用可大為節省。

因為原有桿塔檔距不變，桿塔風壓、導線質量和對地距離都比原來小，因此碳纖維導線的選用可適當放松，選用大一號的導線，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線路原導線為LGJ-300/40、n=2.5，更換為JRLX/T-310/40、n=2.72，其最大使用應力、平均運行應力、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，所以碳纖維導線用于老線路的增容改造其優勢是十分明顯的。

2.3 特殊情況下的應用

線路遇有高山峽谷或大江大河需要大跨越時，為減小導線弧垂和滿足懸掛點應力不超過最低點應力10%的要求，往往需要選用特殊的加強型導線。碳纖維導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，只能根據工程情況，選擇幾種不同的導線、檔距、塔高、基礎組合，進行經濟技術比較。

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

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

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

3 結語

由于原材料和結構的特性，使碳纖維導線具有強度大、耐熱性能好、高溫時溫度線膨脹系數小、彈性模量大、高溫弧垂小、載流量大、表面光滑、不易覆冰、空氣動力系數較小、在相同的鋁截面時比普通鋼芯鋁絞線質量小等優點。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℃)，該型導線與LGJ導線(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型導線承受塔受力下降20% ～40%，直線塔數量減少5% ～17%，承載導線風壓減小38%～46%。其造價應根據線路具體情況計算比較。在方案選擇時，還應考慮線路運行費用(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，將原導線更換成碳纖維導線，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性負荷的線路。但是從節能考慮，碳纖維導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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