碳纖維復合芯導線在華東電網的應用分析

朱忠烈，張旭航，祝瑞金，曹 煒，杜 洋

（1.華東電網有限公司，上海 200002；2.上海電力經濟技術研究院，上海 200002；3.上海電力學院，上海 200090）

1 采用碳纖維復合芯導線提高輸送能力

隨著我國經濟建設的快速發展，電力需求不斷增長，電力負荷不斷增加，電源容量和用電需求的增長以及環境保護要求的不斷提高，使得我國現有的輸電線路已經不能適應電力傳輸快速擴容的需求，現有線路的傳輸容量已經成為電力工業發展的瓶頸［1］。

碳纖維復合芯導線（ACCC）的結構獨特，內部是1根由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的復合芯，外層由1系列呈梯形截面的軟鋁線絞合而成。導線重量輕，電阻小，表面光滑不易舞動，拉力質量比大，弧垂隨溫度的變化小等［2］。碳纖維復核芯承擔導線總的力學性能，具有強度高、密度小、膨脹系數小、耐腐蝕等特點。外層軟鋁具有導電率高、電阻小、自阻尼性能強的特點。

國外碳纖維復合芯軟鋁導線的生產廠家目前有2家，分別是美國CTC公司（Composite Technology Corporation）和美國水銀電纜公司（Mercury Cable ＆Energy LLC）。其中CTC公司研制的碳纖維復合芯軟鋁導線（型號為ACCC／TW），2004年8月首次安裝在試驗線段上，2005年1月正式在實際線路工程上應用。迄今為止，國外共有15條線路（均為單回路）使用該種導線。法國于2005年開始進行碳纖維復合芯軟鋁導線應用試驗，試驗線路的長度分別為0.8 km和0.4 km。

從2005年開始，我國多家單位開始對碳纖維復合芯導線的技術進行研究。這些單位主要有：遠東電纜有限公司、中國電力科學研究院、航天四院43所、遼寧省電力公司與哈玻院、華北電力科學研究院和河北硅谷化工有限公司等。從2006年6月至今，我國掛網運行的碳纖維復合芯導線的線路已經超過100條，長2 800 km，主要集中在110～220 k V線路上［3］。

華東電網是我國最大的區域電網，電源主要分布在沿江、沿海、鐵路沿線以及兩淮、蘇北坑口，負荷中心主要集中在上海、蘇南、浙北和浙南地區；華東電網內部也形成了結構迥異的多受端電網。未來2～3年，華東電網，特別是地處長三角的上海、蘇南、浙北核心電網，仍將面臨較大的運行壓力。

隨著電源的不斷接入，特高壓交流輸電工程投產初期，都將帶來落點附近部分斷面局部時段輸電受阻，例如：復奉特高壓直流送出受阻、蘇錫南部電網輸電受阻等。同樣，新增電源送出也受阻，例如：秦山核電、嘉興三期電廠等新增電源因電網結構原因，也存在出力受阻問題。現有福建與浙江的聯絡通道不能滿足福建富裕電力送出需求，窩電嚴重。由此可見，對原有線路進行增容改造，從而增加重要聯絡線的輸送能力，對改善華東電網部分斷面局部時段輸電受阻、部分新增電源送出受阻有著重要意義。

2 華東500 k V線路改造經濟性分析

2.1 增容改造項目

汾湖—三林雙回線路（100 km）使用了3種導線：4×720 mm2導線、4×400 mm2耐熱鋁合金導線和4×400 mm2鋼芯鋁絞線，其允許載流量分別為3.24 k A（70℃）、4.1 k A（150℃）和2.9 k A（升溫至80℃）。受4×400 mm2鋼芯鋁絞線限制，汾湖—三林雙回線路熱穩限額為2.6 GW（轉移比為0.87）。“十二五”期間，隨著奉賢直流（6.4 GW）、楓涇直流（3 GW）、同里直流（7.2 GW）的陸續投產，浙江電網承擔的調峰壓力增大，低谷時段汾湖—三林雙回線路難以滿足要求，需要進行增容改造。

2.2 增容改造方案

方案一 不改變原有線路基礎及桿塔，將原有導線更換為近似截面的碳纖維導線（型號為JLRX-4×413／52），更換后運行溫度低于120℃，汾湖—三林雙回線路熱穩限額為4.16 GW（線路額定電流按4.648 k A計）；運行溫度為160℃時，汾湖—三林雙回線路熱穩限額為5.17 GW（線路額定電流按5.772 k A計）。

方案二 將原有線路及桿塔拆除，重建大截面鋼芯鋁絞線線路（型號為LGJQ-4×720），汾湖—三林雙回線路熱穩限額為3.58 GW（線路額定電流按4 k A計）。

以2013年華東電網夏季低谷典型方式為例進行校核，以上兩種方案潮流計算結果如表1所示。

表1 兩種方案潮流計算結果

由表1計算結果可見，兩種方案均能滿足汾湖—三林斷面電力輸送要求，方案一線路容量裕度更大。此外，由于采用碳纖維導線鋁截面積相對較小，線路阻抗相對較大，因此碳纖維線路上通過潮流略小于大截面導線線路。

對于電網分布密集、短路電流問題嚴重的華東電網而言，使用碳纖維導線可減小導線截面，增大線路阻抗，提高線路電氣距離，有一定限制電網短路電流的作用。

2.3 改造項目經濟性分析

通過對線路增容改造方案的分析可以看出，兩種方案在技術上均能滿足要求，而且方案一線路容量裕度更大。從經濟角度看，方案一碳纖維導線價格較貴，需要采用部分特殊金具，基本無需改變線路桿塔及其基礎，施工工期較短；方案二導線價格相對便宜，但是原有線路基礎及桿塔拆除重建費用較高，施工工期較長，總體方案經濟技術比較，如表2所示。

表2 兩種方案經濟比較

2.4 改造后的運行費用計算

2.4.1 運行損耗對比

1）當JLRX-4×413／52導線的電阻率ρ為27.366Ω·mm2／km，20℃時導線單位長度的電阻r20為0.066Ω／km。

2）當LGJQ-4×720導線的電阻率ρ為28.264Ω·mm2／km，20℃時導線單位長度的電阻r20為0.039Ω／km。

根據溫度在t時導線單位長度的電阻rt＝r20［1＋α（t-20）］，電阻的溫度系數α為0.003 6，折算到運行溫度下（鋼芯鋁絞線為80℃，碳纖維復合芯導線為120℃），方案一JLRX-4×413／52導線的r120為0.089 6Ω／km，線路長度為100 km，整條線路單線的電阻R為1.12Ω。方案二LGJQ－4× 720導線的r80為0.047Ω／km，線路長度為100 km，整條線路單線的電阻R為0.59Ω。

2.4.2 線路功率損耗對比

按80℃時r80為0.047Ω／km，線路長度為100 km，單條線路的電阻R為0.59Ω計算，方案一的線路功率損耗ΔP為9.02 MW。

按80℃時r80為0.047Ω／km，線路長度為100 km，單條線路的電阻R為1.12Ω計算，方案二的線路功率損耗ΔP為3.51 MW。

2.4.3 年運行費用對比

設線路的年最大負荷損耗時間τmax為3 000 h，平均電價為0.61元／k Wh，按年運行費用C＝ΔPmax×τmax×平均電價計算，方案一的年運行費用為1 660.54萬元，方案二的年運行費用為642.33萬元。

2.4.4 經濟性評估

綜上所述，雖然碳纖維導線本體價格較貴，但與相近規格的常規鋼芯鋁絞線的載流量相比，要高出1倍多。在線路增容改造工程中，可利用原有桿塔和基礎，與方案二新建大截面導線線路相比，方案一可大幅降低工程總體費用，縮短工期，具有較好的技術經濟效益。考慮運行費用后，由于方案一的線損為9.02 MW，大于方案二的線損3.51 MW，所以方案一的運行費用高于方案二。據估算，若采用碳纖維導線改造該項目，29年后其經濟性優勢將損失殆盡。若計及電價逐年上漲的趨勢，該年限還會進一步縮短。

3 在華東電網的應用前景

為了解決華東電網面臨輸電受阻突出的問題，需要增加原有輸電線路的載流能力。為此，在線路增容改造中，選擇適合華東地區未來規劃發展要求的輸電線路十分重要。在眾多新型增容導線中，碳纖維復合芯導線具有諸多優點，因而可以結合碳纖維復合芯導線的各項技術優勢，針對華東電網的具體情況，對輸電線路進行改造，是華東電網未來發展方向之一。

3.1 在大跨度的越江斷面上新建輸電線路

由于華東地區的地理環境復雜，大跨度的過江斷面或陡峭不平的山峰隨處可見。在這樣的地區新建輸電線路，倘若采用傳統的鋼芯鋁絞線，由于桿塔間的跨距不滿足實際情況的要求，使得施工難度增加，建設費用增加。

由于碳纖維復合芯導線的抗拉強度大、弧垂小、表面光滑不易舞動，這樣的性能，保證了碳纖維復合芯導線在架設時將桿塔間的跨距增大，線路仍然能滿足對地距離而且安全穩定。因此，將碳纖維復合芯導線應用在這些地區，可以減小施工難度，節約項目成本，也使得一些較難完成的線路建設項目得以輕松實現。

3.2 在某些特殊地區進行線路改造

由于輸電線路可能要穿越城市、歷史古跡、人口密集的交通樞紐等特殊地區，在進行線路改造時，若采用傳統方式拆除桿塔，換上大線徑的鋼芯鋁絞線，將會產生負面社會影響和一定的經濟損失，并且增加線路改造施工的難度。

由于碳纖維導線重量較輕，在不改變線徑的情況下，可以使線路輸電容量增加1倍，因此在拆除或建設桿塔難度很大的地區，無需拆除桿塔，在原有桿塔上可以直接將原有導線更換成碳纖維復合芯導線。雖然碳纖維復合芯導線的線徑較細，線路損耗比大線徑的鋼芯鋁絞線大，運行起來經濟性不好，但是這樣做縮短了工期，對生產生活影響較小，由此帶來的經濟效益和社會效益也是十分可觀的。

3.3 在無特殊要求的地區新建輸電線路

在無特殊地理環境要求的地區新建線路，即選擇鋼芯鋁絞線和選擇碳纖維復合芯導線都能實現設計要求的地區，可以按照以下情況分析其合理性。相同線徑的碳纖維復合芯導線比鋼芯鋁絞線的電阻小，線路損耗小，運行費用小。雖然在相同線徑下，碳纖維復合芯導線的單價是鋼芯鋁絞線的3～4倍，但是隨著運行時間的增加，據估算，10年內碳纖維導線在運行費用上節省的資金可以補償其建設階段多投入的費用。因此，在無特殊地理環境要求的地區，碳纖維導線同樣具有一定的優勢。

3.4 在無特殊要求的地區改造輸電線路

在無特殊條件要求的地區改造線路，選用和原來線路相同線徑的碳纖維導線，可以不用更換桿塔，這樣可在線路改造工程中節省資金。但是，相比采用大線徑的鋼芯鋁絞線的改造方案，碳纖維復合芯導線的運行費用高。據估算，1條500 k V的線路運行30年后，碳纖維復合芯導線的經濟性優勢將不復存在，所以在這種地區采用碳纖維復合芯導線改造原線路，需要全面綜合考慮后再做決定。

4 結語

碳纖維復合芯導線是一種新型增容輸電導線［4］，在機械、電氣性能等方面都具有突出的優勢。通過對華東電網1條500 k V輸電線路的技術經濟分析可以看出，應用碳纖維復合芯導線增容線路，雖然可以節省改造項目成本，但是該導線的運行損耗要比大線徑的鋼芯鋁絞線大。在華東地區，基于不同的具體情況，可以利用碳纖維導線的性能優勢解決一些特殊環境下的具體問題。因此，在不同場合下應用碳纖維復合芯導線，應視具體情況而定。

［1］ 梁華貴.1根220 k V碳纖維導線斷線分析及預控［J］.中國電力教育，2010，（S1）：620-622.

［2］ 佘剛，孫學文，廖永紅，吳寶平.碳纖維復合芯導線施工工藝改進［J］.湖北電力，2010，34（1）：57-58.

［3］ 李瑞，余虹云，余長水，曹鈞.ACCC導線芯棒高溫“竹節"現象淺析［J］.電力建設，2008，29（6）：22-25.

［4］ 谷俊秀.碳纖維復合芯鋁導線國產金具的研制與應用［J］.電力建設，2009，30（12）：89-92.