碳纖維導線在500kV雙回輸電線路中的應用研究

盛尊華，王 煒，劉 哲

（河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031）

碳纖維復合芯 （Aluminum Conductor Composite Core，ACCC）導線與傳統導線相比具有重量輕、強度大、低線損、弛度小、耐高溫、耐腐蝕、與環境親和等優點，實現了電力傳輸的節能、環保與安全。與同樣直徑的鋼芯鋁絞線相比，ACCC 導線可以提供雙倍的載流容量。為進一步推動國家電網公司新技術的創新和應用，針對目前電網中部分輸電線路輸送能力不足等問題，考慮在500kV 輸電線路中應用ACCC導線，以提高電網的輸送能力。以下對某500kV 雙回輸電線路應用ACCC 導線方案的電氣性能、機械性能、經濟性進行分析，為ACCC 導線在線路工程中的推廣應用積累經驗。

1 概述

1.1 工程概況

西柏坡－石西500kV 雙回線路全長71.7km，位于河北省石家莊市平山縣、井陘縣、鹿泉市、元氏縣境內，全線地形為高山、一般山地、丘陵及平地，同塔雙回路架設。主要設計氣象條件分2種：高山和一般山地段的基本風速29m／s、覆冰10mm；平丘段的基本風速27m／s、覆冰5mm。常規導線方案為采用4×JL／G1A－400／35 鋼芯鋁絞線；全線架設雙地線，其中一根為OPGW－150（36）光纜。全線按e級污區配置絕緣。西柏坡－石西雙回線路正常情況下輸送潮流2×927 MVA，N－1情況下輸送潮流1 470.4 MVA，在相關其他線路嚴重故障方式下輸送潮流2×1750 MVA。正常情況下線路輸送潮流的功率因數可按0.95計算。河北省南部電網最大負荷利用小時數在6 000h左右。

1.2 ACCC導線方案

根據系統情況，西石線路的常規導線方案采用4×JL／G1A－400／35銅芯鋁絞線。以下分別按照等截面原則、等輸送容量原則選擇相應型號的ACCC導線進行研究。

a.按等截面原則，采用4×JLRX／F1－450／50 ACCC導線，其重量、直徑均接近（不大于）常規導線，可以采用與常規導線方案相同的鐵塔塔型、基礎、絕緣配置，除導線本身及個別相關金具外，其他技術方案與常規導線方案相同。按等截面原則，實際上所選ACCC 導線型號為以常規導線各技術方案為限制條件的最大型號。

b.按等輸送容量原則，采用4×JLRX／F1－240／30ACCC 導線，其輸送容量不小于常規4×JL／G1A－400／35鋼芯鋁絞線方案。按等輸送容量原則，實際上所選ACCC導線型號為受該種導線最高長期運行線溫、電暈等技術條件限制的最小型號。

c.為了研究的全面性，在2種方案之間再增加1種方案參與比較，選取4×JLRX／F1－300／40ACCC導線。各導線的主要參數見表1。

表1 導線型式及主要參數

針對以上3種ACCC 導線方案，計算分析載流量、電暈、線損等電氣性能，強度、張力、弧垂、覆冰過載能力等機械性能，導線本身、鐵塔塔材、基礎工程量、絕緣配置等本體工程量和工程造價。

2 電氣性能分析

碳纖維芯最高使用溫度可以達到180 ℃，甚至更好，而硬鋁線的長期運行溫度僅為70～80 ℃，因此目前ACCC導線的碳纖維芯與更加耐受高溫的軟鋁相配合，這樣可以充分利用導線的耐高溫特性、高導電率特性，使得導線輸送功率大，同時降低電能損耗。導線在相同運行溫度下對載流量及輸送容量進行分析，結果見表2。

表2 導線載流量和輸送容量分析

計算各導線方案在正常輸送功率927 MW 與極限輸送功率1 750 MW 下的導線運行溫度（環境溫度按40 ℃考慮），計算結果見表3。

表3 導線運行溫度和載流量分析

從表2、表3可以看出，與鋼芯鋁絞線4×JL／G1A－400／35同單重的碳纖維導線4×JLRX／F1－450／50的最高線溫為70 ℃時，載流量和輸送容量略大于鋼芯鋁絞線方案。隨著線溫的升高，輸送容量增加，線溫達到120 ℃時輸送容量實現“倍容”。與鋼芯鋁絞線4×JL／G1A－400／35同輸送容量的其他2種四分裂碳纖維導線方案，運行線溫在71～80℃之間，低于碳纖維導線拐點溫度。相同輸送容量下，各導線方案電能損失情況，見表4。其中，正常輸送容量為927 MVA，單相導線電流為282A，環境溫度為15 ℃，年最大負荷利用小時數為6 000h，年損耗小時數為4 350h。

表4 各導線方案電能損失情況

由于JLRX／F1－450／50的載流單元為導電率為63%的軟鋁，該導線比相同截面的鋼芯鋁絞線具有更小的交流電阻。導線截面越小，交流電阻越大，損耗越大［1］。

3 機械性能分析

ACCC導線采用軟鋁型線作為載流單元，相同截面的型線與圓線相比，直徑小，水平荷載小，可降低塔材指標；ACCC導線的拉重比較大，弧垂特性與覆冰過載能力較好。

3.1 弧垂特性［2］

根據各導線的機械參數，計算其弧垂（桿塔距離按照500m 計算），結果見表5。

表5 各導線方案弧垂特性

3.2 荷載特性

為了方便應用典設塔型，與4×JL／G1A－400／35導線的荷載特性相匹配，碳纖維導線JLRX／F1－450／50的安全系數為3.1。

表6 各導線方案荷載特性與絕緣子串配置方案

由表6可知，碳纖維導線的荷載較小，耐張串與懸垂串的配置與鋼芯鋁絞線的要求相同或較低，可減少附件的相關費用。

4 經濟性分析

4.1 初投資分析

根據西柏坡－石西500kV雙回線路工程情況，按各導線方案對應的導地線、桿塔、基礎、絕緣子金具及本體工程投資計算后，得到各導線方案初投資見表7。

表7 各導線方案初投資 萬元／km

由表7可知，碳纖維導線市場價格較高，導致各碳纖維導線方案初投資均比4×JL／G1A－400／35方案高。

4.2 經濟比較

根據最小年費用法，按碳纖維導線目前市場價格計算各導線方案年費用見表8。其中，年損耗小時數按4 350h計算，利率按10%計算。

表8 各導線方案經濟比較

由表8可知，由于碳纖維導線價格較高，碳纖維導線初期投資較高。4×JLRX／F1－300／40、4×JLRX／F1－240／30小截面碳纖維導線方案由于導線電阻較大，電能損失較高，導線年費用均高于4×JLRX／F1－450／50導線方案。

5 結論

a.ACCC導線的電氣性能優良，其高導電率特性，使得導線輸送功率較大，可以滿足西石線路的使用要求。

b.ACCC導線的機械性能優良，可以滿足工程需要。其中，搖擺角問題可以通過調整塔位、塔高解決，不是重要的影響因素。

c.3種ACCC導線方案中，按等截面原則選擇的4×JLRX／F1－450／50方案其全壽命經濟性最優；按等輸送容量原則選擇的4×JLRX／F1－240／30方案其工程本體投資最省。

［1］尤傳永.增容導線在架空輸電線路上的應用研究［J］.電力設備，2006，7（10）：17－19.

［2］梁旭明，余 軍，尤傳永.新型復合材料合成芯導線技術綜述［J］.電網技術，2006，30（19）：16－18.

［3］Alawar A，Bosze E J，Nuu S R，A composite core conductor for low sag at high temperatures［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20（3）：193－199.