低風壓絞合型碳纖維復合芯導線在沿海臺風地區的應用分析

王紅梅，王 煦，周華敏

（1.上海國纜檢測中心有限公司，上海200093；2.廣東電網有限責任公司，廣東 廣州510060）

0 引言

近年來強臺風頻發，給沿海地區的架空輸電網帶來嚴重的事故［1-4］，給電網調度和搶修造成很大的壓力，因此提高電網的抗風能力成為研究的熱點［5-9］。架空輸電線路中導線受到的風壓約占整個輸電線路受到風壓的50%～70%［10-12］，除了導線本身的強度要抵抗得住風荷載的作用外，導線支撐物（桿塔）也必須承受得住導線傳遞的及其桿塔本身受到的風荷載的聯合作用，導線的風壓對桿塔基礎和塔身本體的強度有著重要的影響。基于降低導線風壓的思路，國內外相關機構進行了各種研究，根據流體力學的原理并借鑒高爾夫球的表面結構特點，在導線表面設置特定數量的溝槽使導線表面具有一定的粗糙度，從而改變導線周圍流體的流動軌跡。經過試驗驗證，此類特殊結構導線的流體分離點滯后于普通結構導線，導線背面的回流區域有所減小，對風的阻力得以降低，此類特殊結構導線稱之為低風壓導線，其在高風速區域的風阻系數小于普通結構導線［13-15］。

絞合型碳纖維復合芯導線是一種新型架空導線，其具有重量輕、強度大、馳度低，耐高溫、抗腐蝕、載流量大的優點，在輸電線路上得到一定的應用［16-21］。將低風壓導線的設計思路應用到絞合型碳纖維復合芯導線上，將發揮兩種導線的優點，對于解決沿海臺風地區的輸電線路安全并提高輸送容量具有顯著的經濟效益。

1 導線特點介紹

1.1 低阻力系數

低風壓絞合型碳纖維復合芯導線，結構如圖1所示。外層為特殊設計的梯形耐熱鋁合金線，內層為圓形或普通梯形耐熱鋁合金線，加強芯為絞合型碳纖維復合芯。

圖1 低風壓絞合型碳纖維復合芯導線示意圖Fig.1 Sketch map for low-wind-pressure stranded carbon fiber composite core reinforced aluminum conductors

2013 年上海電纜研究所在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ-2進行了導線風洞測試，實驗選用試樣是直徑為33.4 mm的普通結構導線和低風壓結構導線，共取11.85 m/s、16.75 m/s、22.48 m/s、27.94 m/s、34.00 m/s 和39.80 m/s6 個風速。實驗結果表明：普通結構導線的風阻系數隨風速的增加呈現先下降后上升的趨勢，最終穩定在1.05左右；而低風壓結構導線的風阻系數隨風速增加呈現單調下降的趨勢；當風速為34.00 m/s 和39.80 m/s 時低風壓結構導線的阻力系數較普通結構導線分別降低23.8%和39.0%［22］。低風壓結構導線雖然在低風速區域內風阻系數略高于普通結構導線，但在高風速區域內具有顯著降低風阻系數的作用。根據實驗結果的線性回歸曲線圖推出低風壓結構導線在特定風速下的風阻系數如表1所示。

表1 等直徑下低風壓結構導線與普通結構導線的風阻系數Table 1 Wind resistance coefficient of low-wind-pressure structure conductors and common structure conductors with equal diameter

物體在流體中的阻力系數與物體的形狀及其表面特性有關，與物體的內在材料結構無關［23］，形狀與表面特性相同的低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的風阻系數也可按照表1中的數值進行相關設計和計算。

1.2 較小的風偏角

強臺風過境時，臨近地區架空導線的風偏角直接決定了導線與周圍事物的間距。根據日本古河在宮古島的線路模擬試驗，低風壓結構導線較相似規格的普通結構導線具有較小的風偏角，風速在40 m/s 時低風壓結構導線的風偏角為38°，而相似規格的普通結構導線的風偏角為50°，故采用低風壓結構導線可以降低導線橫擺幅度［24］。

根據力學分析，導線的橫擺角度與導線的自重成反比，與風壓荷載成正比。低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的自重約為等截面（具有相同的標稱總截面積）和等直徑（具有相同的標稱直徑）普通鋼芯鋁絞線的85%，高風速區域的風壓荷載小于或者等于等截面和等直徑普通鋼芯鋁絞線的70%，綜合兩個主要因素進行概算，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線在高風速區域的風偏角小于普通鋼芯鋁絞線。

1.3 較大的輸送容量

本設計載流部分采用耐熱鋁合金，其長期運行溫度最高可達150 ℃，輸送容量可提高約1.6～1.8倍。根據線路的實際需載流部分也可選用其它可高溫運行的材料，如可選用長期運行溫度為210 ℃的超耐熱鋁合金、230 ℃的特耐熱鋁合金或者200 ℃的軟鋁［25-26］。無論使用以上哪種載流材料都會不同程度地提高線路的輸送容量，達到增容的目的。

1.4 低弧垂特性

由于低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的承力部分采用絞合型碳纖維，碳纖維材料線膨脹系數不大于2.0×10-6/℃。因芯棒和鋁之間的線膨脹系數差異較大，在線路運行過程中應力轉移較快，導線發生遷移的溫度較低，遷移點之后導線弧垂的增長速率主要與碳纖維復合芯的線膨脹系數有關，隨溫度升高增長較小，因此低風壓絞合型碳纖維復合芯導線具有低弧垂的特性［27］。

1.5 較大的拉重比

因碳纖維材料具有強度大和密度小的特點。與等直徑鋼芯鋁絞線相比，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線整體的額定拉斷力約為1.5倍，單位長度質量相差不大；與等截面鋼芯鋁絞線相比，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線整體的額定拉斷力約為1.4倍，單位長度質量約為85%。故低風壓絞合型碳纖維復合芯導線具有較大的拉重比。

1.6 安全性好

與單根大線徑的復合芯棒相比，絞合型碳纖維復合芯棒具有更好的安全性，絞合型碳纖維復合芯棒柔韌性更好，如在生產、運輸和架線等過程中的不當操作引起的某根芯棒受到損傷，其它芯棒尚且完好，不會發生因為芯棒受損導致導線整體斷裂的事故［28］，一定程度上提高了線路的安全穩定性。

2 方案比選

2.1 線路模型

以沿海地區典型的220 kV線路為例，額定輸送容量為305 MVA，功率因素為0.95，兩分裂的普通鋼芯鋁絞線，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線則設定為單分裂，氣象條件選用國標第I 氣象區，具體如表2 所示。在線路設計中導線弧垂最低點的設計安全系數不應小于2.5［29］，為保證導線的長期耐風振動能力，導線在平均運行溫度下的設計安全系數不應小于4。

2.2 導線參數

以220 kV線路中常用的普通鋼芯鋁絞線JL/G1A-400/35-48/7為代表，按照與普通鋼芯鋁絞線等直徑和等截面的原則，分別設計了低風壓絞合型碳纖維復合芯導線結構1 和結構2，碳纖維復合材料芯采用JF2B型，導線的具體參數詳見表3。

表2 設計氣象條件Table 2 Meteorological conditions for design

表3 低風壓絞合型碳纖維復合芯導線與普通鋼芯鋁絞線的參數比對Table 3 Comparison of parameters between low-wind-pressure stranded carbon fiber composite core reinforced aluminum conductors and aluminum conductors steel reinforced

由表3可見，與普通鋼芯鋁絞線相比，等直徑低風壓絞合型碳纖維復合芯導線具有較小的

20 ℃時直流電阻，而等截面低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的20 ℃時直流電阻微微偏大；拉重比均明顯優于普通鋼芯鋁絞線。

2.3 導線電氣性能

根據表3 中導線參數，采用國內常用計算參數進行上述3 種導線70 ℃和150 ℃時載流量的計算，結果如表4所示。計算采用參數如下：

風速（直角風） 0.5 m/s

日照強度 1 000 W/m2

導體表面吸收系數 0.9

導體輻射系數 0.9

由表4 可見，等直徑的低風壓絞合型碳纖維復合芯導線在運行溫度為70 ℃時的載流量略高于普通鋼芯鋁絞線，當運行溫度提升至150 ℃時，載流量提升1倍以上；等截面的低風壓絞合型碳纖維復合芯導線在運行溫度為70 ℃時的載流量較普通鋼芯鋁絞線略小；當運行溫度提升至150 ℃時，載流量可提升0.8 倍以上。

表4 3種導線載流量計算結果Table 4 Calculation results of carrying capacity of three kinds of conductors

2.4 導線機械性能

2.4.1 荷載特性

3 種導線的荷載特性分別按照《電力工程高壓送電線路設計手冊》［30］進行計算，計算系采用表3中的導線參數和表2 中的大風情況進行計算，因南方沿海地區鮮有覆冰，此處不做覆冰荷載的計算。

由表5可知，與等直徑的鋼芯鋁絞線相比，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的垂直荷載和大風時的線路荷載均無太大差別；而與等截面的鋼芯鋁絞線相比，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線具有較小的垂直荷載和大風時線路荷載。

表5 三種導線的荷載特性Table 5 Load characteristics of three kinds of conductor

2.4.2 覆冰過載能力

沿海臺風地區一般沒有覆冰情況。但為了給覆冰地區使用該導線的用戶一些參考性指標，本文進行了3種導線在檔距200 m～600 m 下的覆冰過載能力的計算，按照《GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》［29］中的規定，稀有覆冰時最低點張力為不應超過70%瞬時破壞張力，計算結果如表6所示。

表6 三種導線的覆冰過載能力比照表Table 6 Ice overload capacity comparison table of three kinds of conductors

由表6 可見，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的覆冰過載能力均優于普通鋼芯鋁絞線JL/G1A-400/35。與等直徑或等截面的鋼芯鋁絞線相比，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線可提高約3～9 mm的覆冰過載能力。

2.4.3 弧垂特性

根據表2 的氣象條件，導線在弧垂最低點的設計安全系數不應小于2.5，平均運行應力不得超過拉斷應力的25%，計算3種導線的弧垂特性，結果如表7所示。由表7 可見，采用絞合型復合材料芯的低風壓導線弧垂特性顯著優于鋼芯鋁絞線。以600 m 檔距為例，采用等直徑的低風壓導線，可節約塔高5.02 m；若采用等截面的低風壓導線，則可節約塔高6.13 m。

表7 三種導線的弧垂特性Table 7 Sag characteristics of three kinds of conductor

綜合表4 和表7 可見，在不增加塔高的情況下，采用單根低風壓絞合型碳纖維復合芯導線提高線路運行溫度，可達到原來采用二分裂鋼芯鋁絞線同等的載流能力。

2.5 經濟性對比

經濟性主要包括導線費用、塔材和絕緣子串以及施工費用、電能損耗。

根據某廠家提供的低風壓絞合型碳纖維復合芯導線價格，對比鋼芯鋁絞線價格如表8所示。

表8 三種導線價格比較Table 8 Price comparison of three kinds of conductors

由表8可見，對于單根導線，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的單位長度價格超過鋼芯鋁絞線的2倍以上。但是由于采用耐熱鋁合金材料，低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的運行溫度提高，載流能力比鋼芯鋁絞線提高1倍以上（見表4），故可采用單根低風壓導線替代二分裂鋼芯鋁絞線，采用低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的線路中導線造價僅比采用鋼芯鋁絞線的線路造價提高約25%。

低風壓絞合型碳纖維復合芯導線配套金具的安裝方式與普通的碳纖維導線大致相同，僅需簡單的培訓即可安裝操作，且隨著近年來碳纖維導線應用的增加，越來越多的施工單位已經完全掌握了碳纖維導線的安裝技能，架線效率引起的費用有些許增加；但其良好的載流性能和弧垂特性，可以減少輸電線路的分裂數、降低鐵塔高度、減少桿塔數量和絕緣子串數量，由此節省的費用遠大于架線效率增加的費用。

電能損耗由電阻損耗和電暈損耗組成，一般均只考慮電阻損耗。由于耐熱鋁合金通過提高導線的運行溫度來實現增容的目的，導線溫度的提高必然會使電阻增加，引起電能損耗的增加。三種導線的電阻特性對比如表9所示，與鋼芯鋁絞線相比，等直徑低風壓絞合型碳纖維復合芯導線的20 ℃時直流電阻較小，導線運行溫度提高到140 ℃時的交流電阻與鋼芯鋁絞線70 ℃的交流電阻相當，從節能方面考慮等直徑的低風壓絞合型碳纖維復合芯導線較為理想。

表9 三種導線電阻比較Table 9 Resistance comparison of of three kinds of conductors

3 結語

根據以上比較，在沿海地區使用等直徑的低風壓絞合型碳纖維復合芯導線具有以下優點：

1）低風壓結構降低了導線的風阻系數，提高了導線的抗臺風能力；

2）采用耐熱鋁合金型線導體，提高了導線的運行溫度，使得單根導線的載流能力與鋼芯鋁絞線相比提升1倍以上，在線路改造時可減少導線分裂根數，工程綜合造價大幅度降低；

3）絞合型碳纖維復合材料芯顯著改善了導線的弧垂特性，從而減少桿塔等基建費用。