特高壓交流線路中鋁包覆碳纖維復合芯導線選型研究

王思源，楊 博，侯 駿，張 揚，趙慶周

（1.國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250001；2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250014；3.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

特高壓交流線路用于國內最高等級網架構建及跨大區同步聯網送電［1］。其主要特點為：電氣距離短，便于擴大同步電網規模，提升抵御事故及新能源消納能力；電壓等級高、輸電能力強、功率損耗低及綜合效益高［2-3］。

特高壓交流線路通過提高線路額定電壓及輸送電流的方式提升輸送容量，1條特高壓交流線路自然傳輸功率相當于4～6 條500 kV 交流線路的自然傳輸功率［3］。線路輸送電壓及電流的提高對特高壓交流線路的導線提出了更高要求，為滿足載流量及電磁環境的要求，我國已投運及在建的特高壓交流線路導線型式由500 kV 交流線路的4×630 mm2截面提高至8×500 mm2（單回路）、8×630 mm2（雙回路）截面。線路電阻損耗隨線路電流呈平方關系增大，桿塔荷載隨導線分裂數及外徑呈直線關系增大，線路電阻損耗及桿塔線條荷載已成為特高壓交流線路輸送容量及經濟性提升的關鍵因素。碳纖維復合芯導線具有單重輕、載流量大、導電率高、電阻率低等優點，特高壓交流線路工程使用碳纖維復合芯導線能極大發揮碳纖維復合芯導線載流量大、線損低、弧垂小等優點，同時可克服特高壓交流線路工程因導線引起輸送容量受限的缺點，因此碳纖維復合芯導線在特高壓交流工程具有了廣闊的應用空間［4-6］。

1 鋁包覆碳纖維復合芯導線特點

碳纖維復合芯導線（Carbon Fiber Composite Core Conductor）電氣及機械特性優異，較鋼芯鋁絞線，優點如下：

1）載流量大，線損低。通過采用導電率為63% IACS 的軟鋁，導線長期允許運行溫度由70 ℃提升至160 ℃，導線載流量提升近兩倍。通過采用梯形型線代替圓形絞線，提升了鋁導體填充率，等外徑條件下鋁截面較圓絞線提高約30%，降低了導線電阻［7］。

2）拉斷力大，安全性高。采用抗拉強度為2 400 MPa 的碳纖維復合芯代替抗拉強度為1 240 MPa 的鋼芯，大幅提高了導線拉斷力，增加了導線覆冰過載能力，提升了導線安全性［8］。

3）線膨脹系數小，拉重比大，弧垂特性優異。導線弧垂小，檔距固定情況下，可降低桿塔高度，桿塔高度固定情況下，可拉大桿塔檔距，降低線路單位長度內桿塔數量，從而降低輸電線路單公里造價［9-10］。

碳纖維復合芯導線抗彎折能力較差，在施工過程中易出現折損，并且難以進行全線探測，容易造成斷線故障，有較大的安全隱患。此外，碳纖維復合芯導線需要特制楔形連接金具，工藝復雜、成本較高，且對施工工藝要求較高，嚴重限制了碳纖維復合芯導線的推廣應用。針對碳纖維復合芯導線的不足，鋁包覆碳纖維復合芯導線通過對碳纖維芯棒進行鋁包覆，在保持碳纖維復合芯導線優點的情況下，彌補了碳纖維復合芯導線易折損的缺點，確保碳纖維復合芯處于預張力狀態，大幅提高導線耐剪切能力，鋁包覆碳纖維復合芯導線結構如圖1所示。

圖1 鋁包覆碳纖維復合芯導線結構

導線結構的改進促使鋁包覆碳纖維復合芯導線采用液壓式連接金具，降低連接金具造價及施工難度，提升導線安全性，為其在特高壓輸電線路中應用提供可靠保障［11］。

碳纖維復合芯導線已在中國、美國、歐洲、日本、韓國等幾十個國家及地區得以廣泛應用，截至2020年，碳纖維復合芯導線、鋁包覆碳纖維復合芯導線已在我國應用26 000 km（導線單線長度）以上［12-13］，典型應用工程如表1所示。

表1 （鋁包覆）碳纖維復合芯導線應用情況

在經濟性方面，鋁包覆碳纖維復合芯導線較碳纖維復合芯導線節省的連接金具費用在輸電線路初投資中占比很小，考慮到鋁包覆碳纖維復合芯導線年費用略優于碳纖維復合芯導線，本文導線比選章節僅將鋁包覆碳纖維復合芯導線作為比選導線與鋼芯鋁絞線在電氣特性、機械特性、經濟性等多個方面進行綜合對比，對鋁包覆碳纖維復合芯導線在特高壓交流線路工程的導線選型進行研究并給出建議。

2 導線初選

目前國內已投運多條特高壓交流線路，線路每回正常輸送容量4 000～6 000 MW，每相電流2 431～3 646 A，N-1 原則下線路每回極限輸送容量8 000～12 000 MW，每相電流4 862～7 292 A，以經濟電流密度0.9 A/mm2，算得導線總截面為5 402～8 104 mm2。參考國內已投運特高壓交流線路，本次導線選型的基準導線為8×JL1/G1A-630/45（方案1）。導線選型需從電氣特性、機械特性及經濟性三個方面進行技術經濟比選，導線截面、導線外徑、導線單重及導線載流量等因素均對導線技術經濟比選有影響。以8×JL1/G1A-630/45（方案1）導線為基準，按照等鋁截面、等單重、等外徑、等載流量原則選定了如下導線進行比選：8×JLRX1/F2A-630/45（方案2）、8×JLRX1/F2A-710/55（方案3）、8×JLRX1/F2A-800/50（方案4）、10×JLRX1/F2A-400/50（方案5，此截面電磁環境最小限值為10 分裂）。各比選導線結構參數如表2所示。

表2 導線結構參數

3 技術參數比選

3.1 邊界條件

目前國內已投運多條特高壓交流線路，以正在建設武漢—南昌特高壓交流線路為例進行導線比選。其邊界條件如下：1）每回正常輸送容量6 000 MW，事故情況下極限輸送容量12 000 MW；2）線路年損耗小時數分別為3 000 h、4 000 h、5 000 h；3）同塔雙回路，單公里桿塔基數為2 基，直線塔與耐張比例為4∶1；4）設計風速32 m/s，設計覆冰15 mm。

3.2 導線電氣特性

導線電氣特性主要包括載流量、電阻損耗與電暈損耗引起的電能損失及電磁環境問題等。規范規定鋼芯鋁絞線長期允許運行溫度為70 ℃，碳纖維復合芯導線長期允許運行溫度為160 ℃［14-15］。各比選導線長期允許溫度下的載流量如表3所示。

表3 導線允許載流量

由表3 可知，5 種導線方案載流量均滿足極限輸送容量要求。

特高壓交流線路由于電壓等級高，電磁環境問題更為突出，主要包括導線表面電場強度、無線電干擾、可聽噪聲等幾個方面。

現行特高壓交流線路設計規范對線路電磁環境進行了限定，在規定距離下，無線電干擾不超過58 dB（μV/m），可聽噪聲不超過55 dB（A）。各比選導線可聽噪聲及無線電干擾如表4所示。

表4 導線可聽噪聲及無線電干擾

由表4 可知，各比選導線方案可聽噪聲、無線電干擾滿足要求。

線路損耗包括電阻損耗及電暈損耗兩個方面，各導線方案線路損耗如表5所示。

表5 線路損耗

由表5 可知，所選10 分裂型式的鋁包覆碳纖維復合芯導線損耗高于鋼芯鋁絞線，另外3種8分裂型式的鋁包覆碳纖維復合芯導線損耗均低于鋼芯鋁絞線，8×JLRX1/F2A-800/50（方案4）導線損耗最低。

綜上，在電氣特性方面：各比選導線載流量均滿足要求，且鋁包覆碳纖維復合芯導線極限輸送容量大大高于鋼芯鋁絞線極限輸送容量，有較大容量儲備，具備大負荷轉移條件；各比選導線無線電干擾及可聽噪聲均滿足現行規范要求；與鋼芯鋁絞線等截面、等單重、等外徑條件下，鋁包覆碳纖維復合芯導線電阻損耗均低于鋼芯鋁絞線。

3.3 導線機械特性

導線機械特性主要包括：水平荷載、垂直荷載、覆冰過載能力、高溫弧垂。導線機械特性決定桿塔荷載、絕緣子及金具噸位等。根據規范規定的計算方法計算的各比選導線機械特性如表6所示。

由表6可知，3種比選的大截面鋁包覆碳纖維復合芯導線覆冰過載能力優于鋼芯鋁絞線，5種導線覆冰過載均超過20 mm，均滿足需求。4種鋁包覆碳纖維復合芯導線拉重比均大于鋼芯鋁絞線，相同規律檔距及檔距條件下鋁包覆碳纖維復合芯導線高溫弧垂較鋼芯鋁絞線高溫弧垂小1～3 m。在荷載特性方面，導線外徑、分裂數決定了風荷載，單重決定了垂直荷載，拉斷力決定了張力荷載，各荷載決定因素與荷載成正相關。總體看，方案2、3荷載與方案1相當，方案4荷載大于方案1，方案5荷載小于方案1，荷載越小，塔重越輕。

表6 導線機械特性

4 經濟性分析

線路費用由初期投資及運行維護費用兩部分構成，初期投資主要包括桿塔、基礎、導線、金具、絕緣子、接地裝置等，運行維護費主要為線路電阻及電暈損耗。線路工程通常采用年費用法判斷導線選型的合理性［16］。

4.1 初期投資

根據武漢—南昌特高壓交流線路工程南昌段實際情況，各比選導線方案初期投資如表7所示。

由表7可知，方案2—方案4由于導線單價高，導線單價相差不大，方案5 由于水平、垂直荷載均較小，降低了桿塔及基礎費用，本體投資較低。

表7 各導線方案初期投資

4.2 運行維護費用

線路投運后的運行維護費用主要是線路電能損耗，其由電阻損耗及電暈損耗組成，線路損耗費用除與電能損耗功率有關外，還與上網電價、線路年損耗小時數相關。此外，線路運行維護也需要費用，通常為線路造價的1.4%，考慮到該項占比較小且不影響導線選型，本文不再考慮此項。各比選導線方案線路損耗功率如表8所示。

表8 各導線方案線路損耗功率

4.3 年費用

年費用法是將各比選導線方案在全壽命周期內的全部投入費用折算至等額年費用進行比較，得出經濟性最優方案。年費用包括初期投資年費用、運行維護年費用、電能損耗年費用及資金利息。各比選導線不同上網電價、不同年損耗小時數、不同折現率條件下的年費用如表9所示。

表9 各導線方案年費用

由表9 可知，在不同上網電價、不同年損耗小時數、不同回收率情況下，比選的4 種鋁包覆碳纖維復合芯導線方案中8×JLRX1/F2A-630/45（方案2）年費用基本最優，其年費用略高于基準導線年費用。考慮到鋁包覆碳纖維復合芯導線有較大容量儲備，具備大負荷轉移條件，在一定的工程設計條件下，該型鋁包覆碳纖維復合芯導線可代替常規鋼芯鋁絞線使用。

5 結語

根據特高壓交流線路及鋁包覆碳纖維復合芯導線的特點，選取了4 種型號的鋁包覆碳纖維復合芯導線從電氣特性、機械特性及經濟性三個方面與鋼芯鋁絞線進行了全面比較。比選可知，鋁包覆碳纖維復合芯導線8×JLRX1/F2A-630/45 電氣及機械特性優于基準導線8×JL1/G1A-630/45，經濟性與基準導線相當。鋁包覆碳纖維復合芯導線具有弧垂小、線損低、耐高溫、輸送容量大、儲備容量大、負荷轉移強等優點，隨著特高壓交流線路工程的發展，輸送容量大的特高壓交流線路推薦采用8×JLRX1/F2A-630/45鋁包覆碳纖維復合芯導線方案。未來，隨著鋁包覆碳纖維復合芯導線價格不斷降低，其在特高壓交流線路中的經濟技術優勢更加顯著。