摘要：通过介绍凤仪-双龙π入浙中500kV线路丹仪5460线凤仪侧导线增容及抗冰改造工程概况、限制条件、项目背景及碳纤维导线的实际应用，分析碳纤维导线的机械特性、导电性、经济效益及社会效益。
关键词：输电线路；增容；抗冰；碳纤维导线；特性；效益
引言：近年来随着国内经济的的高速发展，用电负荷也相应快速增长，一些原有的输电线路传输能力已不能满足电网激增的用电容量需求，新建、扩建、改建输电线路是直接解决用电需求的办法，面对人口增长、工业发展、用地紧张等严峻的社会现实，最理想的办法是在原有线路的基础上进行改造。
同时，2008年雪灾给我国部分地区电网造成了严重损坏和经济损失，由于极寒天气环境下运行的输电线路导线很容易将融化的大雪形成冰晶附着，致使原设计不能满足承载力要求，出现诸多输电线路铁塔垮塌、导、地线断裂，为防控冰灾，需要提高输电线路导线的承载力，并且降低输电线路运行在极寒天气条件下覆冰的状况，我们需要一种高强度、重量轻、高弹性模量、耐高温的导线。
碳纤维导线具有重量轻、高强度、高弹性模量、低线膨胀系数、耐高温、导电率高、耐腐蚀等技术优势，既能够提高输送能力，又可提高线路安全运行水平，是一种架空输电线路的新型导线。目前已经在电网建设中得到了逐步应用。
1项目背景及概况
凤仪-双龙π入浙中500kV线路丹仪5460线凤仪侧导线增容及抗冰改造工程是1000kV浙福特高压配套工程，为满足地区用电容量及特高压1000kV主变容量要求，需对原有线路进行增容改造，同时本工程主要位于浙江金华境内，属于易发冰灾地区。由于工程施工周期短，政策处理难度大，采取利用原线路走廊、铁塔、基础，仅通过更换已建线路导线的方式达到增容及抗冰的目的。线路采用4×JLRX1/F2B-450/50-260型纤维增强树脂基复合芯软型铝绞线，长度30.106公里。
2碳纤维导线结构和特性
碳纤维导线最早由日本和美国开发研制而成，我国在2005年，由中国电力科学究院、远东复合技术有限公司等多家单位开展了碳纤维导线研制工作。2009年，由华北电力科学院和河北硅谷化工有限公司联合研制的300/50碳纤维导线首次在国家电网挂网运行。
2.1碳纤维导线结构
碳纤维导线内部是一根由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的复合芯，外部由一系列呈梯形截面的软铝线绞合而成。与传统导线相比具有重量轻、强度大、载流大、低线损、弛度小、耐高温、耐腐蚀、与环境亲和等优点，如图1示。
图1.梯形软铝型线碳纤维复合芯导线
2.2碳纤维导线特性
针对碳纤维导线的特性，结合本工程对JLRX1/F2B-450/50-260型碳纤维导线的应用，分析碳纤维导线各特性在电网工程建设中的实际体现。本工程碳纤维导线与已建线路导线机械特性参数对照，参看表1。
表1.导线机械特性参数2.2.1碳纤维导线载流量大、重量轻
本工程利用原有线路走廊、铁塔、基础。若将旧导线更换成满足输送容量的普通导线。则新选取的普通导线截面将比旧导线大，单位导线重量增加，相应破断力也变大，造成导线使用张力不在原杆塔的设计受力条件范围内，因此应选取截面相同载流量大、重量更轻的导线以满足工程的实际需求。
碳纤维导线复合芯材料密度小（1.9g/cm3），约为普通钢芯密度（7.8g/cm3）的1/4，在铝截面基本相同的情况下，碳纤维导线单位长度重量约为普通导线的80%左右；当运行温度相同时，碳纤维导线的允许载流量比钢芯铝绞线大，相同外径条件下，碳纤维导线的铝材截面是钢芯铝绞线的1.29倍，显然等截面前提下载流能力显著优于普通导线，最高可以实现提高100％输送容量，从而达到线路增容及消除覆冰的目的。
根据GB50545-2010《110kV～750 kV架空送电线路设计规范》中导线允许载流量的计算公式，对本工程已建线路导线LGJ-400/35和采用的碳纤维导线JLRX1/F2B-450/50-260的载流量和输送容量进行了对比，结果见表2。
表2.导线载流量和输送容量分析
备注：碳纤维导线运行拐点温度最高可达150℃，这里只对正常运行状态进行分析。
2.2.2碳纤维导线弹性模量高、热膨胀系数小、弧垂小
本工程因旧线路铁塔呼称高较低，线路途经区域交通复杂，需要新选取的导线能满足换线后对地距离，特别是对各种交叉跨越距离以及导线风偏满足设计规程的要求。
碳纤维导线复合芯的热膨胀系数约为普通钢芯线膨胀系数的1/7，具有热膨胀系数小的特点；碳纤维导线弹性模量大，拐点以后弧垂随温度增加的变化量小，尤其是在高温条件下导线弧垂的变化量不到普通导线的1/10；与普通导线相比，碳纤维导线具有显著的低弧度特性，提高了电网运行的安全性和可靠性。
根据本工程两种导线的机械特性参数，计算其弧垂（档离按500米计算），结果见表3。
表3.导线弧垂分析
备注：碳纤维导线运行拐点温度后其弧垂变化相对普通导线可忽略不计。
2.2.3碳纤维导线强度高
碳纤维导线的拉伸力学性能优良，一般钢丝的抗拉强度为1240N/mm2，高强钢丝抗拉强度为1410N/mm2，而碳纤维的抗拉强度大于2400 N/mm2，分别是一般钢丝的1.9倍和高强钢丝的1.7倍。同时，在一定的温度下，碳纤维导线的绝大部分张力载荷均由碳纤维复合芯来承担，其外层铝导体部分只起到导流的作用，不同于常规的钢芯铝绞线。由此可看出碳纤维导线的破断力明显大于普通导线，安全系数更高，起到了抗冰的作用。
本工程新选取的JLRX1/F2B-450/50-260型碳纤维导线与已建线路LGJ-400/35导线，通过表1中两种导线机械特性参数也可以看出，碳纤维导线的破断力为146260N明显大于LGJ-400/35导线的破断力98733N，其安全系数为3.45，而LGJ-400/35导线的安全系数仅为2.5。
2.2.4碳纤维导线耐高温、耐腐蚀
碳纤维复合芯导线的铝部分采用退火软铝线，具备高温下长期运行的特性，利用退火软铝线的特点，其长期运行温度可以达到150℃（普通导线运行温度为70~80℃），短期运行温度甚至可以达到210℃，由于其耐高温的特性，使得其载流量、输电容量大幅增加，同时也使得冰雪附着力极差，从而可以有效提高输电线路增容及抗冰的能力；碳纤维导线复合芯为非金属材料，与传统的钢芯相比，其对环境的适应性更强、更稳定，避免了输电线路在运行时铝线与钢芯之间的电化学腐蚀问题，有效抵御了外部的侵蚀，增加了输电线路的使用寿命。
本工程合理选取碳纤维导线做为本次增容和抗冰改造工程的线材是理想最优的设计方案。
2.2.5碳纤维导线导电率高、线损小
碳纤维导线复合芯为非金属材料，没有磁性，不存在钢芯材料引起的磁滞和涡流效应，其非磁体结构解决了普通导线的涡流损耗，在输送相同负荷时运行温度低，可以减少约6%的损失；碳纤维导线外层梯形软铝，比普通钢芯铝绞线外表面更光滑，可降低电晕损失，能有效提高导线的导电率，被誉为“输电线路目前的超导”。
2.2.6碳纤维导线放线施工简便、安全性高
碳纤维导线架线方式及安装工艺和普通的钢芯铝绞线类似，不需要特殊的架线工器具和安装工艺。其在紧线施工过程中使用预绞丝线夹紧线，与普通导线紧线用的专用线夹相比，预绞丝线夹与导线线径更加匹配，不容易造成导线损伤，紧线受力面大、咬合更紧密，避免了普通导线紧线施工过程中线夹逃线的现象，施工更加安全。
3碳纤维导线应用的经济分析
3.1投资分析
本工程对原有输电线路的增容和抗冰改造，利用了原铁塔和基础，仅将已建线路旧导线更换为碳纤维导线，降低了工程的改造成本，很大程度上节省了工程的综合造价。结合本工程实际情况对线路投资作出分析，如下表4示。
表4.各导线投资分析 万元/km
备注：本工程接入的另一端为新建的JL/G1A-800/55导线，在这里选择与碳纤维导线匹配的增容方案分析。
根据上表可看出，在应用增容匹配型号导线的时候，碳纤维导线可节省投资约占总投资的15%。
3.2电网运行损耗减小经济效益显著
根据上述碳纤维导线的良好导电性和低损耗，其导电率比普通导线中硬铝提高约3.3％。同时，在相同负荷条件下，等截面的碳纤维导线较钢芯铝绞线可减少约6％的电能损失，具有很高的经济效益。
3.3施工成本降低、周期缩短
碳纤维导线架线施工与普通的钢芯铝绞线架线施工类似，因此不需要额外采购工器具，减少了施工单位的费用支出。相对于新建同等输送容量的普通输电线路，施工单位所面临的工程量大幅减少，施工投入的人力、物力、财力也相应减少。碳纤维导线在放线施工中一般采用定长加工，这大大节省了现场施工时线材的损耗率，降低了成本。由于增容改造工程采用原有杆塔、基础，仅更换导线的施工方案，故而工程量的减少直接使施工周期缩短，符合我们在实际改造过程中遇到的停电时间限制的情况。
4碳纤维导线应用带来的社会效益
凤仪-双龙π入浙中500kV线路丹仪5460线凤仪侧导线增容及抗冰改造工程线路途径义乌、浦江、诸暨均为经济较发达地区，企业多、人口稠密、交通网络复杂，政策处理难度大。若采用新建线路的方式，面对用地紧张的现状，加大了政策处理的难度，对工程的进度影响明显，难以在短时间内完成增容的目的，同时，新建线路占用的线路走廊土地多与当地政府的规划不符，在批复时周期往往比较长，而选择在已建线路上更换碳纤维导线则正好避免了土地审批环节，减少了工程建设过程中的政策处理问题，节省了土地资源，这符合当地政府发展需求，也符合国家提倡的节约型社会发展观。
5结论
通过上述碳纤维导线良好特性、经济价值以及社会效益的分析，结合本工程的实践应用，证明了碳纤维导线在增容和抗冰改造工程中适合推广应用，它符合国家电网公司提出的“资源节约型、环境友好型、新技术、新材料、新工艺”的要求，也符合我们节约型社会的发展观。
参考文献：
[1]尤传永，增容导线在架空输电线路上的应用研究［J］.电力设备
[2]芦灯，碳纤维耐热导线在电网增容改造中的应用，设计与分析
[3]中复碳芯电缆科技有限公司，碳纤维复合芯导线技术手册
[4]河北硅谷化工有限公司，碳纤维复合芯导线施工手册
论文作者:吴登鹏1,汪国林2,周城林3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/24
标签：导线论文; 碳纤维论文; 线路论文; 工程论文; 特性论文; 截面论文; 耐高温论文; 《电力设备》2017年第16期论文;