0引言
隨著我國電力需求的不斷增長，許多電力線路面臨增容的壓力。線路增容最經濟的辦法之一是利用原有桿塔只更換導線。而利用原有桿塔的前提條件是，更換的導線荷載不能超過原有桿塔的設計條件。為此，新更換的導線一般不能采用普通的鋼芯鋁絞線ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced),而是采用新型的增容導線。這種新型導線一般具備這樣三個特點：一是弧垂隨溫度的變化??；二是質量輕、外徑??；三是具有輸送大電流的能力。而碳纖維復合芯軟鋁絞線（以下簡稱碳纖維導線）ACCC/TW(Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal Wire)是典型的品質優(yōu)良的增容導線品種之一。
1.碳纖維導線的結構
碳纖維導線ACCC/TW的結構獨特，內部是一根由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的復合芯，外層由一系列呈梯形截面的軟鋁線絞合而成。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。碳纖維復合芯與軟鋁線絞制而成的導線，便具有優(yōu)良的性能：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[1]。因此，可作為電力部門老舊線路改造、電力增容導線使用。其結構如圖1-1所示。
外層軟鋁 碳纖維復核芯 圖1-1碳纖維導線結構
2. 碳纖維導線的特性
2.1.抗拉強度高
目前各設計院廣泛采用的鋼芯鋁絞線基本上仍為GB1197-83標準中的型式，該標準導線中使用的鋼芯絞合后強度為1244N/mm2，而碳纖維導線ACCC/TW的復合芯抗拉強度最小值可以達到2150N/mm2，為前者的1.73倍。例如，直徑9.53mm的復合芯抗拉強度達到2414N/mm2，是鋼芯鋁絞線中鋼芯強度的1.94倍。
2.2.拐點以后弧垂隨溫度的變化量小
根據試驗，當溫度達到80℃附近，碳纖維導線的線膨脹系數α和彈性模量E出現拐點，80℃及以下α=12.5～14X10-6/℃，E=64000～68000N/mm2；在80℃以上α=1.6X10-6/℃，E=117000N/mm2。由于碳纖維導線具有的這樣的特點，因此在同樣檔距下弧垂隨溫度的變化比鋼芯鋁絞線要小。例如我院原設計的220千伏線路尊平線路改造工程中，比較了碳纖維導線JRLX/T-310/40和鋼芯鋁絞線2XLGJ-300/40兩種方案，并把碳纖維導線與鋼芯鋁絞線檔距400米下的弧垂進行了比較。計算條件及結果分別見表2-1、2-2、2-3。
表2-1 工程設計氣象條件
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計算條件
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氣溫（℃）
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風速（m/s）
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覆冰（mm）
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最高氣溫
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+40
|
0
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0
|
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最低氣溫
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-20
|
0
|
0
|
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最大風速
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-5
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30
|
0
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最大覆冰
|
-5
|
10
|
10
|
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安裝情況
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-10
|
10
|
0
|
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年平均氣溫
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+15
|
0
|
0
|
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外過電壓
|
+15
|
10
|
0
|
|
內過電壓
|
+15
|
15
|
0
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表2-2 碳纖維導線和普通鋼芯鋁絞線參數表
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導 線 型 號
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碳纖維導線JRLX/T-310/40
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鋼芯鋁絞線LGJ-300/40
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總截面 mm2
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349.5
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338.99
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|
鋁截面 mm2
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309.5
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300.09
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|
直 徑（mm）
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21.78
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23.94
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保證計算拉斷力95%AT（N）
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97850
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87600
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彈性系數（N/mm2）
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拐點前65000，拐點后117000
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73000
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膨脹系數（10-6 /℃）
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拐點前13.0，拐點后1.6
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19.6
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單位重量（kg/m）
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0.927
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1.133
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安全系數
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2.5
|
2.5
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表2-3 400米檔距時碳纖維導線和普通鋼芯鋁絞線弧垂表單位：m
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溫度℃
導線型號
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20
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40
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60
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80
|
100
|
120
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140
|
160
|
|
LGJ-300/40
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11.486
|
12.337
|
13.153
|
13.937
|
||||
|
JRLX/T-310/40
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7.928
|
8.590
|
9.243
|
9.883
|
9.968
|
10.053
|
10.137
|
10.220
|
由上表可知，400米檔距時溫度由20℃升高到80℃，鋼芯鋁絞線LGJ-300/40，弧垂增大2.451米；碳纖維導線JRLX/T-310/40，弧垂增大1.955米，碳纖維導線弧垂變化量小于鋼芯鋁絞線。但是當溫度由80℃升高到160℃，碳纖維導線JRLX/T-310/40，弧垂僅再增大0.337米。
另外，我們通過對常用的鋼芯鋁絞線，如LGJ-240/30、LGJ-300/25、LGJ-300/40、LGJ-400/35、LGJ-500/45與碳纖維導線JRLX/T-218/28、JRLX/T-310/40、JRLX/T-413/52、JRLX/T-517/71、JRLX/T-600/71，在安全系數2.5、3.0，覆冰厚度10毫米、15毫米、20毫米等條件下應力弧垂特性進行了計算和分析，形成了上萬個數據，并對數據進行了歸納總結，發(fā)現碳纖維導線在弧垂特性方面存在以下特點：
1.外徑、截面基本相同、安全系數和氣象條件一樣的條件下，溫度80℃及以下時，碳纖維導線的弧垂隨溫度升高而產生的變化量小于鋼芯鋁絞線。產生這一結果的原因是，碳纖維導線設計水平張力比鋼芯鋁絞線大，而質量又相對輕，拉力質量比大。由弧垂公式我們知道，對于同一檔距內兩根導線弧垂之比 = /（m01、m02——導線質量，T01、T02導線水平拉力），由該公式不難理解這樣的結果。
2.拐點前（80℃及以下）碳纖維導線弧垂隨溫度的變化比較大，拐點后（80℃以上）碳纖維導線弧垂隨溫度的變化比較小。產生這一結果的原因是，在拐點處碳纖維導線彈性系數增大，線膨脹系數減小（實際上根據物體熱脹冷縮的性質，導線弧垂不可能在拐點處發(fā)生突變，而是一個漸變的過程，本文理論計算時不考慮漸變）。
2.3.重量輕
碳纖維復合芯材料的密度?。?span>1.9g/cm3），約為普通鋼芯密度（7.8g/cm3）的1/4。在鋁截面基本相同的情況下, 碳纖維導線單位長度重量約為常規(guī)ACSR導線的80％左右。根據文獻[2]對照鋼芯鋁絞線標準GB1179-83，將兩種導線鋁截面基本相同的情況進行比較，結果如表2-4。
表2-4 鋁截面基本相同時碳纖維導線與鋼芯鋁絞線重量比較表
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導線型號
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鋁截面（mm2）
|
總截面（mm2）
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單位重量（kg/km）
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重量比%（ACCC/ACSR）
|
|
LGJ-150/25
|
148.86
|
173.11
|
601.0
|
77.54
|
|
JRLX/T-150/28
|
150.00
|
178.00
|
466.0
|
|
|
LGJ-185/25
|
187.04
|
211.29
|
706.1
|
79.73
|
|
JRLX/T-185/28
|
185.00
|
213.00
|
563.0
|
|
|
LGJ-240/30
|
244.29
|
275.96
|
922.2
|
75.92
|
|
JRLX/T-240/28
|
240.00
|
268.00
|
700.0
|
|
|
LGJ-800/55
|
814.3
|
870.60
|
2690.0
|
85.87
|
|
JRLX/T-800/60
|
796.40
|
856.70
|
2310.0
|
但是兩種導線外徑完全相同時，ACCC碳纖維導線并不一定比鋼芯鋁絞線輕，這是因為ACCC碳纖維導線鋁和碳纖維復核芯截面比例變化引起的。兩種導線外徑完全相同的情況比較結果，如表2-5。
表2-5 鋁截面基本相同時碳纖維導線與鋼芯鋁絞線重量比較表
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導線型號
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導線外徑（mm）
|
單位重量（kg/km）
|
重量比%（ACCC/ACSR）
|
|
LGJ-150/25
|
17.10
|
601.0
|
93.68
|
|
JRLX/T-185/28
|
563
|
||
|
LGJ-210/10
|
19.00
|
650.70
|
107.58
|
|
JRLX/T-240/28
|
700.00
|
||
|
LGJ-300/15
|
23.00
|
939.8
|
108.32
|
|
JRLX/T-350/40
|
1018
|
2.4.允許工作溫度高、載流量大
電力線路上碳纖維導線設計運行溫度165℃，鋼芯鋁絞線設計運行溫度80℃。在相同的載流量時，碳纖維導線ACCC/TW比鋼芯鋁絞線ACSR溫度低、弧垂小，因此可以承載更大的電流；在相同的運行溫度時，其載流量比ACSR大[1]。例如我院原設計的220千伏線路尊平線路改造中，比較了碳纖維導線JRLX/T-310/40和鋼芯鋁絞線2XLGJ-300/40兩種導線的載流量，結果見表2-6.
表2-6 碳纖維導線與鋼芯鋁絞線載流量比較[1][3]
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溫度℃
導線型號
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60
|
80
|
100
|
120
|
140
|
160
|
|
JRLX/T-310/40
|
507
|
731
|
892
|
1022
|
1134
|
1235
|
|
LGJ-300/40
|
550
|
730
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表2-6計算條件：環(huán)境溫度30℃、風速0.5m/s、輻射系數0.9、日照強度1000W/m2.
從上表可知，碳纖維導線JRLX/T-310/40和鋼芯鋁絞線LGJ-300/40截面基本相同，碳纖維導線我們擬選運行溫度160℃下的載流量，比鋼絞線允許溫度80℃時大1.69倍。
3.工程應用
對于現有老線路增容改造，只需把原線路上的鋼芯鋁絞線更換成鋁截面基本相同的碳纖維導線，即可達到增容60—100%的目的。一般老線路改造換線施工期15-20天，建設周期比新建線路大大縮短。我院原設計的220千伏線路尊平線路改造工程，線路處于市區(qū)，線路重建難度很大，原導線為LGJ-300/40,安全系數2.5，增容設計推薦將原導線更換為碳纖維導線JRLX/T-310/40，安全系數2.72，經校驗原線路桿塔強度、導線弧垂均滿足要求，輸送容量提高61%，比導線更換為鋼芯鋁絞線2XLGJ-300/40，桿塔拆除重建方案，節(jié)約造價45%。所以碳纖維導線用于老線路增容改造的優(yōu)勢是十分明顯的。
從2006年第一條碳纖維復合芯導線掛網運行以來，全國已經有近50條110~220kV碳纖維復合芯導線線路投入運行，積累了一定施工、運行經驗。目前制約其推廣的一個重要原因是碳纖維復合芯依賴進口、價格比較高。隨著使用范圍的擴大，價格也會相應降低?？傊祭w維導線在老線路改造工程中的應用前景還是很好的。
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