JRLX/T型碳纤维复合芯导线的特性及工程应用

韩国聚，许绍良，刘广增

(1.河南平顶山电力设计院，河南省 平顶山市，467001;2.河南省电力公司，郑州市，450052;3.河南商丘供电公司，河南省 商丘市，476000)

0 引言

碳纤维复合芯导线(aluminum conductor composite core，ACCC)从2006年开始应用在国内电网中，这是继美国2004年首条该型线路投运后，我国又引进的一项新技术。该导线在材料和结构上和普通LGJ型钢芯铝绞线的不同之处在于:

(1)芯线采用抗拉强度达2 399 MPa的碳纤维和玻璃混合芯棒，而普通导线的钢芯抗拉强度仅为1 240 MPa，高强丝为 1 410 MPa。

(2)芯线的温度线膨胀系数小，纵向约为1.6×10-6/℃，而普通钢芯约为11.5×10-6/℃。复合芯还具有耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等性能，复合芯为非磁性材料，不存在钢丝引起的磁损和热效应。

(3)导电部分采用退火纯软铝，导电率较硬铝高约2.7%;铝股线为梯形，结构紧凑，填充系数为0.93(普通导线为0.75)，导线表面光滑［1-5］。

1 碳纤维导线的特性

由于材料和结构上的改进，使得JRLX/T型碳纤维导线与普通钢芯铝绞线(LGJ或ACSR)相比有如下优点:

(1)JRLX/T型碳纤维导线的综合抗拉强度可达213～378 MPa，而 LGJ型导线为207～339 MPa。

普通LGJ型导线的弹性模数E为62～78 GPa，温度线膨胀系数α为(15～20)×10-6/℃，JRLX/T型碳纤维导线由于采用了抗拉强度大、线膨胀系数小的复合芯，所以在导线由于电流增大而引起温度升高、长度伸长时，其受力逐渐由铝转向复合芯承担。根据试验，在导线温度达到60～80℃时，其整个导线的线膨胀系数和弹性模数都出现了1个迁移区域，在60℃以下时α=(12.5×10-6)～(14×10-6)/℃，E=64～68 GPa;在80℃以上时α=1.6×10-6/℃，E=117 GPa。

本导线的极限工作温度可达200℃，测试证明即使长期运行于165℃左右，导线也不会产生塑性变形或其他性能的改变，而普通钢芯铝绞线的极限工作温度和长期工作温度分别为120℃和70/80℃。

(2)碳纤维导线采用提纯高导电的退火软铝线作为导电元件，根据上海电缆研究所电工材料及特种线缆质检中心2007年5月31日对远东复合技术有限公司 JRLX/T-517/71样品的试验，在加温至190℃并3 h后，其高温拉断力为149.5 kN，即为计算拉断力182 kN的82%。还有试验表明，导线加温至140℃并3 h后，拉断力与计算拉断力一致，碳纤维芯经160℃ 并400 h加温后，拉断力与计算拉断力一致。因此可以认定导线能长期运行在140℃，而从160～200℃，虽短时拉断力有所下降，但温度降低后即能恢复其原有拉断力。在设计线路时，该导线的长期容许输送容量可以按温度165℃来考虑，此时其输送量为相同截面LGJ型导线的1.45～1.8倍(LGJ导线以允许温度80℃考虑)，与常用导线的允许载流量［6-7］对比见表1。表1中环境温度为25℃;*为估计值，非厂家提供;允许载流量与空气温度、风速、日照强度等有关系，不易得出精确的数值。

表1 碳纤维导线与LGJ普通导线允许载流量Tab.1 Accepted carrying capacity of ACCC and ACSR

(3)碳纤维导线表面光滑，可使导线表面不易结冰，亦可减小空气动力系数、减小导线风荷载。近年来，为防止导线因风舞动引起的短路事故，某些地方加装了相间间隔棒，费钱费力;而碳纤维导线由于表面光滑、风载小，不易发生舞动，从辽宁沈阳、江苏常州、湖北宜昌反馈的用户讯息中都肯定了这一点;又因表面光滑，有利于提高导线的电晕起始电压，减少电晕损耗，降低电晕噪声和无线电干扰。这一特点在特高压线路上更能显示其优越性。

(4)碳纤维导线在20℃时的直流电阻比普通钢芯铝绞线小4% ～6%，交流电阻由于集肤效应、邻近效应及磁滞涡流等影响比直流电阻略有增加，在50 Hz时LGJ导线约增加2.5%，JRLX/T导线约增加0.5%。随着导线温度的升高，其电阻亦随之升高，JRLX/T型导线在165℃时比20℃时高61%～63%。在一般温度下，输送相同的电流，相同截面的JRLX/T型导线比LGJ型导线其损耗可减少6%～8%。假如增加了JRLX/T型导线的输送电流，则因导线损耗与电流平方成正比，且温度升高电阻亦随之升高，损耗的增加就更加明显了。所以和LGJ导线相比，其提高输送容量和降低损耗不能同时实现。

2 碳纤维导线的工程应用

由于碳纤维导线优越的特性，在各级电压的输电线路上都有其广泛的应用前景，在新建线路、增容改造线路、一些特殊情况下的线路(如大跨越，严重覆冰地区)都能显示出其优越性。

2.1 新建线路

输电线路建设中，影响造价的主要因素是导线和杆塔。承力杆塔的受力受导线最大使用张力控制，直线杆塔的受力一般受最大风压控制。本导线最大的优越性是载流量大、弧垂小，如都按长期允许载流量来选择导线载面，则在相近允许载流量的情况下，使用本导线承力杆塔受力要比LGJ型导线下降20%～40%。现今设计一般要求LGJ型钢芯铝绞线按允许温度80℃来考虑其输送容量，根据现行线路设计规程，导线对地距离按50℃时的弧垂考虑。而碳纤维导线目前设计规程尚无规定，该导线输送容量按允许温度165℃考虑，所以按165℃时的弧垂f165℃作为导线对地距离的控制弧垂而取其相应的档距。风压之比考虑了档距和导线直径的差别，碳纤维导线由于表现较光滑、空气动力系数较小，故实际风压将更小。

在城市电网中往往受城市规划和杆塔位置的限制，需要采用钢管杆或高强度钢筋混凝土单杆，而受杆塔强度的限制，必须放松导线、缩小档距。

在使用普通钢筋混凝土电杆或铁塔的一般线路(设计导线安全系数n=2.5、覆冰为10 mm)时，使用碳纤维导线比普通钢芯铝绞线档距可增加5% ～20%，即可减少杆塔数量5% ～17%，杆塔承受导线风压可减少38%～46%。在需要使用高强度钢筋混凝土电杆或钢管塔的城市电网线路中(n=6、覆冰为10 mm)，档距可增加8% ～16%，即杆塔可减少7%～14%，杆塔承受导线风压可减少40% ～45%。实际上，碳纤维导线E与α的变化不会在80℃突变，必有过渡温度，而且这一温度随着导线的不同而改变，和铝芯的截面有关。因此只能大致确定一个和普通钢芯铝绞线档距差别的范围，这些差别又和设计气象条件、导线使用安全系数、常用档距等有关。根据我国目前线路设计的有关标准，可认为在按长期容许输送电流选择导线截面且正常拉力(n=2.5～3.0)时，碳纤维导线比普通钢芯铝绞线档距约可增加15%，杆搭约可减少13%，杆搭承受导线风压可减少约40%;在松弛拉力(n＞5)时，档距约可增加12%，杆搭约可减少10%，杆搭承受导线风压可减少约40%。这作为一个概念性的数字提供初步方案比较用是合适的，工程设计则应根据工程具体条件来详细计算比较。线路建设费用包括本体工程费用和其他费用2个部分，各占的比例随电压、导地线、地形、地址、气象条件、杆搭和基础型式、原材料价格、施工费用等诸多因素的变化而差异很大。本体工程中导地线、杆搭和基础的费用占了主要部分，就使用LGJ型导线的220 kV线路而言，导线费用大致占整个工程费的20%～25%，而杆搭和基础费用又较此略高。

LGJ型钢芯铝绞线的价格以每 t计算，而JRLX/T型碳纤维导线是以每m计算，后者因其材料成本较高、设备投资较大，故比相同截面的普通钢芯铝绞线每 m贵4～5倍，但因其输送容量可增大60%～80%，所以仅比相同输送容量的导线价格贵2～3倍。计入杆塔数量的减少以及由于杆塔受力的减少引起的杆塔、基础用材量及占地的减少，线路工程费用中导线费用占的比例要增加，而杆塔和基础费用占的比例要下降，整条线路的造价要根据线路具体情况进行比较，孰高孰低很难定论。但需要指出的是，如按长期容许电流来选择导线截面，则碳纤维导线的线损将大幅增加，究竟选择什么导线和截面，应综合考虑线路造价和电能损耗来确定。不过碳纤维导线具有在抗冰雪、大风和防止导线舞动等方面的优越性，保证了线路的安全运行，其经济价值不可估量。

2.2 增容改造线路

随着电力需求的发展、电力系统的扩大，有些线路的输送容量已不能满足要求，如果新建线路则投资较大，尤其在城市中新的线路路径较难选择，而且把老线路拆掉新建会影响供电。最佳的选择是利用原有杆塔而另换输送容量大的导线，碳纤维导线在不增加原有杆塔的受力和导线弧垂的条件下，代替原有的普通钢芯铝绞线，增加输送容量，投资费用可大为节省。

因为原有杆塔档距不变，杆塔风压、导线质量和对地距离都比原来小，因此碳纤维导线的选用可适当放松，选用大一号的导线，这样可把输送容量提高更多。亦可选用铝芯截面比大一些的导线，既可充分利用承力塔强度，又可提高输送容量。河南某220 kV线路原导线为LGJ-300/40、n=2.5，更换为JRLX/T-310/40、n=2.72，其最大使用应力、平均运行应力、垂直荷载、风荷载、弧垂都满足要求，输送容量可提高61%，综合造价为106万元/km。假如换成2×LGJ-300/40型导线，需要换杆塔，则综合造价为190万元/km，而且改造线路工期大大增大，所以碳纤维导线用于老线路的增容改造其优势是十分明显的。

2.3 特殊情况下的应用

线路遇有高山峡谷或大江大河需要大跨越时，为减小导线弧垂和满足悬挂点应力不超过最低点应力10%的要求，往往需要选用特殊的加强型导线。碳纤维导线是比较理想的选择，因其输送容量大、破断力大、重量轻、弧垂小，对杆塔的风荷载和垂直荷载较小，可以降低跨越塔的高度，从而有效减少杆塔和基础的材料用量。因为具体工程情况差别很多，此处不便举例，只能根据工程情况，选择几种不同的导线、档距、塔高、基础组合，进行经济技术比较。

在重覆冰区，线路的安全性应特别关注，使用碳纤维导线有明显的优越性。当导线覆冰达到一定厚度时，导线将破断。此时的覆冰厚度与导线的性能、设计采用的气象条件、导线最大应力和档距等有关。由于碳纤维导线强度大，其破断时的过载冰厚比普通LGJ导线大。如设计最大风速取30 m/s，冰厚取10 mm，导线安全系数取2.5，冰的比重为0.9，2种导线的极限冰厚见表2。

表2 外径基本相同的导线极限覆冰厚度Tab.2 Limit value of ice thickness for nearly same diameter of conductors

普通LGJ型导线，当达到破断力时其导线覆冰厚度往往超过设计冰厚很多。如导线设计安全系数为2.5，当设计冰厚为10 mm时，导线在覆冰40～50 mm时破断(因导线大小而异);当设计冰厚为20 mm时，导线在覆冰46～57 mm时破断，导线强度越大其破断时过载冰厚越大。由于碳纤维导线的强度大，所以其过载能力亦大。此外，碳纤维导线表面光滑，表面相对不易形成结冰。在湖北、苏南以及辽宁往年遭遇的特大冰雪灾害中大量线路受到破坏，使用该导线的线路却安然无恙。

3 结语

由于原材料和结构的特性，使碳纤维导线具有强度大、耐热性能好、高温时温度线膨胀系数小、弹性模量大、高温弧垂小、载流量大、表面光滑、不易覆冰、空气动力系数较小、在相同的铝截面时比普通钢芯铝绞线质量小等优点。若按允许温度165℃考虑(允许最高温度180℃，允许长期工作最高温度165℃)，该型导线与LGJ导线(允许温度80℃)相比，相同截面时，其输送容量可提高45% ～80%。在新建线路中，相近载流量下可比使用LGJ型导线承受塔受力下降20% ～40%，直线塔数量减少5% ～17%，承载导线风压减小38%～46%。其造价应根据线路具体情况计算比较。在方案选择时，还应考虑线路运行费用(包括线路折旧、线损等)的影响。在增容改造的老线路中，可利用原有杆塔，将原导线更换成碳纤维导线，使输送容量增加30% ～60%，改造费用仅为新建线路的50%左右。特别在线路走径比较难找的情况下，选择碳纤维导线往往是最佳的方案。为了能增加输送容量而又尽可能地减少由此引起的年电能损耗，碳纤维导线特别适用于最大负荷利用小时比较小的线路，如抽水蓄能电站、风力电站的外送线路以及峰谷差大或季节性负荷的线路。但是从节能考虑，碳纤维导线的长期运作电流不能选得太大，运行温度亦不能选得太高。

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