圓形耐熱硬鋁合金碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在500k V山區(qū)增容改造線路中的推薦分析

魏一航，陳錫祥

（1.華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200001；2.湖州電力局，浙江 湖州 313000）

隨著±800 kV溪洛渡至浙西直流輸電線路工程即將投產(chǎn)，對(duì)浙西換流站的配套送出工程也將相應(yīng)建設(shè)，其中就含有500 kV雙龍至丹溪線路交跨及增容改造工程。即500 kV雙溪5461線/龍溪5462線與雙萬(wàn)5463線和龍象5464線交跨改接和增容改造工程。

500 kV雙龍至丹溪線路—雙溪5461和龍溪5462雙回線為4×630 mm2導(dǎo)線，500 kV雙龍至萬(wàn)象線路—雙萬(wàn)5463和龍象5464兩個(gè)單回線為4×400 mm2導(dǎo)線。按系統(tǒng)要求，這三條線路要在雙龍變附近進(jìn)行交跨改接。交跨改接長(zhǎng)約2 km雙回線路。

交跨改接后，至雙龍變的雙萬(wàn)5463和龍象5464兩個(gè)單回線要增容改造，以適應(yīng)4×630 mm2的線路輸送容量。增容改造長(zhǎng)度為一個(gè)單回線4.5 km，兩個(gè)單回線共9 km。塔不動(dòng)只換導(dǎo)線。并要求更換后的導(dǎo)線在各種氣象條件下的荷載不超原桿塔、基礎(chǔ)的要求，導(dǎo)線的弧重不超原4×400 mm2導(dǎo)線的弧重，以滿足原線路的對(duì)地距離和交叉跨越的要求。

1 原線路工程結(jié)論

1.1 氣象條件及導(dǎo)線資料

根據(jù)本工程線路運(yùn)行單位的要求盡量減少對(duì)當(dāng)?shù)刂脖坏钠茐?，工程中僅更換導(dǎo)線，仍利用原塔，因此設(shè)計(jì)氣象條件仍按照原工程線路，為其中的1個(gè)氣象區(qū)，推薦氣象條件如表1和表2。

表1 推薦氣象條件一覽表Tab.1 Meteorological conditions recommended table

表2 原線路的導(dǎo)線型號(hào)及參數(shù)Tab.2 Conductor specification and parameters for constructed tramission line

1.2 系統(tǒng)要求

要求5463雙萬(wàn)和5464龍象線兩個(gè)單回線在換線增容改造后與5461雙溪線、5462龍溪線同塔雙回線聯(lián)接后，輸送容量與其相匹配。即在N-1情況下，每條單回線的輸送容量為3500 MW，在cos φ=0.95時(shí)，每相導(dǎo)線輸送電流為4254 A。

2 增容改造方案選擇

2.1 提高導(dǎo)線最高允許溫度的方案

將原導(dǎo)線最高允許溫度由70℃提高至80℃（90℃）可提高導(dǎo)線輸送能力，即在不改變線路結(jié)構(gòu)的情況下增加輸送能力。

兩種導(dǎo)線4×LGJ-400/35和4×LGJ-630/45在不同最高允許溫度下的載流量如表3所示。

表3 載流量比較表Tab.3 Comparision table for carrying capacity

從表3中看出，采用提高導(dǎo)線最高允許溫度，現(xiàn)有的4×LGJ-400/35無法達(dá)到4×LGJ-630/45輸送容量4×1054A的要求。

2.2 更換增容導(dǎo)線的方案

為了利用原5463和5464兩個(gè)單回輸電線路的現(xiàn)有桿塔基礎(chǔ)、絕緣子，避免拆除，同時(shí)滿足原線路的增容需求[1-2]，更換增容導(dǎo)線因此成為工程線路提高輸送容量的必要條件。

增容導(dǎo)線為了要比原有的導(dǎo)線輸送更多的電能，其方法是增加輸送電流的容量，提高了導(dǎo)線的溫升，當(dāng)導(dǎo)線的溫度升高后，線路中導(dǎo)線的弧垂便增加，溫度提升得越高，弧垂增加得越大，然而對(duì)于已架設(shè)好的線路，弧垂量不能隨便變動(dòng)增加，為達(dá)到上述要求，采取的措施如下。

1）以日本為代表的導(dǎo)線，導(dǎo)線的導(dǎo)體采用耐熱鋁合金，這種耐熱鋁合金是鋁中添加鋯、釔等元素，使其在導(dǎo)線提高溫度時(shí)，耐熱鋁合金的強(qiáng)度降低值在允許的范圍內(nèi)。

2）以美國(guó)、加拿大為代表的導(dǎo)線，其導(dǎo)體采用經(jīng)處理的軟鋁線，導(dǎo)電率達(dá)63%IACS，它的強(qiáng)度較低只有59～76 MPa，但其延伸率達(dá)20%～30%。這樣當(dāng)導(dǎo)線的溫度升高時(shí)，軟鋁線的強(qiáng)度并不會(huì)降低，導(dǎo)線受力后，即使是受力過大而破壞導(dǎo)線，因鋁線有足夠大的延伸率而首先破壞鋼芯。

當(dāng)完成這種“轉(zhuǎn)移”后，導(dǎo)線的弧垂便取決于承力件鋼芯，鋼芯的熱膨脹系數(shù)比導(dǎo)線小得多，因此溫度繼續(xù)升高時(shí)，導(dǎo)線的弧垂增量要小得多，能保證線路中導(dǎo)線的弧垂量。

為了使導(dǎo)線獲得更好的弧垂特性和允許的弧垂量，其承力件還采用復(fù)合纖維材料，內(nèi)部是一根由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的復(fù)合芯，外層由一系列呈梯形截面的軟鋁線或圓形截面的硬鋁線絞合而成。碳纖維復(fù)核芯承擔(dān)導(dǎo)線總的力學(xué)性能，具有強(qiáng)度高、密度小、膨脹系數(shù)小、耐腐蝕等特點(diǎn)。外層鋁具有導(dǎo)電率高、電阻小、自阻尼性能強(qiáng)的特點(diǎn)。碳纖維復(fù)合芯與鋁單線絞制而成的導(dǎo)線，便具有優(yōu)良的性能[3-8]：導(dǎo)線重量輕，電阻小，表面光滑不易舞動(dòng)，拉力質(zhì)量比大，弧垂隨溫度的變化小等。因此，可作為電力部門老舊線路改造、電力增容導(dǎo)線，大大地改善了增容線路中導(dǎo)線的弧垂特性，減少了導(dǎo)線的弧垂量。

目前已經(jīng)采用的各種增容導(dǎo)線的應(yīng)用類型主要有：圓形耐熱硬鋁合金碳纖維芯導(dǎo)線、耐熱軟鋁碳纖維芯導(dǎo)線、加強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線、特強(qiáng)鋼芯軟鋁導(dǎo)線、殷鋼（鋁包殷鋼）芯耐熱鋁合金導(dǎo)線等五類增容導(dǎo)線的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究，對(duì)各種新型增容導(dǎo)線進(jìn)行分析對(duì)比。

由于本工程地處山區(qū)，地形起伏較大，植被茂密，采用軟鋁導(dǎo)線比較容易在施工中出現(xiàn)磨損，甚至散股，鑒于以往的軟鋁導(dǎo)線散股事故并考慮到整個(gè)工程的安全性，軟鋁導(dǎo)線（耐熱軟鋁碳纖維芯導(dǎo)線、特強(qiáng)鋼芯軟鋁導(dǎo)線）在本工程中不推薦采用。

同時(shí)根據(jù)供電公司運(yùn)行部門的意見，原線路地處山區(qū)，增容改造由于植被茂密，每年在削減植被增高高度上花費(fèi)了大量的運(yùn)行費(fèi)用，給整個(gè)浙江地區(qū)的線路運(yùn)行都帶來較大的壓力，為了能在增容改造中不增加導(dǎo)線弧垂，而且又能滿足增容條件，因此本工程推薦增容導(dǎo)線必須保持比原導(dǎo)線LGJ-400/35相同或較小的弧重。

但為了盡量減少拆除已建桿塔的數(shù)量，減少對(duì)當(dāng)?shù)刂脖画h(huán)保的影響，增容導(dǎo)線的使用強(qiáng)度也要滿足已建線路桿塔的桿塔荷載、絕緣子強(qiáng)度等要求。在已建桿塔的允許荷載限制下，加強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線及殷鋼（鋁包殷鋼）芯耐熱鋁合金導(dǎo)線的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)就無法體現(xiàn)出來，因此也無法滿足減小弧垂的要求。

為了既能滿足已建桿塔的使用條件，又能滿足弧垂減小的要求，參考中復(fù)碳芯電纜科技有限公司的圓形耐熱硬鋁合金碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，最終選擇三種截面導(dǎo)線2×JLNR/F1B-720/65、4×JLNR/F1B-375/35、4×JLNR/F1B-320/30進(jìn)行比較。

3 增容導(dǎo)線的計(jì)算

根據(jù)工程要求，對(duì)圓形耐熱硬鋁合金碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線JLNR/F1B-720/65，JLNR/F1B-375/35，JLNR/F1B-320/30進(jìn)行載流量、弧重、荷載、絕緣子強(qiáng)度、風(fēng)偏等機(jī)械性能比較及各導(dǎo)線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以確定優(yōu)選的導(dǎo)線方案。

3.1 導(dǎo)線型號(hào)及參數(shù)

導(dǎo)線型號(hào)及參數(shù)如表4所示。

表4ACCC導(dǎo)線參數(shù)Tab.4 ACCC conductor parameters

3.2 允許載流量計(jì)算

計(jì)算條件：

環(huán)境溫度ta為35℃；P為3500 MW；風(fēng)速V為0.5 m/s；日照強(qiáng)度Is為1000 W/m2；2分裂時(shí)每根導(dǎo)線電流A：2127 A；4分裂時(shí)每根導(dǎo)線電流：1064 A。

根據(jù)增容后增容導(dǎo)線所承擔(dān)的N-1輸送電流，同時(shí)考慮到日照、吸熱和輻射系數(shù)的影響，對(duì)各增容導(dǎo)線在最熱月平均溫度的環(huán)境下溫升后所達(dá)到的導(dǎo)線溫度與原線路現(xiàn)有的導(dǎo)線LGJ-630/45導(dǎo)線鋼芯鋁絞線進(jìn)行比較。

3.3 最高導(dǎo)線允許溫度時(shí)弧垂

為不超出原塔使用條件，在弧垂應(yīng)力計(jì)算中，圓鋁碳纖維導(dǎo)線控制張力以原5463線、5464線原桿塔LGJ-400/35鋼芯鋁絞線每相最大的導(dǎo)線張力作為控制條件，計(jì)算得出拐點(diǎn)溫度時(shí)的張力，再以此張力作為控制條件，得出各增容導(dǎo)線在增容后N-1運(yùn)行溫度（見表5）下所產(chǎn)生的弧垂。

表5 允許載流量Tab.5 Carrying capacity allowed

計(jì)算得出，三種圓鋁碳纖維導(dǎo)線在300 m、400 m、500 m、600 m代表檔距下產(chǎn)生的弧垂均比原桿塔LGJ-400/35鋼芯鋁絞線高溫40℃下產(chǎn)生的弧垂還要小，滿足工程線路運(yùn)行單位增容后導(dǎo)線弧垂不再增加的要求。詳見表6。

表6 導(dǎo)線允許溫度時(shí)弧垂Tab.6 Conductor sag under allowed temperature

3.4 對(duì)桿塔荷載的校驗(yàn)

根據(jù)對(duì)圓鋁碳纖維導(dǎo)線的機(jī)械特性計(jì)算，三種圓鋁碳纖維導(dǎo)線在大風(fēng)工況下的水平荷載和覆冰工況下的垂直荷載均比原線路LGJ-400/35導(dǎo)線對(duì)原塔所產(chǎn)生的荷載要小，因此采用這三種圓鋁碳纖維導(dǎo)線不會(huì)超出原桿塔的最大使用荷載。

表7 每相導(dǎo)線的荷載條件比較Tab.7 Load comparision for conductors

3.5 絕緣子串強(qiáng)度校核

由于碳纖維導(dǎo)線本身自重輕的特點(diǎn)，對(duì)直線塔在垂直荷載上均比原線路普通鋼芯鋁絞線要小，經(jīng)絕緣子串強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算，原線路直線塔的懸垂串均可再次利用。

且3種圓鋁碳纖維導(dǎo)線控制張力以原線路舊導(dǎo)線的最大使用張力為準(zhǔn)，更換圓鋁碳纖維導(dǎo)線對(duì)原線路耐張塔導(dǎo)線耐張串不夠成超出的影響，強(qiáng)度不變，詳見表8、表9。

3.6 懸垂串搖擺角校核

在此工程的增容段中共涉及到4種塔型，分別為雙萬(wàn)5463線的ZM1b、ZMS1及龍象5464線的ZMSV41A、ZMSV42A，根據(jù)原線路的鐵塔單線尺寸及懸垂串的串型和串長(zhǎng)，推算出懸垂串在帶電、雷電、操作、工頻四種間隙工況下的允許搖擺角度數(shù)，再按照允許搖擺角反算出各型導(dǎo)線在該塔型實(shí)際應(yīng)用中的允許kV（垂直檔距/水平檔距），根據(jù)得出的允許kV值，對(duì)各型導(dǎo)線在增容段內(nèi)排布定位曲線，逐塔校驗(yàn)。

表8 5463線絕緣子串強(qiáng)度Tab.8 String intensity on the 5463 transmission line

表9 5464線絕緣子串強(qiáng)度Tab.9 String intensity on the 5464 transmission line

經(jīng)校驗(yàn)，采用2×JLNR/F1B-720/65或4×JLNR/F1B-375/35導(dǎo)線時(shí)，原線路僅需在個(gè)別桿塔懸垂串上增加重錘即可，對(duì)原線路不造成拆除方面的影響，4×JLNR/F1B-320/30導(dǎo)線由于在三種導(dǎo)線中重量最輕，對(duì)原線路搖擺角不良的桿塔影響較大，部分桿塔已超出原有的使用條件，需要拆除新建。具體見表10。

表10 懸垂串搖擺角Tab.10 Suspension string angle

4 經(jīng)濟(jì)比較

4.1 圓形耐熱硬鋁合金碳纖維導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)損耗

表11 2×JLNR/F1B-720/65經(jīng)濟(jì)損耗表Tab.11 Economical waste(2×JLNR/F1B-720/65)

表12 4×JLNR/F1B-375/35經(jīng)濟(jì)損耗表Tab.12 Economical waste(2×JLNR/F1B-375/35)

表13 4×JLNR/F1B-320/30經(jīng)濟(jì)損耗表Tab.13 Economical waste(2×JLNR/F1B-320/30)

4.2 圓形耐熱硬鋁合金碳纖維導(dǎo)線的損耗費(fèi)用

輸送容量取1200、1600、2000 MW，電價(jià)取0.3、0.35、0.4、0.45、0.5元/kW·h，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)取5000h，年損耗小時(shí)數(shù)取3200 h，結(jié)果見表14~16所示。

表14 P=1200 MW損耗費(fèi)用Tab.14 Waste expenses(P=1200 MW)

從表14~16中可看出，要用2×JLNR/F1B-720/65，從價(jià)格、損耗上看都是不可取的，而4×JLNR/F1B-375/35與4×JLNR/F1B-320/30相比，雖然價(jià)格便宜，每公里線路可省6.0萬(wàn)元。但其損耗要大。當(dāng)輸送功率P=1200 MW時(shí)，若采用4×JLNR/F1B-375/35，則兩年運(yùn)行的損耗費(fèi)用差即可將導(dǎo)線費(fèi)用回收；若輸送功率P=1600 MW時(shí)，則一年左右即可回收；若輸送功率P=2000 MW時(shí)，則不到一年即可回收。

表15 P=1600 MW損耗費(fèi)用Tab.15 Waste expenses(P=1600 MW)

表16 P=2000 MW損耗費(fèi)用Tab.16 Waste expenses(P=2000 MW)

5 結(jié)論

1）根據(jù)±800 kV浙西換流站配套500 kV送出工程的要求，更換4×400 mm2導(dǎo)線達(dá)到4×630 mm2導(dǎo)線的輸送容量要求，即在不更換桿塔、基礎(chǔ)、絕緣子情況下，使輸送容量增加33%~35%。

為此對(duì)各種增容導(dǎo)線進(jìn)行對(duì)比，推薦了三種碳纖維復(fù)合芯耐熱鋁合金導(dǎo)線。

2）結(jié)合本工程要求對(duì)三種圓形耐熱硬鋁合金碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線2×JLNR/F1B-720/65、4×JLNR/F1B-375/35、4×JLNR/F1B-320/30的載流量、桿塔荷載、高溫弧垂、絕緣子強(qiáng)度、懸垂串搖擺角進(jìn)行校驗(yàn)，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較后，推薦4×JLNR/F1B-375/35導(dǎo)線。

3）JLNR/F1B-375/35導(dǎo)線參數(shù)

其中復(fù)合芯棒要求符合GB/T29324-2012《架空導(dǎo)線用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料芯棒》的要求。

表17 推薦導(dǎo)線參數(shù)表Tab.17 Conductor parameters recommended

耐熱鋁合金線符合IEC62004《架空導(dǎo)線用耐熱鋁合金線》的要求。

4）耐張線夾采用木契形耐張線夾，接續(xù)管采用木契形接續(xù)管。

5）跳線采用JLNR/G1A-400/35。

[1]余虹云.碳纖維導(dǎo)線負(fù)荷與溫度關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].浙江電力，2008，25（4）：25-28.YU Hong-yun.Apply and research between load and temperature of aluminum conductor composite core[J].Zhejiang Electric Power，2008，25（4）:25-28（in Chinese）.

[2] 葉鴻聲，黃偉中，王彬.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在跨越增容改造工程中應(yīng)用探討[C].新型架空輸電線技術(shù)與應(yīng)用研討會(huì)文集，2010.

[3] 何州文，陳新，王秋玲，等.國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研究和應(yīng)用綜述[J].電力建設(shè)，2010，31（4）：90-93.HE Zhou-wen， CHEN Xin， WANG Qiu-ling， et al.Research and application overview of ACCC conductor in China[J].Electric Power Construction，2010，31（4）:90-93（in Chinese）.

[4] 碳纖維復(fù)合芯鋁絞線（一）、（二）[Z].遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù)有限公司，2006.

[5] 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的應(yīng)用研究報(bào)告[R].常州供電公司，2007.

[6] 嚴(yán)行健.ACCC導(dǎo)線應(yīng)用和金具的研制[J].電網(wǎng)與水利發(fā)電進(jìn)展，2008，24（6）：6-11.YAN Xing-jian.Application of ACCC conductor and its fittings manufacture[J].Power System and Clean Energy，2008，24（6）:6-11（in Chinese）.

[7] 嚴(yán)行健，王澄.碳纖維復(fù)合芯鋁絞線導(dǎo)線的應(yīng)用和金具的研制[J].江蘇電機(jī)工程，2008，27（3）：33-36.YAN Xing-jian，WANG Cheng.The ACCC conductor application and its fittings manufacture[J].Electrical Machinery Project in Jiangsu Province，2008，27（3）:33-36（in Chinese）.

[8] 朱岸明，于國(guó)夫，毛琛琳，碳纖維耐熱導(dǎo)線及其在750 kV線路應(yīng)用分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（5）：10-14.ZHU An-ming，YU Guo-fu，Mao Chenlin.Themo-resistance aluminum conductor composite core/trapezoidal wire and its application analysis in 750 kV transmission line[J].Power System and Clean Energy，2008，24（5）：10-14（inChinese）.