特高壓交流線路中鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線選型研究

王思源，楊 博，侯 駿，張 揚(yáng)，趙慶周

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250001；2.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250014；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

特高壓交流線路用于國(guó)內(nèi)最高等級(jí)網(wǎng)架構(gòu)建及跨大區(qū)同步聯(lián)網(wǎng)送電［1］。其主要特點(diǎn)為：電氣距離短，便于擴(kuò)大同步電網(wǎng)規(guī)模，提升抵御事故及新能源消納能力；電壓等級(jí)高、輸電能力強(qiáng)、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(dāng)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(duì)特高壓交流線路的導(dǎo)線提出了更高要求，為滿足載流量及電磁環(huán)境的要求，我國(guó)已投運(yùn)及在建的特高壓交流線路導(dǎo)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(guān)系增大，桿塔荷載隨導(dǎo)線分裂數(shù)及外徑呈直線關(guān)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(jīng)濟(jì)性提升的關(guān)鍵因素。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有單重輕、載流量大、導(dǎo)電率高、電阻率低等優(yōu)點(diǎn)，特高壓交流線路工程使用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線能極大發(fā)揮碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線載流量大、線損低、弧垂小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可克服特高壓交流線路工程因?qū)Ь€引起輸送容量受限的缺點(diǎn)，因此碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在特高壓交流工程具有了廣闊的應(yīng)用空間［4-6］。

1 鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線特點(diǎn)

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（Carbon Fiber Composite Core Conductor）電氣及機(jī)械特性優(yōu)異，較鋼芯鋁絞線，優(yōu)點(diǎn)如下：

1）載流量大，線損低。通過采用導(dǎo)電率為63% IACS 的軟鋁，導(dǎo)線長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度由70 ℃提升至160 ℃，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線電阻［7］。

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

3）線膨脹系數(shù)小，拉重比大，弧垂特性優(yōu)異。導(dǎo)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(zhǎng)度內(nèi)桿塔數(shù)量，從而降低輸電線路單公里造價(jià)［9-10］。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線抗彎折能力較差，在施工過程中易出現(xiàn)折損，并且難以進(jìn)行全線探測(cè)，容易造成斷線故障，有較大的安全隱患。此外，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線需要特制楔形連接金具，工藝復(fù)雜、成本較高，且對(duì)施工工藝要求較高，嚴(yán)重限制了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的推廣應(yīng)用。針對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的不足，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線通過對(duì)碳纖維芯棒進(jìn)行鋁包覆，在保持碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線優(yōu)點(diǎn)的情況下，彌補(bǔ)了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線易折損的缺點(diǎn)，確保碳纖維復(fù)合芯處于預(yù)張力狀態(tài)，大幅提高導(dǎo)線耐剪切能力，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)促使鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線采用液壓式連接金具，降低連接金具造價(jià)及施工難度，提升導(dǎo)線安全性，為其在特高壓輸電線路中應(yīng)用提供可靠保障［11］。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線已在中國(guó)、美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)等幾十個(gè)國(guó)家及地區(qū)得以廣泛應(yīng)用，截至2020年，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線、鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線已在我國(guó)應(yīng)用26 000 km（導(dǎo)線單線長(zhǎng)度）以上［12-13］，典型應(yīng)用工程如表1所示。

表1 （鋁包覆）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用情況

在經(jīng)濟(jì)性方面，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線較碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線節(jié)省的連接金具費(fèi)用在輸電線路初投資中占比很小，考慮到鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線年費(fèi)用略優(yōu)于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，本文導(dǎo)線比選章節(jié)僅將鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線作為比選導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線在電氣特性、機(jī)械特性、經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面進(jìn)行綜合對(duì)比，對(duì)鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在特高壓交流線路工程的導(dǎo)線選型進(jìn)行研究并給出建議。

2 導(dǎo)線初選

目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)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(jīng)濟(jì)電流密度0.9 A/mm2，算得導(dǎo)線總截面為5 402～8 104 mm2。參考國(guó)內(nèi)已投運(yùn)特高壓交流線路，本次導(dǎo)線選型的基準(zhǔn)導(dǎo)線為8×JL1/G1A-630/45（方案1）。導(dǎo)線選型需從電氣特性、機(jī)械特性及經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，導(dǎo)線截面、導(dǎo)線外徑、導(dǎo)線單重及導(dǎo)線載流量等因素均對(duì)導(dǎo)線技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選有影響。以8×JL1/G1A-630/45（方案1）導(dǎo)線為基準(zhǔn)，按照等鋁截面、等單重、等外徑、等載流量原則選定了如下導(dǎo)線進(jìn)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(huán)境最小限值為10 分裂）。各比選導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 技術(shù)參數(shù)比選

3.1 邊界條件

目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)多條特高壓交流線路，以正在建設(shè)武漢—南昌特高壓交流線路為例進(jìn)行導(dǎo)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(shí)數(shù)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(shù)為2 基，直線塔與耐張比例為4∶1；4）設(shè)計(jì)風(fēng)速32 m/s，設(shè)計(jì)覆冰15 mm。

3.2 導(dǎo)線電氣特性

導(dǎo)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(huán)境問題等。規(guī)范規(guī)定鋼芯鋁絞線長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度為70 ℃，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度為160 ℃［14-15］。各比選導(dǎo)線長(zhǎng)期允許溫度下的載流量如表3所示。

表3 導(dǎo)線允許載流量

由表3 可知，5 種導(dǎo)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(jí)高，電磁環(huán)境問題更為突出，主要包括導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度、無線電干擾、可聽噪聲等幾個(gè)方面。

現(xiàn)行特高壓交流線路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)線路電磁環(huán)境進(jìn)行了限定，在規(guī)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(dǎo)線可聽噪聲及無線電干擾如表4所示。

表4 導(dǎo)線可聽噪聲及無線電干擾

由表4 可知，各比選導(dǎo)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(gè)方面，各導(dǎo)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(fù)合芯導(dǎo)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(fù)合芯導(dǎo)線損耗均低于鋼芯鋁絞線，8×JLRX1/F2A-800/50（方案4）導(dǎo)線損耗最低。

綜上，在電氣特性方面：各比選導(dǎo)線載流量均滿足要求，且鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)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?jī)?chǔ)備，具備大負(fù)荷轉(zhuǎn)移條件；各比選導(dǎo)線無線電干擾及可聽噪聲均滿足現(xiàn)行規(guī)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(fù)合芯導(dǎo)線電阻損耗均低于鋼芯鋁絞線。

3.3 導(dǎo)線機(jī)械特性

導(dǎo)線機(jī)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(dǎo)線機(jī)械特性決定桿塔荷載、絕緣子及金具噸位等。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法計(jì)算的各比選導(dǎo)線機(jī)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(fù)合芯導(dǎo)線覆冰過載能力優(yōu)于鋼芯鋁絞線，5種導(dǎo)線覆冰過載均超過20 mm，均滿足需求。4種鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線拉重比均大于鋼芯鋁絞線，相同規(guī)律檔距及檔距條件下鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)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(dǎo)線外徑、分裂數(shù)決定了風(fēng)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(guān)?？傮w看，方案2、3荷載與方案1相當(dāng)，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(dǎo)線機(jī)械特性

4 經(jīng)濟(jì)性分析

線路費(fèi)用由初期投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用兩部分構(gòu)成，初期投資主要包括桿塔、基礎(chǔ)、導(dǎo)線、金具、絕緣子、接地裝置等，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)主要為線路電阻及電暈損耗。線路工程通常采用年費(fèi)用法判斷導(dǎo)線選型的合理性［16］。

4.1 初期投資

根據(jù)武漢—南昌特高壓交流線路工程南昌段實(shí)際情況，各比選導(dǎo)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(dǎo)線單價(jià)高，導(dǎo)線單價(jià)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(chǔ)費(fèi)用，本體投資較低。

表7 各導(dǎo)線方案初期投資

4.2 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

線路投運(yùn)后的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(fèi)用除與電能損耗功率有關(guān)外，還與上網(wǎng)電價(jià)、線路年損耗小時(shí)數(shù)相關(guān)。此外，線路運(yùn)行維護(hù)也需要費(fèi)用，通常為線路造價(jià)的1.4%，考慮到該項(xiàng)占比較小且不影響導(dǎo)線選型，本文不再考慮此項(xiàng)。各比選導(dǎo)線方案線路損耗功率如表8所示。

表8 各導(dǎo)線方案線路損耗功率

4.3 年費(fèi)用

年費(fèi)用法是將各比選導(dǎo)線方案在全壽命周期內(nèi)的全部投入費(fèi)用折算至等額年費(fèi)用進(jìn)行比較，得出經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)方案。年費(fèi)用包括初期投資年費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)年費(fèi)用、電能損耗年費(fèi)用及資金利息。各比選導(dǎo)線不同上網(wǎng)電價(jià)、不同年損耗小時(shí)數(shù)、不同折現(xiàn)率條件下的年費(fèi)用如表9所示。

表9 各導(dǎo)線方案年費(fèi)用

由表9 可知，在不同上網(wǎng)電價(jià)、不同年損耗小時(shí)數(shù)、不同回收率情況下，比選的4 種鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線方案中8×JLRX1/F2A-630/45（方案2）年費(fèi)用基本最優(yōu)，其年費(fèi)用略高于基準(zhǔn)導(dǎo)線年費(fèi)用?？紤]到鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線有較大容量?jī)?chǔ)備，具備大負(fù)荷轉(zhuǎn)移條件，在一定的工程設(shè)計(jì)條件下，該型鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線可代替常規(guī)鋼芯鋁絞線使用。

5 結(jié)語

根據(jù)特高壓交流線路及鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的特點(diǎn)，選取了4 種型號(hào)的鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線從電氣特性、機(jī)械特性及經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面與鋼芯鋁絞線進(jìn)行了全面比較。比選可知，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線8×JLRX1/F2A-630/45 電氣及機(jī)械特性優(yōu)于基準(zhǔn)導(dǎo)線8×JL1/G1A-630/45，經(jīng)濟(jì)性與基準(zhǔn)導(dǎo)線相當(dāng)。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有弧垂小、線損低、耐高溫、輸送容量大、儲(chǔ)備容量大、負(fù)荷轉(zhuǎn)移強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，隨著特高壓交流線路工程的發(fā)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(fù)合芯導(dǎo)線方案。未來，隨著鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線價(jià)格不斷降低，其在特高壓交流線路中的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加顯著。