工学论文：在增容改造工程利用旧杆塔更换新型碳纤维复合导线

      随着经济的快速发展，对电力的需求相应增加，因而对旧线路的扩容改造工程日益增多。在增容导线面世之前，最早在线路的扩容改造工程中，由于钢芯铝绞线允许使用温度的限制，增容只能通过用更大截面积的导线替换旧导线的方法来实现，往往需要更换杆塔，费时费工，增加投资。图1列出了不同铝截面积导线载流量与允许使用温度的关系曲线(计算边界条件:环境温度为40 0C、风速为0.61 m/s、全日照)。从图1可知，如要满足载流量1000 A的要求，则有多种方案可供选择:如采用铝截面积为800 mm-的导线，在工作温度为70℃时即可实现(A);采用铝截面积为400 mm-的导线，在工作温度为100℃时才可实现(B);而采用铝截面积为200 mm-的导线，则要在工作温度为200℃时才可实现(C)。如果采用普通的钢芯铝绞线，必须使用铝截面积为800 mm-的大截面导线，并将有可能更换杆塔，增加造价。如果采用能承受较高工作温度的增容导线，不仅铝截面积可以减小，而且有可能不必更换杆塔，省工省时，节省投资，经济效益显著。

1 新材料新型导线介绍

碳纤维复合芯铝绞线ACCC/TW(JRLX/T)的芯线是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，如图2。碳纤维采用聚酞胺耐火处理、碳化而成;高强度、高韧性的环氧树脂具有很强的耐冲击性、耐拉应力和弯曲应力。将碳纤维与玻璃纤维预拉伸后，于环氧树脂中浸渍，然后在高温模子中固化成型为复合材料芯线。芯线外层与邻外层为梯形截面铝线股。

碳纤维复合芯铝绞线特点:(1)强度大，ACCC导线的抗拉强度为一般钢丝的1.97倍，是高强度钢丝的1.7倍，试验证明其破断力比常规ACSR提高了30%; (2)导电率高，载流量大，复合材料不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，而且输送相同电力的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电线损6%左右，另外，相同直径时ACCC导线的铝材截面积为常规ACSR的1.29倍，因此可以提高载流量29% ,在180℃条件下运行，其载流量理论上为常规AC-SR的两倍;(3)线膨胀系数低，驰度小，ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低驰度特性，在相同的试验条件下，温度从26.1℃上升到183℃时，其驰度变化量仅为常规ACSR的9.6%，在高温下弧垂不到ACSR的1/10; (4)重量轻，复合材料的密度约为钢的1/4，单位长度总重量约为常规ACSR的70%一80%; ( 5 )耐腐蚀、使用寿命长，碳纤维复合材料与环境亲和，而且又避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，较好地解决铝导线长期运行的老化问题。

2 实际应用

2.1 韩岗一鹿头110 kV线路工程(投运名称110 kV韩沙线)

2.1.1 改建的必要性

110 kV韩沙线建于1990年，当时从韩岗变出线时韩岗变四周为空地，现在韩沙线靠近韩岗变附近约4公里的线路完全成为市区，当时考虑出站口附近的双回塔靠近房屋侧由于房屋离塔太近已不能挂线，而且当时选用的杆塔仅能挂LGJ-150的导线，新建的至110 kV沙河变的线路必须对该段线路进行改造，利用原走廊，原本采用架设单回导线为JL/G1 A-240的钢管杆线路，与新建的角钢塔线路相接，这样形成韩岗至沙河导线为JL/Gl A-240的线路。然而LGJ-240和LGJ-150导线选用的杆塔不一样，在城区拆除旧塔采用钢管杆工程实施非常麻烦，且投资大，施工周期长。在考虑到各种情况的前提下采用了利用旧杆塔更换新型导线碳纤维复合芯铝绞线的方式。

2.1.2 导线的选型

根据负荷情况及输送容量需求，本次架空导线新建部分选择JL/G 1 A-240导线，在经济电流密度取1.15 A/mm2情况下，单导线经济输送电力容量为52.5 MVA，最大输送容量为88.6 MVA;改造部分选择碳纤维复合芯铝绞线ACCC-150型耐热导线，在120℃运行温度下载流量可达582 A,150℃温度下可达678 A，大于LGJ-240/3 0导线在70 0C时445 A的载流量，可满足沙河变110 kV的输送容量需求。

2.1.3 实际运行的经济效益

若全线拆除原来的韩沙线3.57 km，重新架设双回JL/Gl A-240的钢管杆线路单公路造价约为114.2万元/km，重新架设工程总投资约为428.4万元，采用更换耐热(碳纤维)导线，费用总计约60万元，节省投资368.4万元，极大地节约了初期的投资。

在110 kV韩沙线的线路全寿命周期内，应考虑以后的年损耗的费用。根据湖北电网2012年投资估算指标，新建单回JL/G1 A-240导线钢管杆线路与更换耐高温碳纤维导线投资费用比较见表to

采用更换耐高温碳纤维导线减少工程投资368.4万元。此工程一次投资成本IC差额为368.4万元，供电损失成本FC差额为12.8万元/年(FC=本线路的年线损率减去对应相同电压等级相同线径普通导线的线损率x这条线路的年输送容量)，其最经济的使用年限为29年左右。

2.2 余襄II回更换耐热导线工程

2.2.1 增容改造必要性

根据负荷预测和潮流计算，2015年兴发用户一期投产，武镇变负荷为170 MW ,襄南层面需下网负荷530 MW。正常方式下，由襄樊电厂一余岭工、II回线路输送负荷达330 MW。当襄樊电厂一余岭I回(2 x LGJ-300)线路发生故障时，襄樊电厂一余岭II回( LGJQ-400 )线路潮流达到250 MW左右，线路重载。

2017年兴发用户全部投产，武镇变负荷达360 MW ,襄南层面需下网负荷760 MW。正常方式下，由襄樊电厂一余岭工、II回线路输送负荷达450 MW。当襄樊电厂一余岭I回(2 x LGJ-3 00)线路发生故障时，襄樊电厂一余岭II回((LGJQ-400 )线路潮流达到320 MW左右，线路过载。

如果襄南片区考虑建设500 kV襄南变，220 kV武镇变直接由500 kV襄南变直接供电，则襄樊电厂一余岭工、II回线路供电压力减小，输送负荷250MW左右，襄余工、II回线路能够满足供电要求。如果襄南片区不考虑建设500 kV襄南变，则需要对襄樊电厂一余岭II回线路进行增容改造，提高襄樊电厂一余岭断面供电能力，以满足襄南地区负荷快速增长的需要。

2.2.2 实际运用设计原则

(1)根据系统要求，余襄线中的LGJQ-400 }}导线线路需要增容改造，使其最大输送功率达到400 MW，应换线导线极限输送容量时的载流量为1000 A。采用碳纤维复合导线输送容量为496.6 MW，是原来的400 mm-导线的2倍，详见表2、表3}

(2>遵守原线路的设计气象条件和杆塔使用条件，导线选择尽量与原导线参数相当。①在环境温度40 0C，风速0.5 m/s，辐射系数0.9，日照强度1000W/m=条件下，导线载流量为1000 A时的相应温度下弧垂与LGJQ-400型钢芯铝绞线70℃相当;②导线最大使用张力接近原LGJQ-400型导线最大使用张力;③导线水平荷载和垂直荷载不超过原杆塔设计使用条件。

相同代表档距下，碳纤维复合芯铝绞线各档弧垂比原线普通的钢芯铝绞线小，特别是碳纤维复合芯铝绞线弧垂特性最好，见表4}

耐热导线由于温升高(140一150 0C)，有良好的自融冰能力，过载冰厚均较好。见表5}

碳纤维复合芯铝绞线同原线普通的钢芯铝绞线水平荷载相差不大，碳纤维复合芯铝绞线的垂直荷载相对较小，见表6}

因碳纤维复合芯铝绞线导线风偏角相对较小，在本工程杆塔不变的情况下完全可以满足杆塔电气间隙要求，见表7。

(3)杆塔校验执行SDJ 3-1979《架空送电线路设计技术规程》。2.2.3线路造价分析

以400导线截面的普通导线和碳纤维复合芯铝绞线作比较:

(1)根据目前耐热导线的市场报价，两种导线结构的每公里材料量及差价列于表8}

(2)耗钢量主要与导线荷载、横担长度及导线弧垂有关。耐张塔耗钢量主要与导线张力、水平荷载有关;直线塔耗钢量主要与导线水平荷载、横担长度及导线弧垂有关，垂直荷载对塔重的影响不大。

(3)导线的经济性比较见表9}

由于耐热导线的年损耗较普通导线大，需将初期的工程规模和运行年限损耗的费用结合考虑，确定线路的经济使用年限。

3 结论

对于短寿命运行的线路，特别是240及以下的线路适合更换耐热导线，对于300及以上的导线，特别是双分裂的导线不太适合更换为耐热导线。长寿命周期运行产生的综合费用高。架线工程在工程本体造价中所占比例较大，导线的选择直接关系到电能损耗的多少，对全寿命周期费用影响较大。结合工程实际情况，特别是增容改造工程，推广利用旧杆塔更换新型导线碳纤维复合芯铝绞线设计应根据系统规划要求，通过从电气特性、环境特性、力学性能、电能损耗、综合技术经济指标等方面，选择多种导线进行全方位比较，合理分析前期投资的节省费用和长期运行损耗产生的费用，得出线路建设使用的最经济性的年限。