碳纤维复合芯导线在输电线路重冰区域上的应用

赵晓锋

摘要：介绍了碳纤维复合芯导线发展状况、趋势和特点，重点阐述了碳纤维复合芯导线的优点，以及国内碳纤维复合芯导线应用情况。

关键词：电力碳纤维导线架空输电线路应用

0 引言

2008年初，我国南方雪灾给国计民生带来重大灾难和经济损失，有些地方由于输电线路覆冰，铁塔扭曲变形甚至倒塌伤人。2009年，山西电网所辖曲朔Ⅱ线由于覆冰，地线断线，造成重大经济损失。有鉴于此，电网输电线路需要一种重量轻、强度高、弛度低、耐腐蚀、低线损的新型架空导线，碳纤维复合芯导线是最好的选择。

名词解释：ACCC—碳纤维复合芯导线

ACSR—钢芯铝绞线

1 碳纤维复合芯导线简介

中国土地资源有限，输电走廊的选择受到制约，提高单位走廊传输功率的需求日益迫切，对于输电能力取决于导线热稳定性的架空输电线路，更换高性能导线能够显著提高线路输送能力。近年来，随着大风、覆冰等恶劣气候的增多和加剧，导线风偏、舞动引发的线路故障频繁发生，严重影响电网安全稳定运行，更换低弧垂、高强度导线可有效抑制相地、相间放电及导线损伤。碳纤维复合芯导线因具有重量轻、高强度、高弹性模量、低线膨胀系数、耐高温、耐疲劳、耐腐蚀等技术优势，既能够用于提高输送能力，又可有效提高线路安全运行水平，将成为最具发展潜力的新型导线品种。目前，已有国内厂商可以生产这种导线。

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2 碳纤维复合芯导线的特点

2.1 运行温度高。碳纤维复合芯耐热导线可使迁移点温度提升，如ACCC/LH-300/50导线的迁移点温度在100～110℃范围内，长时间正常运行温度可达160℃，短时间正常运行温度可达200℃，能轻松满足增容后的弧垂等要求。

2.2 强度高。一般钢丝的抗拉强度为1240Mpa，高强钢丝为1410Mpa，而碳纤维复合芯导线芯棒，其抗拉强度可达到2600Mpa，分别为前两者的2.1倍和1.85倍。

2.3 重量轻。碳纤维复合芯材料的比重约为钢的1/5。在相同的外径下，碳纤维复合芯导线的重量比常规钢芯铝绞线ACSR轻20-40％。

2.4 弹性模量高，线膨胀系数小，弛度小。碳纤维复合芯导线与ACSR导线相比，具有显著的低弛度特性。在相同的实验条件下，温度从26.1℃上升到183℃时，常规ACSR导线的弛度从236mm增加到1422mm，提高了5倍；而ACCC导线的弛度仅从198mm增加到312mm，提高仅0.57倍。碳纤维复合芯导线弛度的变化量仅为常规ACSR导线的9.6%。在高温下弧垂不到钢芯铝绞线的1/10，能有效减小杆塔塔头高度，提高了导线运行的安全性和可靠性。

2.5 线损小，输送容量大。由于碳纤维复合芯导线不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，复合芯的非磁性体结构，解决了传统导线的涡流损耗，在输送相同负荷的条件下，还具有更低的运行温度，因此可以减少输电损失约6%。因碳纤维导线可以连续高温（1500C）条件下运行，故其载流量可达到常规导线的两倍左右。耐热铝合金导线，具有耐高温、高导电率等优点，特别适用于城网电网增容改造线路，使之在提高传输容量的同时，提高并改善电路的安全和可靠性。如选用同规格的该产品，可增容一倍，不需考虑余量。在大容量线路输电时可以减少导线的相分裂根数，提高安全可靠性。

2.6 耐腐蚀，使用寿命长。碳纤维导线的承力元件为“耐高温改性树脂基与高性能碳纤维复合材料”，与传统的钢芯相比，碳纤维复合材料对环境的酸、碱、盐、紫外线等侵蚀更稳定。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。

2.7 降低线路改造成本。以500 kV线路为例，在相同的环境条件下虽然复合芯导线的价格是ACSR的3-4倍，经济传输容量却为1.5-2倍。对于旧线路改造只需要更换导线，大大缩短施工工期、节省线路综合造价（约30％）。且由于强度高、重量轻和低驰度特性可使杆塔高度降低，同时可使铁塔结构更趋紧凑，缩小基础根开，(或增加杆塔之间的跨距)减小占地，可减少20%杆塔。也特别适用于大跨越，如针对碳纤维导线做典型设计可节省新建工程总造价10-20%。

2.8 对于季节性负荷变化比较大的线路，该产品尤为适用。可适当降低导线截面积，节约建设费用。

目前，碳纤维复合芯导线已在全国多地挂网运行，近两年已累计挂网8000公里，尚未发生过ACSR导线易发生的弛度下降、导线发热、断股等异常现象。其耐张线夹和接续管等部件运行正常，全部达到设计要求。

碳纤维复合芯导线技术对节约电能、改善环境有着非常重要的意义，具有广泛的应用前景。

3 碳纤维复合芯导线的铝股选择

碳纤维复合芯导线铝股的选择考虑如下：根据铝股的差异，有三种碳纤维复合芯导线：

①采用耐热铝合金作为碳纤维导线的铝股，形成碳纤维复合芯铝合金绞线。导电率60-61％，施工、运行性能良好。

②采用硬铝作为碳纤维导线的铝股，形成碳纤维复合芯硬铝绞线，其同时兼顾了导线的机械强度。

③采用软铝作为碳纤维导线的铝股，形成碳纤维复合芯软铝绞线，导电率63.5%，降低了线路损耗。

4 碳纤维复合芯导线应用

2009年1月自主研发的碳纤维复合芯铝合金绞线在500kV万顺三线470～473号耐张段挂网运行，这是碳纤维导线首次成功应用于500kV超高压输电线路，以ACCC/LH-300/50替换钢芯铝绞线LGJ-400/35，导线总长度15km。

截止到2011年1月底，碳纤维导线已连续运行2年以上，该耐张段未发生电气及机械故障。对试运行线路地面电/磁场强度、可听噪声、无线电干扰、铁塔倾斜及扭转、导线和金具温度、导线弧垂和对地距离等参数进行了测量，结果满足相关标准要求。

4.1 导线、金具温度测试

万顺三线恢复运行后，北京超高压公司对0470号－0473号ACCC-300/50碳纤维导线及金具、0470小号侧和0473号大号侧LGJ-400/35钢芯铝绞线及金具进行了红外测温。

更换的碳纤维复合芯导线（ACCC-300/50）在约1000MW负荷下，温度比相邻档的钢芯铝绞线（LGJ-400/35）低0～10℃，其中运行初期温差偏大（包括2009年1月12日、13日、17日测温数据均显示ACCC-300/50新型导线温度比LGJ-400/35型导线低5～10℃），后期温差逐渐缩小。

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线路运行期间的测温设备为手持式红外仪，主要依靠被测物体的热量辐射确定被测物体温度。由于新线（碳纤维导线）表面光亮，辐射系数小，热量辐射少，导致新线温度明显偏低。同一时间段内上述2种导线的耐张线夹温度差异较小（小于3℃）。

4.2 导线弛度及对地距离测试

万顺Ⅲ线恢复运行后，北京超高压公司对0471#－0472#碳纤维导线ACCC/LH-300/50以及0465号－0466号LGJ-400/35钢芯铝绞线的弧垂进行了测量。

4.2.1 导线弧垂测量：自2009年1月10日万顺Ⅲ线被测相导线挂线完成至1月17日，471#-472#档碳纤维导线弧垂有一个近300mm的增长量，这主要是线路投运后，导线温升所致，该期间万顺Ⅲ线负荷有1000MW。

至2010年1月2日，测量结果表明：碳纤维导线弧垂趋于稳定，如下图所示。更换碳纤维复合芯导线（ACCC-300/50）后导线弧垂比同档（471＃～472＃）原钢芯铝绞线（LGJ-400/35）小3～4m，对地距离增大3～4m。与对比测量的万顺Ⅲ线465＃～466＃档的钢芯铝绞线（LGJ-400/35）相比，弧垂优势更显著，如下图所示。