特高压交流线路中铝包覆碳纤维复合芯导线选型研究

王思源，杨 博，侯 骏，张 扬，赵庆周

（1.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250001；2.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250014；3.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

特高压交流线路用于国内最高等级网架构建及跨大区同步联网送电［1］。其主要特点为：电气距离短，便于扩大同步电网规模，提升抵御事故及新能源消纳能力；电压等级高、输电能力强、功率损耗低及综合效益高［2-3］。

特高压交流线路通过提高线路额定电压及输送电流的方式提升输送容量，1条特高压交流线路自然传输功率相当于4～6 条500 kV 交流线路的自然传输功率［3］。线路输送电压及电流的提高对特高压交流线路的导线提出了更高要求，为满足载流量及电磁环境的要求，我国已投运及在建的特高压交流线路导线型式由500 kV 交流线路的4×630 mm2截面提高至8×500 mm2（单回路）、8×630 mm2（双回路）截面。线路电阻损耗随线路电流呈平方关系增大，杆塔荷载随导线分裂数及外径呈直线关系增大，线路电阻损耗及杆塔线条荷载已成为特高压交流线路输送容量及经济性提升的关键因素。碳纤维复合芯导线具有单重轻、载流量大、导电率高、电阻率低等优点，特高压交流线路工程使用碳纤维复合芯导线能极大发挥碳纤维复合芯导线载流量大、线损低、弧垂小等优点，同时可克服特高压交流线路工程因导线引起输送容量受限的缺点，因此碳纤维复合芯导线在特高压交流工程具有了广阔的应用空间［4-6］。

1 铝包覆碳纤维复合芯导线特点

碳纤维复合芯导线（Carbon Fiber Composite Core Conductor）电气及机械特性优异，较钢芯铝绞线，优点如下：

1）载流量大，线损低。通过采用导电率为63% IACS 的软铝，导线长期允许运行温度由70 ℃提升至160 ℃，导线载流量提升近两倍。通过采用梯形型线代替圆形绞线，提升了铝导体填充率，等外径条件下铝截面较圆绞线提高约30%，降低了导线电阻［7］。

2）拉断力大，安全性高。采用抗拉强度为2 400 MPa 的碳纤维复合芯代替抗拉强度为1 240 MPa 的钢芯，大幅提高了导线拉断力，增加了导线覆冰过载能力，提升了导线安全性［8］。

3）线膨胀系数小，拉重比大，弧垂特性优异。导线弧垂小，档距固定情况下，可降低杆塔高度，杆塔高度固定情况下，可拉大杆塔档距，降低线路单位长度内杆塔数量，从而降低输电线路单公里造价［9-10］。

碳纤维复合芯导线抗弯折能力较差，在施工过程中易出现折损，并且难以进行全线探测，容易造成断线故障，有较大的安全隐患。此外，碳纤维复合芯导线需要特制楔形连接金具，工艺复杂、成本较高，且对施工工艺要求较高，严重限制了碳纤维复合芯导线的推广应用。针对碳纤维复合芯导线的不足，铝包覆碳纤维复合芯导线通过对碳纤维芯棒进行铝包覆，在保持碳纤维复合芯导线优点的情况下，弥补了碳纤维复合芯导线易折损的缺点，确保碳纤维复合芯处于预张力状态，大幅提高导线耐剪切能力，铝包覆碳纤维复合芯导线结构如图1所示。

图1 铝包覆碳纤维复合芯导线结构

导线结构的改进促使铝包覆碳纤维复合芯导线采用液压式连接金具，降低连接金具造价及施工难度，提升导线安全性，为其在特高压输电线路中应用提供可靠保障［11］。

碳纤维复合芯导线已在中国、美国、欧洲、日本、韩国等几十个国家及地区得以广泛应用，截至2020年，碳纤维复合芯导线、铝包覆碳纤维复合芯导线已在我国应用26 000 km（导线单线长度）以上［12-13］，典型应用工程如表1所示。

表1 （铝包覆）碳纤维复合芯导线应用情况

在经济性方面，铝包覆碳纤维复合芯导线较碳纤维复合芯导线节省的连接金具费用在输电线路初投资中占比很小，考虑到铝包覆碳纤维复合芯导线年费用略优于碳纤维复合芯导线，本文导线比选章节仅将铝包覆碳纤维复合芯导线作为比选导线与钢芯铝绞线在电气特性、机械特性、经济性等多个方面进行综合对比，对铝包覆碳纤维复合芯导线在特高压交流线路工程的导线选型进行研究并给出建议。

2 导线初选

目前国内已投运多条特高压交流线路，线路每回正常输送容量4 000～6 000 MW，每相电流2 431～3 646 A，N-1 原则下线路每回极限输送容量8 000～12 000 MW，每相电流4 862～7 292 A，以经济电流密度0.9 A/mm2，算得导线总截面为5 402～8 104 mm2。参考国内已投运特高压交流线路，本次导线选型的基准导线为8×JL1/G1A-630/45（方案1）。导线选型需从电气特性、机械特性及经济性三个方面进行技术经济比选，导线截面、导线外径、导线单重及导线载流量等因素均对导线技术经济比选有影响。以8×JL1/G1A-630/45（方案1）导线为基准，按照等铝截面、等单重、等外径、等载流量原则选定了如下导线进行比选：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，此截面电磁环境最小限值为10 分裂）。各比选导线结构参数如表2所示。

表2 导线结构参数

3 技术参数比选

3.1 边界条件

目前国内已投运多条特高压交流线路，以正在建设武汉—南昌特高压交流线路为例进行导线比选。其边界条件如下：1）每回正常输送容量6 000 MW，事故情况下极限输送容量12 000 MW；2）线路年损耗小时数分别为3 000 h、4 000 h、5 000 h；3）同塔双回路，单公里杆塔基数为2 基，直线塔与耐张比例为4∶1；4）设计风速32 m/s，设计覆冰15 mm。

3.2 导线电气特性

导线电气特性主要包括载流量、电阻损耗与电晕损耗引起的电能损失及电磁环境问题等。规范规定钢芯铝绞线长期允许运行温度为70 ℃，碳纤维复合芯导线长期允许运行温度为160 ℃［14-15］。各比选导线长期允许温度下的载流量如表3所示。

表3 导线允许载流量

由表3 可知，5 种导线方案载流量均满足极限输送容量要求。

特高压交流线路由于电压等级高，电磁环境问题更为突出，主要包括导线表面电场强度、无线电干扰、可听噪声等几个方面。

现行特高压交流线路设计规范对线路电磁环境进行了限定，在规定距离下，无线电干扰不超过58 dB（μV/m），可听噪声不超过55 dB（A）。各比选导线可听噪声及无线电干扰如表4所示。

表4 导线可听噪声及无线电干扰

由表4 可知，各比选导线方案可听噪声、无线电干扰满足要求。

线路损耗包括电阻损耗及电晕损耗两个方面，各导线方案线路损耗如表5所示。

表5 线路损耗

由表5 可知，所选10 分裂型式的铝包覆碳纤维复合芯导线损耗高于钢芯铝绞线，另外3种8分裂型式的铝包覆碳纤维复合芯导线损耗均低于钢芯铝绞线，8×JLRX1/F2A-800/50（方案4）导线损耗最低。

综上，在电气特性方面：各比选导线载流量均满足要求，且铝包覆碳纤维复合芯导线极限输送容量大大高于钢芯铝绞线极限输送容量，有较大容量储备，具备大负荷转移条件；各比选导线无线电干扰及可听噪声均满足现行规范要求；与钢芯铝绞线等截面、等单重、等外径条件下，铝包覆碳纤维复合芯导线电阻损耗均低于钢芯铝绞线。

3.3 导线机械特性

导线机械特性主要包括：水平荷载、垂直荷载、覆冰过载能力、高温弧垂。导线机械特性决定杆塔荷载、绝缘子及金具吨位等。根据规范规定的计算方法计算的各比选导线机械特性如表6所示。

由表6可知，3种比选的大截面铝包覆碳纤维复合芯导线覆冰过载能力优于钢芯铝绞线，5种导线覆冰过载均超过20 mm，均满足需求。4种铝包覆碳纤维复合芯导线拉重比均大于钢芯铝绞线，相同规律档距及档距条件下铝包覆碳纤维复合芯导线高温弧垂较钢芯铝绞线高温弧垂小1～3 m。在荷载特性方面，导线外径、分裂数决定了风荷载，单重决定了垂直荷载，拉断力决定了张力荷载，各荷载决定因素与荷载成正相关。总体看，方案2、3荷载与方案1相当，方案4荷载大于方案1，方案5荷载小于方案1，荷载越小，塔重越轻。

表6 导线机械特性

4 经济性分析

线路费用由初期投资及运行维护费用两部分构成，初期投资主要包括杆塔、基础、导线、金具、绝缘子、接地装置等，运行维护费主要为线路电阻及电晕损耗。线路工程通常采用年费用法判断导线选型的合理性［16］。

4.1 初期投资

根据武汉—南昌特高压交流线路工程南昌段实际情况，各比选导线方案初期投资如表7所示。

由表7可知，方案2—方案4由于导线单价高，导线单价相差不大，方案5 由于水平、垂直荷载均较小，降低了杆塔及基础费用，本体投资较低。

表7 各导线方案初期投资

4.2 运行维护费用

线路投运后的运行维护费用主要是线路电能损耗，其由电阻损耗及电晕损耗组成，线路损耗费用除与电能损耗功率有关外，还与上网电价、线路年损耗小时数相关。此外，线路运行维护也需要费用，通常为线路造价的1.4%，考虑到该项占比较小且不影响导线选型，本文不再考虑此项。各比选导线方案线路损耗功率如表8所示。

表8 各导线方案线路损耗功率

4.3 年费用

年费用法是将各比选导线方案在全寿命周期内的全部投入费用折算至等额年费用进行比较，得出经济性最优方案。年费用包括初期投资年费用、运行维护年费用、电能损耗年费用及资金利息。各比选导线不同上网电价、不同年损耗小时数、不同折现率条件下的年费用如表9所示。

表9 各导线方案年费用

由表9 可知，在不同上网电价、不同年损耗小时数、不同回收率情况下，比选的4 种铝包覆碳纤维复合芯导线方案中8×JLRX1/F2A-630/45（方案2）年费用基本最优，其年费用略高于基准导线年费用。考虑到铝包覆碳纤维复合芯导线有较大容量储备，具备大负荷转移条件，在一定的工程设计条件下，该型铝包覆碳纤维复合芯导线可代替常规钢芯铝绞线使用。

5 结语

根据特高压交流线路及铝包覆碳纤维复合芯导线的特点，选取了4 种型号的铝包覆碳纤维复合芯导线从电气特性、机械特性及经济性三个方面与钢芯铝绞线进行了全面比较。比选可知，铝包覆碳纤维复合芯导线8×JLRX1/F2A-630/45 电气及机械特性优于基准导线8×JL1/G1A-630/45，经济性与基准导线相当。铝包覆碳纤维复合芯导线具有弧垂小、线损低、耐高温、输送容量大、储备容量大、负荷转移强等优点，随着特高压交流线路工程的发展，输送容量大的特高压交流线路推荐采用8×JLRX1/F2A-630/45铝包覆碳纤维复合芯导线方案。未来，随着铝包覆碳纤维复合芯导线价格不断降低，其在特高压交流线路中的经济技术优势更加显著。