朱忠烈，張旭航，祝瑞金，曹 煒，杜 洋

（1.華東電網(wǎng)有限公司，上海 200002；2.上海電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200002；3.上海電力學(xué)院，上海 200090）

1 采用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線提高輸送能力

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，電力需求不斷增長(zhǎng)，電力負(fù)荷不斷增加，電源容量和用電需求的增長(zhǎng)以及環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，使得我國現(xiàn)有的輸電線路已經(jīng)不能適應(yīng)電力傳輸快速擴(kuò)容的需求，現(xiàn)有線路的傳輸容量已經(jīng)成為電力工業(yè)發(fā)展的瓶頸［1］。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（ACCC）的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，內(nèi)部是1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1系列呈梯形截面的軟鋁線絞合而成。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［2］。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)。外層軟鋁具有導(dǎo)電率高、電阻小、自阻尼性能強(qiáng)的特點(diǎn)。

國外碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線的生產(chǎn)廠家目前有2家，分別是美國CTC公司（Composite Technology Corporation）和美國水銀電纜公司（Mercury Cable ＆Energy LLC）。其中CTC公司研制的碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線（型號(hào)為ACCC／TW），2004年8月首次安裝在試驗(yàn)線段上，2005年1月正式在實(shí)際線路工程上應(yīng)用。迄今為止，國外共有15條線路（均為單回路）使用該種導(dǎo)線。法國于2005年開始進(jìn)行碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)線路的長(zhǎng)度分別為0.8 km和0.4 km。

從2005年開始，我國多家單位開始對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的技術(shù)進(jìn)行研究。這些單位主要有：遠(yuǎn)東電纜有限公司、中國電力科學(xué)研究院、航天四院43所、遼寧省電力公司與哈玻院、華北電力科學(xué)研究院和河北硅谷化工有限公司等。從2006年6月至今，我國掛網(wǎng)運(yùn)行的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的線路已經(jīng)超過100條，長(zhǎng)2 800 km，主要集中在110～220 k V線路上［3］。

華東電網(wǎng)是我國最大的區(qū)域電網(wǎng)，電源主要分布在沿江、沿海、鐵路沿線以及兩淮、蘇北坑口，負(fù)荷中心主要集中在上海、蘇南、浙北和浙南地區(qū)；華東電網(wǎng)內(nèi)部也形成了結(jié)構(gòu)迥異的多受端電網(wǎng)。未來2～3年，華東電網(wǎng)，特別是地處長(zhǎng)三角的上海、蘇南、浙北核心電網(wǎng)，仍將面臨較大的運(yùn)行壓力。

隨著電源的不斷接入，特高壓交流輸電工程投產(chǎn)初期，都將帶來落點(diǎn)附近部分?jǐn)嗝婢植繒r(shí)段輸電受阻，例如：復(fù)奉特高壓直流送出受阻、蘇錫南部電網(wǎng)輸電受阻等。同樣，新增電源送出也受阻，例如：秦山核電、嘉興三期電廠等新增電源因電網(wǎng)結(jié)構(gòu)原因，也存在出力受阻問題?，F(xiàn)有福建與浙江的聯(lián)絡(luò)通道不能滿足福建富裕電力送出需求，窩電嚴(yán)重。由此可見，對(duì)原有線路進(jìn)行增容改造，從而增加重要聯(lián)絡(luò)線的輸送能力，對(duì)改善華東電網(wǎng)部分?jǐn)嗝婢植繒r(shí)段輸電受阻、部分新增電源送出受阻有著重要意義。

2 華東500 k V線路改造經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 增容改造項(xiàng)目

汾湖—三林雙回線路（100 km）使用了3種導(dǎo)線：4×720 mm2導(dǎo)線、4×400 mm2耐熱鋁合金導(dǎo)線和4×400 mm2鋼芯鋁絞線，其允許載流量分別為3.24 k A（70℃）、4.1 k A（150℃）和2.9 k A（升溫至80℃）。受4×400 mm2鋼芯鋁絞線限制，汾湖—三林雙回線路熱穩(wěn)限額為2.6 GW（轉(zhuǎn)移比為0.87）。“十二五”期間，隨著奉賢直流（6.4 GW）、楓涇直流（3 GW）、同里直流（7.2 GW）的陸續(xù)投產(chǎn)，浙江電網(wǎng)承擔(dān)的調(diào)峰壓力增大，低谷時(shí)段汾湖—三林雙回線路難以滿足要求，需要進(jìn)行增容改造。

2.2 增容改造方案

方案一 不改變?cè)芯€路基礎(chǔ)及桿塔，將原有導(dǎo)線更換為近似截面的碳纖維導(dǎo)線（型號(hào)為JLRX-4×413／52），更換后運(yùn)行溫度低于120℃，汾湖—三林雙回線路熱穩(wěn)限額為4.16 GW（線路額定電流按4.648 k A計(jì)）；運(yùn)行溫度為160℃時(shí)，汾湖—三林雙回線路熱穩(wěn)限額為5.17 GW（線路額定電流按5.772 k A計(jì)）。

方案二 將原有線路及桿塔拆除，重建大截面鋼芯鋁絞線線路（型號(hào)為L(zhǎng)GJQ-4×720），汾湖—三林雙回線路熱穩(wěn)限額為3.58 GW（線路額定電流按4 k A計(jì)）。

以2013年華東電網(wǎng)夏季低谷典型方式為例進(jìn)行校核，以上兩種方案潮流計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方案潮流計(jì)算結(jié)果

由表1計(jì)算結(jié)果可見，兩種方案均能滿足汾湖—三林?jǐn)嗝骐娏斔鸵?，方案一線路容量裕度更大。此外，由于采用碳纖維導(dǎo)線鋁截面積相對(duì)較小，線路阻抗相對(duì)較大，因此碳纖維線路上通過潮流略小于大截面導(dǎo)線線路。

對(duì)于電網(wǎng)分布密集、短路電流問題嚴(yán)重的華東電網(wǎng)而言，使用碳纖維導(dǎo)線可減小導(dǎo)線截面，增大線路阻抗，提高線路電氣距離，有一定限制電網(wǎng)短路電流的作用。

2.3 改造項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

通過對(duì)線路增容改造方案的分析可以看出，兩種方案在技術(shù)上均能滿足要求，而且方案一線路容量裕度更大。從經(jīng)濟(jì)角度看，方案一碳纖維導(dǎo)線價(jià)格較貴，需要采用部分特殊金具，基本無需改變線路桿塔及其基礎(chǔ)，施工工期較短；方案二導(dǎo)線價(jià)格相對(duì)便宜，但是原有線路基礎(chǔ)及桿塔拆除重建費(fèi)用較高，施工工期較長(zhǎng)，總體方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，如表2所示。

表2 兩種方案經(jīng)濟(jì)比較

2.4 改造后的運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

2.4.1 運(yùn)行損耗對(duì)比

1）當(dāng)JLRX-4×413／52導(dǎo)線的電阻率ρ為27.366Ω·mm2／km，20℃時(shí)導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電阻r20為0.066Ω／km。

2）當(dāng)LGJQ-4×720導(dǎo)線的電阻率ρ為28.264Ω·mm2／km，20℃時(shí)導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電阻r20為0.039Ω／km。

根據(jù)溫度在t時(shí)導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電阻rt＝r20［1＋α（t-20）］，電阻的溫度系數(shù)α為0.003 6，折算到運(yùn)行溫度下（鋼芯鋁絞線為80℃，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線為120℃），方案一JLRX-4×413／52導(dǎo)線的r120為0.089 6Ω／km，線路長(zhǎng)度為100 km，整條線路單線的電阻R為1.12Ω。方案二LGJQ－4× 720導(dǎo)線的r80為0.047Ω／km，線路長(zhǎng)度為100 km，整條線路單線的電阻R為0.59Ω。

2.4.2 線路功率損耗對(duì)比

按80℃時(shí)r80為0.047Ω／km，線路長(zhǎng)度為100 km，單條線路的電阻R為0.59Ω計(jì)算，方案一的線路功率損耗ΔP為9.02 MW。

按80℃時(shí)r80為0.047Ω／km，線路長(zhǎng)度為100 km，單條線路的電阻R為1.12Ω計(jì)算，方案二的線路功率損耗ΔP為3.51 MW。

2.4.3 年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

設(shè)線路的年最大負(fù)荷損耗時(shí)間τmax為3 000 h，平均電價(jià)為0.61元／k Wh，按年運(yùn)行費(fèi)用C＝ΔPmax×τmax×平均電價(jià)計(jì)算，方案一的年運(yùn)行費(fèi)用為1 660.54萬元，方案二的年運(yùn)行費(fèi)用為642.33萬元。

2.4.4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

綜上所述，雖然碳纖維導(dǎo)線本體價(jià)格較貴，但與相近規(guī)格的常規(guī)鋼芯鋁絞線的載流量相比，要高出1倍多。在線路增容改造工程中，可利用原有桿塔和基礎(chǔ)，與方案二新建大截面導(dǎo)線線路相比，方案一可大幅降低工程總體費(fèi)用，縮短工期，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益?？紤]運(yùn)行費(fèi)用后，由于方案一的線損為9.02 MW，大于方案二的線損3.51 MW，所以方案一的運(yùn)行費(fèi)用高于方案二。據(jù)估算，若采用碳纖維導(dǎo)線改造該項(xiàng)目，29年后其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將損失殆盡。若計(jì)及電價(jià)逐年上漲的趨勢(shì)，該年限還會(huì)進(jìn)一步縮短。

3 在華東電網(wǎng)的應(yīng)用前景

為了解決華東電網(wǎng)面臨輸電受阻突出的問題，需要增加原有輸電線路的載流能力。為此，在線路增容改造中，選擇適合華東地區(qū)未來規(guī)劃發(fā)展要求的輸電線路十分重要。在眾多新型增容導(dǎo)線中，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因而可以結(jié)合碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的各項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)華東電網(wǎng)的具體情況，對(duì)輸電線路進(jìn)行改造，是華東電網(wǎng)未來發(fā)展方向之一。

3.1 在大跨度的越江斷面上新建輸電線路

由于華東地區(qū)的地理環(huán)境復(fù)雜，大跨度的過江斷面或陡峭不平的山峰隨處可見。在這樣的地區(qū)新建輸電線路，倘若采用傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，由于桿塔間的跨距不滿足實(shí)際情況的要求，使得施工難度增加，建設(shè)費(fèi)用增加。

由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度大、弧垂小、表面光滑不易舞動(dòng)，這樣的性能，保證了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在架設(shè)時(shí)將桿塔間的跨距增大，線路仍然能滿足對(duì)地距離而且安全穩(wěn)定。因此，將碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用在這些地區(qū)，可以減小施工難度，節(jié)約項(xiàng)目成本，也使得一些較難完成的線路建設(shè)項(xiàng)目得以輕松實(shí)現(xiàn)。

3.2 在某些特殊地區(qū)進(jìn)行線路改造

由于輸電線路可能要穿越城市、歷史古跡、人口密集的交通樞紐等特殊地區(qū)，在進(jìn)行線路改造時(shí)，若采用傳統(tǒng)方式拆除桿塔，換上大線徑的鋼芯鋁絞線，將會(huì)產(chǎn)生負(fù)面社會(huì)影響和一定的經(jīng)濟(jì)損失，并且增加線路改造施工的難度。

由于碳纖維導(dǎo)線重量較輕，在不改變線徑的情況下，可以使線路輸電容量增加1倍，因此在拆除或建設(shè)桿塔難度很大的地區(qū)，無需拆除桿塔，在原有桿塔上可以直接將原有導(dǎo)線更換成碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。雖然碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的線徑較細(xì)，線路損耗比大線徑的鋼芯鋁絞線大，運(yùn)行起來經(jīng)濟(jì)性不好，但是這樣做縮短了工期，對(duì)生產(chǎn)生活影響較小，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益也是十分可觀的。

3.3 在無特殊要求的地區(qū)新建輸電線路

在無特殊地理環(huán)境要求的地區(qū)新建線路，即選擇鋼芯鋁絞線和選擇碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線都能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的地區(qū)，可以按照以下情況分析其合理性。相同線徑的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線比鋼芯鋁絞線的電阻小，線路損耗小，運(yùn)行費(fèi)用小。雖然在相同線徑下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的單價(jià)是鋼芯鋁絞線的3～4倍，但是隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，據(jù)估算，10年內(nèi)碳纖維導(dǎo)線在運(yùn)行費(fèi)用上節(jié)省的資金可以補(bǔ)償其建設(shè)階段多投入的費(fèi)用。因此，在無特殊地理環(huán)境要求的地區(qū)，碳纖維導(dǎo)線同樣具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3.4 在無特殊要求的地區(qū)改造輸電線路

在無特殊條件要求的地區(qū)改造線路，選用和原來線路相同線徑的碳纖維導(dǎo)線，可以不用更換桿塔，這樣可在線路改造工程中節(jié)省資金。但是，相比采用大線徑的鋼芯鋁絞線的改造方案，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的運(yùn)行費(fèi)用高。據(jù)估算，1條500 k V的線路運(yùn)行30年后，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在，所以在這種地區(qū)采用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線改造原線路，需要全面綜合考慮后再做決定。

4 結(jié)語

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是一種新型增容輸電導(dǎo)線［4］，在機(jī)械、電氣性能等方面都具有突出的優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)華東電網(wǎng)1條500 k V輸電線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可以看出，應(yīng)用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線增容線路，雖然可以節(jié)省改造項(xiàng)目成本，但是該導(dǎo)線的運(yùn)行損耗要比大線徑的鋼芯鋁絞線大。在華東地區(qū)，基于不同的具體情況，可以利用碳纖維導(dǎo)線的性能優(yōu)勢(shì)解決一些特殊環(huán)境下的具體問題。因此，在不同場(chǎng)合下應(yīng)用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，應(yīng)視具體情況而定。

［1］ 梁華貴.1根220 k V碳纖維導(dǎo)線斷線分析及預(yù)控［J］.中國電力教育，2010，（S1）：620-622.

［2］ 佘剛，孫學(xué)文，廖永紅，吳寶平.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線施工工藝改進(jìn)［J］.湖北電力，2010，34（1）：57-58.

［3］ 李瑞，余虹云，余長(zhǎng)水，曹鈞.ACCC導(dǎo)線芯棒高溫“竹節(jié)"現(xiàn)象淺析［J］.電力建設(shè)，2008，29（6）：22-25.

［4］ 谷俊秀.碳纖維復(fù)合芯鋁導(dǎo)線國產(chǎn)金具的研制與應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2009，30（12）：89-92.