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碳纖維導(dǎo)線在接地極線路中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

林浩，梁明，魏德軍，劉從法
(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

根據(jù)接地極線路額定電流大、運(yùn)行電壓低、額定電流情況下運(yùn)行時(shí)間短的特點(diǎn)，通過與常規(guī)導(dǎo)線對(duì)比，分析了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的機(jī)械性能和電氣性能。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，探討了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在接地極線路中應(yīng)用的合理性。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線;接地極線路;應(yīng)用

0 引 言

接地極線路是特高壓直流工程不可缺少的重要組成部分。接地極線路有額定電流大、運(yùn)行電壓低、額定電流情況下運(yùn)行時(shí)間短的特點(diǎn)，因此其導(dǎo)線組合宜選擇總截面較小、載流量大、分裂根數(shù)少、便于布置、可靠性較高的導(dǎo)線型號(hào)和組合方式；而碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有載流量大、強(qiáng)度大、弧垂小、耐覆冰等特點(diǎn)，因此將碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用于接地極線路中具有顯著意義。下面對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在接地極線路中的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

1 輸入條件

涉及的工程輸入條件：±800 kV直流線路的輸送容量為10 000 MVA、額定電流為6 250 A；其接地極線路額定電流為6 250 A、最大過負(fù)荷電流為6 690 A；線路長(zhǎng)度為85 km，平均耐張段長(zhǎng)度3 km，桿塔單公里基數(shù)為2.6基，地形為35%的平地、65%的丘陵，覆冰厚度10 mm,基本風(fēng)速25 m/s,最高溫度40℃，海拔1 000 m以下，原工程所采用的導(dǎo)線為2×2×JNRLH60/G1A-630/45鋼芯耐熱鋁合金絞線。

2 導(dǎo)線選擇

結(jié)合接地極線路額定電流大、運(yùn)行電壓低、額定電流情況下運(yùn)行時(shí)間短的特點(diǎn)，其導(dǎo)線組合宜選擇載流量大、總截面較小、分裂根數(shù)少、便于布置、可靠性較高的導(dǎo)線型號(hào)和組合方式。

在相同載流量情況下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線重量最輕，鋼芯耐熱鋁合金絞線次之，而普通鋼芯鋁絞線最重，故目前設(shè)計(jì)的接地極線路已不采用普通鋼芯鋁絞線，本節(jié)僅對(duì)原工程所采用的鋼芯耐熱鋁合金絞線和擬選用的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的電氣性能、機(jī)械性能及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 導(dǎo)線主要參數(shù)

1)最高溫度

根據(jù)現(xiàn)有資料，鋼芯耐熱鋁合金絞線和碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線控制溫度按150℃考慮。

2)機(jī)械強(qiáng)度

根據(jù)規(guī)程規(guī)范，導(dǎo)線設(shè)計(jì)安全系數(shù)不小于2.5，懸掛點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不小于2.25，平均運(yùn)行應(yīng)力不大于拉斷應(yīng)力的25%[1]。

2.2 導(dǎo)線特性

根據(jù)工程輸入條件，線路輸送容量為10 000 MVA,額定電流為6 250 A,最大過負(fù)荷電流為6 690A，原導(dǎo)線為2×2×JNRLH60/G1A-630/45鋼芯耐熱鋁合金絞線。根據(jù)輸送容量及每極電流的要求，可以選擇2×2×JLRX/F2B-560/65、2×2×JLRX/F2B-630/70和2×2×JLRX/F2B-800/80碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線進(jìn)行對(duì)比分析。參與對(duì)比的導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)見表1，為便于比較，以JNRLH60/G1A-630/45鋼芯耐熱鋁合金絞線作為對(duì)比基礎(chǔ)。

表1 導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)

2.3 導(dǎo)線的電氣性能

為初步確定導(dǎo)線型號(hào)，首先從導(dǎo)線的載流量[1，3]進(jìn)行比較。

按GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，驗(yàn)算導(dǎo)線允許載流量時(shí)，環(huán)境氣溫采用最高氣溫月的最高平均氣溫，計(jì)算風(fēng)速采用0.5 m/s，太陽(yáng)輻射功率密度采用0.1 W/cm2[1-2]。

經(jīng)計(jì)算，各導(dǎo)線在最高允許溫度下的載流量(最高氣溫月的最高平均氣溫35℃)見表2。

由表2可知，在導(dǎo)線的最高允許溫度情況下，所選擇型號(hào)的導(dǎo)線均能滿足過負(fù)荷電流6 690 A的要求。

2.4 導(dǎo)線的機(jī)械性能

根據(jù)導(dǎo)線機(jī)械參數(shù)，計(jì)算機(jī)械特性情況如表3所示。

由表3可知，各導(dǎo)線的覆冰過載能力均超過25 mm，滿足工程要求，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線JLRX/F2B-800/80覆冰過載能力最強(qiáng)，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線JLRX/F2B-630/70次之，鋼芯耐熱鋁合金絞線相對(duì)較??；碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線拉重比相對(duì)較高，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線弧垂特性較鋼芯耐熱鋁合金絞線好；在荷載特性方面，導(dǎo)線單重決定了線條垂荷，導(dǎo)線直徑?jīng)Q定了線條風(fēng)荷載，導(dǎo)線拉斷力決定了線條的張力荷載，從總體趨勢(shì)上看，導(dǎo)線截面越小的方案，其垂直荷載、風(fēng)荷載及線條張力越小，有利于降低塔重。

2.5 導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性

1)本體投資比較

考慮參選導(dǎo)線弧垂和荷載特性情況，進(jìn)行桿塔設(shè)計(jì)和本體投資估算，如表4所示。

由表4可知，，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線價(jià)格雖然較高但對(duì)應(yīng)的桿塔價(jià)格較低，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線JLRX/F2B-560/65本體投資相對(duì)較低，鋼芯耐熱鋁合金絞線JNRLH60/G1A-630/45次之，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線和鋼芯耐熱鋁合金絞線本體投資基本相當(dāng)。

2)年費(fèi)用比較

計(jì)算不同條件下各導(dǎo)線方案的年費(fèi)用比較如表5所示。

由表5可看出，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線年費(fèi)用較鋼芯耐熱鋁合金絞線費(fèi)用低，3種碳纖維導(dǎo)線年費(fèi)用基本相當(dāng)。

表2 導(dǎo)線載流量一覽表

表3 導(dǎo)線機(jī)械特性

表4 本體投資比較

表5 導(dǎo)線年費(fèi)用比較

注：回收率按10%考慮，電費(fèi)按0.4元/kW·h考慮。

2.6 小 結(jié)

從本算例來(lái)看，與原工程所采用的鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線相比，擬選用的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線JLRX/F2B-560/65的電氣性能可滿足工程需要，機(jī)械性能相對(duì)較優(yōu)，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也相對(duì)較優(yōu)，在本算例中推薦采用。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過比較分析，得出以下結(jié)論：

1)在導(dǎo)線的最高允許溫度情況下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線能滿足過負(fù)荷電流的要求；

2)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線弧垂特性、覆冰過載能力較鋼芯耐熱鋁合金絞線優(yōu)；

3)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線和鋼芯耐熱鋁合金絞線本體投資基本相當(dāng)，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線價(jià)格較高但對(duì)應(yīng)的桿塔價(jià)格較低；

4)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線年費(fèi)用較鋼芯耐熱鋁合金絞線低。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在國(guó)內(nèi)外已得到大量應(yīng)用[4-5]，并取得一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在接地極線路中具有廣闊的應(yīng)用前景，大規(guī)模的應(yīng)用也將進(jìn)一步降低工程投資費(fèi)用。

[1] GB 50545-2010，110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010：12-55.

[2] 國(guó)家電力公司東北電力設(shè)計(jì)院.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002：166-167.

[3] 機(jī)械工程手冊(cè)電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).電機(jī)工程手冊(cè)：輸變電、配電設(shè)備卷(第二版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：57-58.

[4] 何州文，陳新，王秋玲，等. 國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研究和應(yīng)用綜述[J].電力建設(shè)，2010，31(4)：90-93.

[5] 梁棟，鄧蜀平，蔣云峰，等. 碳纖維復(fù)合芯電纜國(guó)內(nèi)外技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀及工程應(yīng)用進(jìn)展[J].化工新型材料，2011，39(2)：13-17.

According to the features of grounding electrode lines such as high rated current，low running voltage and short operating duration in the rated current, the mechanical properties and electrical performance of aluminum conductor composite core (ACCC) are analyzed by compared with the normal conductor wire. Through the techno-economic analysis, the reasonable application of ACCC to grounding electrode lines is discussed.

aluminum conductor composite core (ACCC); grounding electrode lines; application

TM247

A

1003-6954(2017)05-0059-04

林 浩(1982)，碩士研究生、工程師，長(zhǎng)期從事輸電線路設(shè)計(jì)工作；

梁 明(1973)，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事輸電線路設(shè)計(jì)工作；

魏德軍(1964)，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事輸電線路設(shè)計(jì)工作；

劉從法(1979)，碩士研究生、工程師，長(zhǎng)期從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。

2017-08-09)