毛磊;刘园
【摘 要】以碳纤维导线JRLX/T-310/40和普通钢芯铝绞线 LGJ-300/40为例，比对分析碳纤维导线和普通钢芯铝绞线的载流量、弧垂和融冰特性。结果表明：在覆冰条件下，相同环境参数时的碳纤维导线和普通钢芯铝绞线的融冰特性差异可以忽略不计；当导线覆冰厚度为30 mm 时，碳纤维导线的弧垂比普通钢芯铝绞线低1.4 m；在相同温度变化范围内，碳纤维导线的弧垂变化量小于普通钢芯铝绞线；当温度由80℃升至160℃时，普通钢芯铝绞线弧垂有较大的增加，而碳纤维导线的弧垂仅再增大0.161 m。这些特性表明在重覆冰条件下碳纤维导线的对地安全性要比普通钢芯铝绞线高，其在重覆冰区推广应用的优越性明显；碳纤维导线很适合在需要对线路进行增容的情况下使用。%This paper compares carbon fiber conductor JRLX/T-3 1 0/40 with steel-corn aluminum stranded conductor LGL-300/40 in terms of ampacity,sag and deicing characteristics.It is shown that in icing condition the deicing characteristic dif-ferent between the two conductors can be negligible in the same environmental parameters.When the ice thickness is 30 mm, sag of carbon fiber conductor i s 1.4 meters lower than that of the steel-corn aluminum stranded conductor;in the same range of temperature deviation,the sag variation of carbon fiber conductor is smaller than that of the steel-corn aluminum stranded conductor.When the temperature raises from 80 ℃ to 160 ℃,the sag of the steel-corn aluminum stranded conductor increa-ses significantly while the sag of carbon fiber conductor only increases by 0.1 6 1 m.All the characteristics above show that in case of heavy icing carbon fiber conductor is of higher safety to ground than the steel-corn aluminum stranded conductor and is of application priority in heavy icing areas.The carbon fiber conductor can be used for line capacity augmentation.
【期刊名称】《广东电力》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】5页(P71-75)
【关键词】碳纤维导线;载流量;弧垂;导线增容;融冰特性;防冰
【作 者】毛磊;刘园
【作者单位】广州供电局有限公司，广东 广州510620;中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002
【正文语种】中 文
【中图分类】TM247
碳纤维复合芯铝绞线(以下简称碳纤维导线)的芯线是由中心层导电碳纤维和包覆的玻璃纤维层制成单根芯棒碳纤维复合芯[1]；其外层和邻外层由梯形截面的软铝股线组成，如图1所示。
图1 典型碳纤维导线截面图
日本是研究碳纤维导线最早的国家之一，于20世纪90年代开发出碳纤维导线样品[2]。随后，美国CTC公司于2001年制造出三种碳纤维导线样品，并对第三种型号(如图1所示)的导线进行了机械全性能、应力(应变、蠕变)、线膨胀系数、载流量、自阻尼特性等型式试验，
结果表明碳纤维导线具有良好的机械特性和电气特性，特别是高温条件下的低弛度特性[3-5]。
2005年，中国电力科学究院、远东复合技术有限公司等多家单位开展了碳纤维导线研制工作。2009年1月，由华北电力科学院和河北硅谷化工有限公司联合研制的300/50碳纤维导线首次在国家电网500 kV万顺Ⅲ线470—473号段(只有三个档距)挂网运行。随后，由远东电缆有限公司、中复碳芯电缆科技有限公司生产的碳纤维导线在国家电网和南方电网的多条110 kV、220 kV输电线路上运行[6,7]。
目前，国内对碳纤维导线在输电线路中应用的报道较多，但对应用于线路增容改造的原因分析却很少。本文以两种截面积相近的碳纤维导线和普通钢芯铝绞线(aluminum conductor steel reinforced，ACSR)为例，比对其载流量特性、弧垂特性以及覆冰与融冰特性，揭示了碳纤维导线在重覆冰区以及输电线路增容改造中推广应用的优越性。
1 碳纤维导线特性
为了更好地比较ACSR和碳纤维导线的各种性能，以LGJ-300/40(ACSR)和JRLX/T-310/40(
碳纤维导线)两种截面积相近的导线(常用于110 kV和220 kV架空输电线路)为例进行比对分析，两者相关参数见表1[8]。
1.1 碳纤维导线的载流量特性
碳纤维复合芯导线根据DL/T5092—1999《110 kV～750 kV架空送电线路设计技术规程》中导线允许载流量的计算公式，可以得到LGJ-300/40和JRLX/T-310/40导线的载流量(运行电流)，结果见表2。
(1)
式中：I 为导线允许载流量，A；WR为单位长度导线的辐射散热功率，W/m；WF为单位长度导线的对流散热功率，W/m；WS为单位长度导线的日照散热功率，为允许温度时的导线单位长度交流电阻，Ω/m。
表1 导线技术参数
参数LGJ-300/40JRLX/T-310/40计算截面积/mm2338.99349.50铝截面积(股数)/mm2300.0
9(24)309.50(16)直径/mm23.9421.78计算拉断力/kN92.22103.0020 ℃时的单位长度直流电阻/(Ω·km-1)0.096 140.090 20线膨胀系数/(10-6 ℃-1)19.6环境温度小于80 ℃时为13.0,大于80 ℃时为1.6弹性模量/GPa73环境温度小于80 ℃为65,大于80 ℃时为117单位长度质量/(kg·km-1)1 133927铝层导电率/(%IACS)5963安全系数2.52.5
注：IACS—国际退火铜标准,international annealing copper standard的缩写，一般定义标准退火纯铜的导电率为100%IACS。
表2 LGJ-300/40和JRLX/T-310/40的载流量
运行温度/℃载流量/ALGJ-300/40JRLX/T-310/4060480.6506.970606.97631.4080708.5731.6100871.6892.41201 022.61401 134.61501 185.81601 234.61801 326.4
注：计算条件为环境温度30 ℃，风速0.5 m/s，辐射系数和吸收系数为0.9，日照强度1 000 W/m2。
国内架空输电线路设计的ACSR运行最高温度约为70 ℃，对应的载流量为607 A；而碳纤
维导线的长期运行最高允许温度可达150 ℃，此时载流量为1 185.8 A，是前者的1.95倍。
1.2 高温环境下碳纤维导线的弧垂特性
在架空线路档距和高差一定的条件下，导线弧垂是架空线比载、应力和气象条件的函数。因此，当环境气象条件变化时，碳纤维导线的弧垂会随之发生变化[1]。假设线路档距L为200 m，气象条件为风速0，覆冰厚度0，利用输电线路设计理论中的状态方程式计算温度为20～80 ℃及20～160 ℃时的LGJ-300/40和JRLX/T-310/40导线弧垂变化，如图2所示。
图2 高温下LGJ-300/40和JRLX/T-310/40的弧垂变化
(2)
式中：σ01，γ1 ，t1 分别是第一状态下的应力、比载、导线温度；σ02，γ2，t2 分别是第二状态下的应力、比载、导线温度；α，E分别为导线的线膨胀系数和弹性模量。
由图2可知，在相同温度变化范围内， LGJ-300/40的弧垂比JRLX/T-310/40要大得多；在L为200 m，温度由20 ℃升至80 ℃时，LGJ-300/40的弧垂增大为1.532 m，JRLX/T-310/40
的弧垂增大为0.689 m，碳纤维导线的弧垂变化量小于ACSR；当温度由80 ℃升至160 ℃时， JRLX/T-310/40的弧垂仅再增大0.161 m。这是由于温度超过80 ℃后，碳纤维导线的线膨胀系数急剧减小，导致温度再升高时档距内导线长度膨胀不明显。因此随着温度升高碳纤维导线弧垂的变化非常小。
1.3 碳纤维导线在覆冰条件下的弧垂特性
为了计算LGJ-300/40和JRLX/T-310/40导线在冬季覆冰情况下的弧垂特性，假设L为200 m，覆冰气象条件为环境温度-5 ℃，风速10 m/s，覆冰厚度10～50 mm，计算得到其弧垂变化(如图3所示)。
图3 覆冰气象条件下的LGJ-300/40和JRLX/T-310/40弧垂变化
由图3可知，在重覆冰区(覆冰厚度大于30 mm)，碳纤维导线的弧垂比ACSR低1.4 m以上，表明在重覆冰条件下碳纤维导线的对地安全性要比ACSR高，碳纤维导线在重覆冰区推广应用优越性明显。
1.4 碳纤维导线的覆冰及融冰特性
为了比较ACSR和碳纤维导线在覆冰条件下的融冰特性，下面计算在相同条件下LGJ-300/40和JRLX/T-310/40导线的临界覆冰电流和融冰电流变化曲线，如图4、图5所示。
注：环境温度为-3 ℃。图4 LGJ-300/40和JRLX/T-310/40的临界覆冰电流变化
注：环境风速为3 m/s，环境温度为-3 ℃，覆冰厚度为10 mm。图5 LGJ-300/40和JRLX/T-310/40的融冰电流变化
从图4、图5可知，在相同气象条件下，随环境参数的变化，LGJ-300/40和JRLX/T-310/40的临界覆冰电流和融冰电流曲线几乎是重合的。经计算，两者的最小和最大融冰电流随环境参数变化的曲线也几乎是重合的。这是因为JRLX/T-310/40的直流电阻和直径虽然都比LGJ-300/40小一些，但融冰电流与直流电阻、导线直径的关系是相反的，导致两者的融冰特性几乎相同。因此，在导线截面积相近的情况下，碳纤维导线和ACSR的融冰特性差异可以忽略不计。
2 碳纤维导线应用于输电线路增容
从上述碳纤维导线载流量特性和高温环境下弧垂特性分析结果可知：由于碳纤维导线的长
期运行最高允许温度可达150 ℃，使得其长期运行允许载电量约为ACSR的2倍；碳纤维导线在150 ℃温度下的弧垂与温度为80 ℃时的弧垂相近，仍能保持对地的安全距离。因此，在输电线路因负荷增加(在电压不变的前提下就相当于流过导线的电流升高)而需要对原有线路进行增容改造时，只需将ACSR换成相同截面积的碳纤维导线即可，无需对原有杆塔作任何结构上的变更。表3为碳纤维导线在我国输电线路增容改造中的应用实例。
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