碳纤维复合材料芯导线在新建与改造线路应用技术经济分析

    
        5.2导地线比较

(1)导线型式及其主要参数

现设计两个方案，分别采用4×JL/G1A-630/45钢芯铝绞线和4×JRLX/TZ-400/40碳纤维复合材料芯导线，特性比较如下。

表5-2 导线型式及主要参数

(2)导线电气性能比较

针对以上两种方案，对导线载流量、输送容量等电气性能进行计算比较。

计算导线允许载流量时，环境温度取为35℃，日照0.1W/cm2，辐射系数0.23,吸热系数0.35，在以上同等条件下，对两种方案在相同运行温度时的允许载流量及输送容量进行比较，结果见下表。

表5-3 导线长期允许载流量及输送容量比较

从上表可以看出，当温度升到80℃以上时，普通的钢芯铝绞线4×JL/G1A-630/45已无法提高其载流量、输送容量了，恐将不能满足系统要求。而4×JRLX/TZ-400/40碳纤维复合材料芯导线运行温度升至120℃时即已超过了方案一，而且实际上碳纤维复合材料芯导线的运行温度可升至150℃以上。

(3)导线机械特性比较

导线机械特性对线路本体投资的影响主要表现为两个方面，一是导线弧垂特性对铁塔使用高度的影响，二是荷载特性对铁塔、基础及绝缘子串的影响。

1)弧垂特性的比较

表5-4 导线弧垂特性比较

从表中可以看出，JRLX/TZ-400/40碳纤维复合材料芯导线的弧垂特性明显优于钢芯铝绞线，相同档距下的弧垂差距可达3m以上，这也就意味着在使用当中将可能使杆塔呼称高差出一档。

2)对绝缘子、金具的影响比较

由于使用导线的不同，在相同情况下，对绝缘子、金具的荷载就不同。相同线路分别使用各种不同型式导线时，需使用的绝缘子情况见下表。

表5-5 使用绝缘子比较

金具使用上， JRLX/TZ-400/40碳纤维复合材料芯导线由于导线外径较小，使用的金具型号相应较小，而JL/G1A-630/45导线则较大些。

通过上表的比较可以看出，JRLX/TZ-400/40碳纤维复合材料芯导线使用的绝缘子和金具均较小，成本较低。

(4)杆塔使用情况比较

根据JL/G1A-630/45导线参数及气象区条件等设计外部条件，进行初步杆塔排位后，可得杆塔使用情况统计见下表[13]。在此基础上，考虑使用JRLX/TZ-400/40碳纤维复合材料芯导线，杆塔档距不发生变化，可得相应情况下的杆塔使用情况，见下表。

表5-6 方案1杆塔使用情况

表5-7 方案2杆塔使用情况

综合以上两个表比较可知，使用JRLX/TZ-400/40碳纤维复合材料芯导线可使使用的杆塔呼称高降低一档，塔重指标、杆塔本体造价等均会相应降低。

(5)地线选型

根据设计规范要求,导地线需满足各种配合要求，主要是要满足线路的机械和电气两方面的要求。机械方面的要求有：架空地线的安全系数宜大于导线，平均运行应力不得超过破坏应力的20%;导线和架空地线距离应满足配合公式的要求;日常工况下的地线垂度不应超过相导线垂度的90%。

电气方面的要求有：线路正常运行时及事故时，地线应满足热稳定要求;满足系统方面的要求;满足工程对减小电磁干扰的要求;满足防雷的要求。

结合国网公司通用设计中对500kV输电线路地线选型的要求，分别针对JL/G1A-630/45导线和JRLX/TZ-400/40碳纤维复合材料芯导线参数，进行配合计算，选定对应的地线型号为JLB40-150和JLB20A-150，具体技术参数见下表。

表5-8 地线特性参数表

5.3造价比较

在造价比较时依据现有预算编制与计算标准进行估算，需要说明的如下：

人力运输平均运输距离0.3m，汽车运输平均运输距离12km;主要装置性材料价格：导线LGJ-630/45：18000元/t;碳纤维复合材料芯导线JRLX/TZ-400/40：110元/m;地线JLB20A-150：21281元/t，JLB40-150：15544元/t;本次编制未计列定额人工费的调整和措施费。

表5-9 造价对比表

注：直接工程费=安装工程费+装置性材料费

从表5-9可知，使用碳纤维复合材料芯导线每公里造价仅比使用钢芯铝绞线增加9%;若按单位容量的造价比较，仅比使用钢芯铝绞线增加8%。

将碳纤维复合材料芯导线的单价对新建工程造价影响进行比较，详见图5-1。若今后碳纤维复合材料芯导线的单价降低到80元/m，则本体造价采用4×JRLX/TZ-400/40比4×LGJ-630/45每公里节约10%;若按单位输送容量比较，本体造价节约6%。

5.4小结

从上述针对500kV新建线路进行的模拟计算可得下述结论：新建线路采用碳纤维复合材料芯导线技术同样可行，在当前的导线单价下，每公里造价仅比使用钢芯铝绞线增加9%;若按碳纤维复合材料芯导线的单价下降达到95元/m，则每公里造价基本持平。

6.结论

碳纤维复合材料芯的共同特点是重量轻、线膨胀系数小，由其制作的导线与普通导线相比，在相同标称截面积时碳纤维复合材料芯导线重量较轻或在相同重量时碳纤维复合材料芯导线标称截面积更大。因此，采用碳纤维复合材料芯导线可以提高输送容量并可避免由于容量增加使得架空输电线路导线弧垂过大、对地距离不足的问题，提高输电线路的安全稳定性。

根据国内外收资调研情况可见，碳纤维复合材料芯导线的研究首先在国外发达国家开展，但应用较少;国内的相关研究工作方兴未艾，在应用数量上遥遥领先。在世界范围内碳纤维复合材料芯导线应用的最高电压等级为230kV，没有更高电压等级的应用经验。究其原因，碳纤维芯复合导线价格较贵是主要因素。

通过对220kV改造线路和500kV新建线路进行的模拟计算可知，在改造线路中使用碳纤维复合材料芯导线倍容，技术可行，在降低造价时具有巨大优势;随着碳纤维复合材料芯导线价格的下降，在新建输电线路工程中，使用碳纤维复合材料芯导线在技术经济特性上也具有优势。