0引言
随着我国电力需求的不断增长，许多电力线路面临增容的压力。线路增容最经济的办法之一是利用原有杆塔只更换导线。而利用原有杆塔的前提条件是，更换的导线荷载不能超过原有杆塔的设计条件。为此，新更换的导线一般不能采用普通的钢芯铝绞线ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced),而是采用新型的增容导线。这种新型导线一般具备这样三个特点：一是弧垂随温度的变化小；二是质量轻、外径小；三是具有输送大电流的能力。而碳纤维复合芯软铝绞线（以下简称碳纤维导线）ACCC/TW(Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal Wire)是典型的品质优良的增容导线品种之一。
1.碳纤维导线的结构
碳纤维导线ACCC/TW的结构独特，内部是一根由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的复合芯，外层由一系列呈梯形截面的软铝线绞合而成。碳纤维复核芯承担导线总的力学性能，具有强度高、密度小、膨胀系数小、耐腐蚀等特点。外层软铝具有导电率高、电阻小、自阻尼性能强的特点。碳纤维复合芯与软铝线绞制而成的导线，便具有优良的性能：导线重量轻，电阻小，表面光滑不易舞动，拉力质量比大，弧垂随温度的变化小等[1]。因此，可作为电力部门老旧线路改造、电力增容导线使用。其结构如图1-1所示。
外层软铝 碳纤维复核芯 图1-1碳纤维导线结构
2. 碳纤维导线的特性
2.1.抗拉强度高
目前各设计院广泛采用的钢芯铝绞线基本上仍为GB1197-83标准中的型式，该标准导线中使用的钢芯绞合后强度为1244N/mm2，而碳纤维导线ACCC/TW的复合芯抗拉强度最小值可以达到2150N/mm2，为前者的1.73倍。例如，直径9.53mm的复合芯抗拉强度达到2414N/mm2，是钢芯铝绞线中钢芯强度的1.94倍。
2.2.拐点以后弧垂随温度的变化量小
根据试验，当温度达到80℃附近，碳纤维导线的线膨胀系数α和弹性模量E出现拐点，80℃及以下α=12.5～14X10-6/℃，E=64000～68000N/mm2；在80℃以上α=1.6X10-6/℃，E=117000N/mm2。由于碳纤维导线具有的这样的特点，因此在同样档距下弧垂随温度的变化比钢芯铝绞线要小。例如我院原设计的220千伏线路尊平线路改造工程中，比较了碳纤维导线JRLX/T-310/40和钢芯铝绞线2XLGJ-300/40两种方案，并把碳纤维导线与钢芯铝绞线档距400米下的弧垂进行了比较。计算条件及结果分别见表2-1、2-2、2-3。
表2-1 工程设计气象条件
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计算条件
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气温（℃）
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风速（m/s）
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覆冰（mm）
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最高气温
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+40
|
0
|
0
|
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最低气温
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-20
|
0
|
0
|
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最大风速
|
-5
|
30
|
0
|
|
最大覆冰
|
-5
|
10
|
10
|
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安装情况
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-10
|
10
|
0
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年平均气温
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+15
|
0
|
0
|
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外过电压
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+15
|
10
|
0
|
|
内过电压
|
+15
|
15
|
0
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表2-2 碳纤维导线和普通钢芯铝绞线参数表
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导 线 型 号
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碳纤维导线JRLX/T-310/40
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钢芯铝绞线LGJ-300/40
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总截面 mm2
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349.5
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338.99
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铝截面 mm2
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309.5
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300.09
|
|
直 径（mm）
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21.78
|
23.94
|
|
保证计算拉断力95%AT（N）
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97850
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87600
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弹性系数（N/mm2）
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拐点前65000，拐点后117000
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73000
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膨胀系数（10-6 /℃）
|
拐点前13.0，拐点后1.6
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19.6
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单位重量（kg/m）
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0.927
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1.133
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安全系数
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2.5
|
2.5
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表2-3 400米档距时碳纤维导线和普通钢芯铝绞线弧垂表单位：m
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温度℃
导线型号
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20
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40
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60
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80
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100
|
120
|
140
|
160
|
|
LGJ-300/40
|
11.486
|
12.337
|
13.153
|
13.937
|
||||
|
JRLX/T-310/40
|
7.928
|
8.590
|
9.243
|
9.883
|
9.968
|
10.053
|
10.137
|
10.220
|
由上表可知，400米档距时温度由20℃升高到80℃，钢芯铝绞线LGJ-300/40，弧垂增大2.451米；碳纤维导线JRLX/T-310/40，弧垂增大1.955米，碳纤维导线弧垂变化量小于钢芯铝绞线。但是当温度由80℃升高到160℃，碳纤维导线JRLX/T-310/40，弧垂仅再增大0.337米。
另外，我们通过对常用的钢芯铝绞线，如LGJ-240/30、LGJ-300/25、LGJ-300/40、LGJ-400/35、LGJ-500/45与碳纤维导线JRLX/T-218/28、JRLX/T-310/40、JRLX/T-413/52、JRLX/T-517/71、JRLX/T-600/71，在安全系数2.5、3.0，覆冰厚度10毫米、15毫米、20毫米等条件下应力弧垂特性进行了计算和分析，形成了上万个数据，并对数据进行了归纳总结，发现碳纤维导线在弧垂特性方面存在以下特点：
1.外径、截面基本相同、安全系数和气象条件一样的条件下，温度80℃及以下时，碳纤维导线的弧垂随温度升高而产生的变化量小于钢芯铝绞线。产生这一结果的原因是，碳纤维导线设计水平张力比钢芯铝绞线大，而质量又相对轻，拉力质量比大。由弧垂公式我们知道，对于同一档距内两根导线弧垂之比 = /（m01、m02——导线质量，T01、T02导线水平拉力），由该公式不难理解这样的结果。
2.拐点前（80℃及以下）碳纤维导线弧垂随温度的变化比较大，拐点后（80℃以上）碳纤维导线弧垂随温度的变化比较小。产生这一结果的原因是，在拐点处碳纤维导线弹性系数增大，线膨胀系数减小（实际上根据物体热胀冷缩的性质，导线弧垂不可能在拐点处发生突变，而是一个渐变的过程，本文理论计算时不考虑渐变）。
2.3.重量轻
碳纤维复合芯材料的密度小（1.9g/cm3），约为普通钢芯密度（7.8g/cm3）的1/4。在铝截面基本相同的情况下, 碳纤维导线单位长度重量约为常规ACSR导线的80％左右。根据文献[2]对照钢芯铝绞线标准GB1179-83，将两种导线铝截面基本相同的情况进行比较，结果如表2-4。
表2-4 铝截面基本相同时碳纤维导线与钢芯铝绞线重量比较表
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导线型号
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铝截面（mm2）
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总截面（mm2）
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单位重量（kg/km）
|
重量比%（ACCC/ACSR）
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|
LGJ-150/25
|
148.86
|
173.11
|
601.0
|
77.54
|
|
JRLX/T-150/28
|
150.00
|
178.00
|
466.0
|
|
|
LGJ-185/25
|
187.04
|
211.29
|
706.1
|
79.73
|
|
JRLX/T-185/28
|
185.00
|
213.00
|
563.0
|
|
|
LGJ-240/30
|
244.29
|
275.96
|
922.2
|
75.92
|
|
JRLX/T-240/28
|
240.00
|
268.00
|
700.0
|
|
|
LGJ-800/55
|
814.3
|
870.60
|
2690.0
|
85.87
|
|
JRLX/T-800/60
|
796.40
|
856.70
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2310.0
|
但是两种导线外径完全相同时，ACCC碳纤维导线并不一定比钢芯铝绞线轻，这是因为ACCC碳纤维导线铝和碳纤维复核芯截面比例变化引起的。两种导线外径完全相同的情况比较结果，如表2-5。
表2-5 铝截面基本相同时碳纤维导线与钢芯铝绞线重量比较表
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导线型号
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导线外径（mm）
|
单位重量（kg/km）
|
重量比%（ACCC/ACSR）
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LGJ-150/25
|
17.10
|
601.0
|
93.68
|
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JRLX/T-185/28
|
563
|
||
|
LGJ-210/10
|
19.00
|
650.70
|
107.58
|
|
JRLX/T-240/28
|
700.00
|
||
|
LGJ-300/15
|
23.00
|
939.8
|
108.32
|
|
JRLX/T-350/40
|
1018
|
2.4.允许工作温度高、载流量大
电力线路上碳纤维导线设计运行温度165℃，钢芯铝绞线设计运行温度80℃。在相同的载流量时，碳纤维导线ACCC/TW比钢芯铝绞线ACSR温度低、弧垂小，因此可以承载更大的电流；在相同的运行温度时，其载流量比ACSR大[1]。例如我院原设计的220千伏线路尊平线路改造中，比较了碳纤维导线JRLX/T-310/40和钢芯铝绞线2XLGJ-300/40两种导线的载流量，结果见表2-6.
表2-6 碳纤维导线与钢芯铝绞线载流量比较[1][3]
|
温度℃
导线型号
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60
|
80
|
100
|
120
|
140
|
160
|
|
JRLX/T-310/40
|
507
|
731
|
892
|
1022
|
1134
|
1235
|
|
LGJ-300/40
|
550
|
730
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表2-6计算条件：环境温度30℃、风速0.5m/s、辐射系数0.9、日照强度1000W/m2.
从上表可知，碳纤维导线JRLX/T-310/40和钢芯铝绞线LGJ-300/40截面基本相同，碳纤维导线我们拟选运行温度160℃下的载流量，比钢绞线允许温度80℃时大1.69倍。
3.工程应用
对于现有老线路增容改造，只需把原线路上的钢芯铝绞线更换成铝截面基本相同的碳纤维导线，即可达到增容60—100%的目的。一般老线路改造换线施工期15-20天，建设周期比新建线路大大缩短。我院原设计的220千伏线路尊平线路改造工程，线路处于市区，线路重建难度很大，原导线为LGJ-300/40,安全系数2.5，增容设计推荐将原导线更换为碳纤维导线JRLX/T-310/40，安全系数2.72，经校验原线路杆塔强度、导线弧垂均满足要求，输送容量提高61%，比导线更换为钢芯铝绞线2XLGJ-300/40，杆塔拆除重建方案，节约造价45%。所以碳纤维导线用于老线路增容改造的优势是十分明显的。
从2006年第一条碳纤维复合芯导线挂网运行以来，全国已经有近50条110~220kV碳纤维复合芯导线线路投入运行，积累了一定施工、运行经验。目前制约其推广的一个重要原因是碳纤维复合芯依赖进口、价格比较高。随着使用范围的扩大，价格也会相应降低。总之碳纤维导线在老线路改造工程中的应用前景还是很好的。
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