碳纤维复合芯导线在河川变电站增容改造中的应用

冯 文

（新疆伊河水电中心 伊宁 835109）

碳纤维复合芯导线是一种新型的增容导线，与常规导线相比，具有很多的优越性，目前在电力系统中逐步推广，本文通过110kV河川变电站增容改造方案的对比应用，介绍了这种新型的增容导线技术性能优点。

1 引言

长期以来，传统的钢芯铝绞线作为电能的主要载体，在变电站高压母线、设备引流线及输电线路中均有大量的使用。随着电力系统负荷的不断增长，一些原有的电力设施供电容量已不能满足负荷发展的需求，面对扩容、增容的需要，新型增容导线推广使用，为技改工作提供了更多的选择。

2 方案的提出

110kV河川变电站位于新疆某县境内，距离县城28km，于2001年建成；改造前，该变电站终期主变容量为2×16MVA，110kV进、出线6回，110kV母线采用双母接线，母线材料采用LGJ-240/30钢芯铝绞线，最大穿越能力为116MVA；35kV出线5回，单母线分段；作为某大型水利工程的施工电源。随着系统电源的建设和用户发展对电力需求的不断增长，2005年该变电所承担的任务从施工变电所转变成某电力系统110kV输电系统枢纽变电所，承担着周边四个县的工农业生产、扬水灌溉和农业开发用电；2008年该变电所110kV母线输电穿越功率已达到100MVA，母线穿越功率已接近最大穿越功率，原有的110kV母线容量和出线数量都无法满足电源、用户接入需求；为此，只有将河川变电所110kV母线电力穿越功率提高到200MVA才能满足负荷增长的需求。改造110kV母线是解决河川变电站周边四个县110kV系统电力输送问题的唯一办法。

作为110kV系统枢纽变电站，该变电站主以110kV母线穿越功率为主，本次110kV河川变电站工程改造后，变电站终期主变容量为20MVA＋16MVA；110kV进、出线9回，110kV母线采用双母接线，穿越功率200MVA，汇流电流达到1049A，35kV出线5回，单母线分段；10kV出线10回，单母线分段。据此技术要求，本次改造的重点是110kV母线，提出以下三种110kV母线改造方案（见下页表）：

a.方案一：采用2XLGJQ—300/40双分裂轻型钢芯铝绞线，电气性能满足技术要求，但由于母线重量将增加为原来的2倍，母线构架承重能力经过重新核算，需要对原110kV母线构架拆除，重新安装制作。

b.方案二：采用NRLH60GJF—300/40耐热铝合金钢芯铝绞线，母线重量未发生变化，载流能力满足要求，但母线允许电流基本无设计安全裕量。

c.方案三：采用JRLX/T（ACCC）—361碳纤维复合芯导线，母线重量未发生变化，载流能力满足要求，母线允许电流基本安全裕量也满足要求。

3 两种新型增容导线

3.1 耐热铝合金钢芯铝绞线

20世纪60年代，日本发展了一种新型增容导线，这种导线是在传统的钢芯铝绞线中用耐热铝合金线替代普通硬铝线，运行温度达到150℃时，导线强度也不会降低。与同规格普通钢芯铝绞线相比，输送容量可增加50%以上，增容效果非常明显。但耐热铝合金钢芯铝绞线也存在以下不可忽视的缺点：

母线方案选型表

a.耐热铝合金钢芯铝绞线导电率低于普通钢芯铝绞线，线路电阻的增加，造成线路损耗加大。

b.由于运行温度和输送容量的提高，导线的弧垂也增加，从而加大了运行安全隐患。

3.2 碳纤维复合芯导线

2003年，美国某公司开发了碳纤维复合芯导线，该芯线是以碳纤维为中心玻璃纤维及由高强度、高韧性配方的环氧树脂包覆而成的单根芯棒。由于碳纤维复合芯的强度足够高，不再需要铝承担受力作用，导电的铝就可以采用退火状态的软铝，其导电率可超过63%IACS；软铝的截面设计成瓦形，可大幅减小导线外径。其主要技术特点如下：

a.单位重量轻、强度高，在相同的运行应力时弧垂小。

b.线膨胀系数小，在最低温到最高温的运行温度范围内弛度小。

c.外径小，导线运行时的风偏及覆冰载荷小。

d.直流电阻和交流电阻小，线路运行时线损小。

e.导电率高，载流量大，允许运行温度180℃，可大幅度增容。

f.耐腐蚀，使用寿命长。

g.表面紧凑、光滑，电晕损耗小。

4 三个方案对比

根据所采用导线材料的技术特性，现对三种技术方案对比如下：

a.方案一：由于采用了钢芯铝绞线，增加载流量的唯一办法只能是增加导线截面，改造后母线重量为原母线的2倍，母线构架承重力将增加至原来的2倍，若使用原构架，存在极大的安全风险，若改造更换构架，则变电站必须停运很长时间，作为系统枢纽变电站，长时间停电，给中心带来的直接经济损失约40万元/天，给地方经济带来的直接损失约600万元/天。施工技术难度增大，施工成本增加，此方案不可行。

b.方案二：耐热铝合金钢芯铝绞线是一种新型的增容导线，它是在传统的钢芯铝绞线中用耐热铝合金线代替普通硬铝线，使其在较高的温度下仍然能保持正常的机械强度，运行温度可提高至150℃，比同截面钢芯铝绞线输电能力明显增加，如果采用此方案，改造后母线重量与原母线相近，因此母线构架承重基本不变，但大电流下导线运行温度较高，导线弧垂增大，运行中存在一定安全隐患；母线允许电流已接近极限技术要求，基本无设计裕量，该方案虽然能满足200MVA穿越功率，但不能满足设计裕量的要求，此方案不可行。

c.方案三：碳纤维复合芯导线是一种新型的增容导线，它采用特高强度碳纤维合成芯棒替代传统的钢芯，外层导体由拱形软铝绞合而成，具有单位重量轻、强度大、耐高温、载流量大、耐腐蚀、驰度小等优点，各项技术性能优越，母线构架承重基本不变，母线载流能力满足要求，允许电流安全裕量也满足要求，此方案最优。

经设计单位对上述三个方案进行论证，认为方案三属于新型技术，无论技术上还是经济上，方案三都优于前两个方案，河川变电所110kV母线改造选择方案三。

5 结语

碳纤维复合芯导线的力学、热学、电学特性均优于传统导线，综合解决了输变电领域存在的各项技术瓶颈，尤其适用于对已经运行的变电站母线部分和输变电线路部分增容改造，并可用于新建线路大跨越、大落差、重冰区、高污染等特殊气候和地理场合。

当然，碳纤维复合芯导线高昂的价格，是制约其大量推广应用的一个主要因素。随着碳纤维复合芯导线制造技术的不断发展进步和市场的进一步扩大，价格有望逐步下降，可以预见，这种新型增容导线在未来电力系统会有良好的应用前景；尤其在已运行电站、变电所母线、线路增容改造中将发挥重要作用。