碳纤维导线在接地极线路中应用的经济性分析

， ，，(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

碳纤维导线在接地极线路中应用的经济性分析

林浩，梁明，魏德军，刘从法
(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

根据接地极线路额定电流大、运行电压低、额定电流情况下运行时间短的特点，通过与常规导线对比，分析了碳纤维复合芯导线的机械性能和电气性能。通过技术经济分析，探讨了碳纤维复合芯导线在接地极线路中应用的合理性。

碳纤维复合芯导线;接地极线路;应用

0 引 言

接地极线路是特高压直流工程不可缺少的重要组成部分。接地极线路有额定电流大、运行电压低、额定电流情况下运行时间短的特点，因此其导线组合宜选择总截面较小、载流量大、分裂根数少、便于布置、可靠性较高的导线型号和组合方式；而碳纤维复合芯导线具有载流量大、强度大、弧垂小、耐覆冰等特点，因此将碳纤维复合芯导线应用于接地极线路中具有显著意义。下面对碳纤维复合芯导线在接地极线路中的应用进行分析研究。

1 输入条件

涉及的工程输入条件：±800 kV直流线路的输送容量为10 000 MVA、额定电流为6 250 A；其接地极线路额定电流为6 250 A、最大过负荷电流为6 690 A；线路长度为85 km，平均耐张段长度3 km，杆塔单公里基数为2.6基，地形为35%的平地、65%的丘陵，覆冰厚度10 mm,基本风速25 m/s,最高温度40℃，海拔1 000 m以下，原工程所采用的导线为2×2×JNRLH60/G1A-630/45钢芯耐热铝合金绞线。

2 导线选择

结合接地极线路额定电流大、运行电压低、额定电流情况下运行时间短的特点，其导线组合宜选择载流量大、总截面较小、分裂根数少、便于布置、可靠性较高的导线型号和组合方式。

在相同载流量情况下，碳纤维复合芯导线重量最轻，钢芯耐热铝合金绞线次之，而普通钢芯铝绞线最重，故目前设计的接地极线路已不采用普通钢芯铝绞线，本节仅对原工程所采用的钢芯耐热铝合金绞线和拟选用的碳纤维复合芯导线的电气性能、机械性能及经济性等方面进行对比分析。

2.1 导线主要参数

1)最高温度

根据现有资料，钢芯耐热铝合金绞线和碳纤维复合芯导线控制温度按150℃考虑。

2)机械强度

根据规程规范，导线设计安全系数不小于2.5，悬挂点的设计安全系数不小于2.25，平均运行应力不大于拉断应力的25%[1]。

2.2 导线特性

根据工程输入条件，线路输送容量为10 000 MVA,额定电流为6 250 A,最大过负荷电流为6 690A，原导线为2×2×JNRLH60/G1A-630/45钢芯耐热铝合金绞线。根据输送容量及每极电流的要求，可以选择2×2×JLRX/F2B-560/65、2×2×JLRX/F2B-630/70和2×2×JLRX/F2B-800/80碳纤维复合芯导线进行对比分析。参与对比的导线技术参数见表1，为便于比较，以JNRLH60/G1A-630/45钢芯耐热铝合金绞线作为对比基础。

表1 导线技术参数

2.3 导线的电气性能

为初步确定导线型号，首先从导线的载流量[1，3]进行比较。

按GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》的要求，验算导线允许载流量时，环境气温采用最高气温月的最高平均气温，计算风速采用0.5 m/s，太阳辐射功率密度采用0.1 W/cm2[1-2]。

经计算，各导线在最高允许温度下的载流量(最高气温月的最高平均气温35℃)见表2。

由表2可知，在导线的最高允许温度情况下，所选择型号的导线均能满足过负荷电流6 690 A的要求。

2.4 导线的机械性能

根据导线机械参数，计算机械特性情况如表3所示。

由表3可知，各导线的覆冰过载能力均超过25 mm，满足工程要求，碳纤维复合芯导线JLRX/F2B-800/80覆冰过载能力最强，碳纤维复合芯导线JLRX/F2B-630/70次之，钢芯耐热铝合金绞线相对较小；碳纤维复合芯导线拉重比相对较高，碳纤维复合芯导线弧垂特性较钢芯耐热铝合金绞线好；在荷载特性方面，导线单重决定了线条垂荷，导线直径决定了线条风荷载，导线拉断力决定了线条的张力荷载，从总体趋势上看，导线截面越小的方案，其垂直荷载、风荷载及线条张力越小，有利于降低塔重。

2.5 导线的经济性

1)本体投资比较

考虑参选导线弧垂和荷载特性情况，进行杆塔设计和本体投资估算，如表4所示。

由表4可知，，碳纤维复合芯导线价格虽然较高但对应的杆塔价格较低，碳纤维复合芯导线JLRX/F2B-560/65本体投资相对较低，钢芯耐热铝合金绞线JNRLH60/G1A-630/45次之，碳纤维复合芯导线和钢芯耐热铝合金绞线本体投资基本相当。

2)年费用比较

计算不同条件下各导线方案的年费用比较如表5所示。

由表5可看出，碳纤维复合芯导线年费用较钢芯耐热铝合金绞线费用低，3种碳纤维导线年费用基本相当。

表2 导线载流量一览表

表3 导线机械特性

表4 本体投资比较

表5 导线年费用比较

注：回收率按10%考虑，电费按0.4元/kW·h考虑。

2.6 小 结

从本算例来看，与原工程所采用的钢芯耐热铝合金导线相比，拟选用的碳纤维复合芯导线JLRX/F2B-560/65的电气性能可满足工程需要，机械性能相对较优，同时经济性也相对较优，在本算例中推荐采用。

3 结 语

通过比较分析，得出以下结论：

1)在导线的最高允许温度情况下，碳纤维复合芯导线能满足过负荷电流的要求；

2)碳纤维复合芯导线弧垂特性、覆冰过载能力较钢芯耐热铝合金绞线优；

3)碳纤维复合芯导线和钢芯耐热铝合金绞线本体投资基本相当，碳纤维复合芯导线价格较高但对应的杆塔价格较低；

4)碳纤维复合芯导线年费用较钢芯耐热铝合金绞线低。

碳纤维复合芯导线在国内外已得到大量应用[4-5]，并取得一定的运行经验，因此碳纤维复合芯导线在接地极线路中具有广阔的应用前景，大规模的应用也将进一步降低工程投资费用。

[1] GB 50545-2010，110 kV～750 kV架空输电线路设计规范[M].北京：中国计划出版社，2010：12-55.

[2] 国家电力公司东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册(第二版)[M].北京：中国电力出版社，2002：166-167.

[3] 机械工程手册电机工程手册编辑委员会.电机工程手册：输变电、配电设备卷(第二版)[M].北京：机械工业出版社，1997：57-58.

[4] 何州文，陈新，王秋玲，等. 国内碳纤维复合芯导线的研究和应用综述[J].电力建设，2010，31(4)：90-93.

[5] 梁栋，邓蜀平，蒋云峰，等. 碳纤维复合芯电缆国内外技术研发现状及工程应用进展[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)，硕士研究生、工程师，长期从事输电线路设计工作；

梁 明(1973)，教授级高级工程师，长期从事输电线路设计工作；

魏德军(1964)，高级工程师，长期从事输电线路设计工作；

刘从法(1979)，硕士研究生、工程师，长期从事输电线路设计工作。

2017-08-09)