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[ 摘要] 碳纤维复合材料芯导线的出现为线路增容和减少输电走廊等问题的解决提供了一种途径本文分析了其优点并调研了其在国内外的科研、应用情况本文结合我国220kV 改造线路和 500kV 新建线路的典型参数，计算分析了应用碳纤维复合材料芯导线的技术经济性，从结果可见碳纤维复合材料芯导线的应用从技术上讲是可行的，从经济上讲是合理的[ 关键词] 碳纤维复合材料芯导线，500kV 新建线路， 220kV 改造线路，技术经济比较；1. 前言随着我国经济的快速发展，电力需求不断增长，电力负荷不断增加在土地资源日益稀缺、用电需求持续增长的情况下，如何使输电走廊尽可能少地占用土地资源，又能提高电网的输电能力，已经成为日益重要、亟待解决的难题，提高新建线路的单位输送容量和实施现有线路的扩容改造是两条有效的途径相比于同规格的钢芯铝绞线，碳纤维复合材料芯导线具有质量轻、抗拉强度大、线膨胀系数小、弧垂小、载流量大、耐高温、耐腐蚀等特点[1] 碳纤维复合材料芯导线的共同特点是芯主要由碳纤维和热硬化性树脂构成碳纤维是由含碳量较高且在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的特种纤维。
碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，同时沿纤维轴方向表现出很高的强度，具有很高的比强度碳纤维增强环氧树脂复合材料比重 小、刚性好、强度高，其比强度、比模量等综合指标在现有结构材料中是最高的，能够满足输电导线在强度、刚度、重量、疲劳特性等方面的严格要求[2] 碳纤维复合材料芯导线技术的工程应用推广，符合国家电网公司推动“两型三新”线路建设的精神，不仅对于提高输电线路的输送容量和电网的安全可靠性，以及降低架空输配电工程总造价具有非常重要的意义; 还将促进新技术、新工艺、新材料的研究; 也势必推动国内相关产业的技术升级与进步碳纤维复合材料芯导线能否在新建线路和扩容改造工程中应用，不仅要在技术上可行还要在经济上合理，因此要结合具体的工程进行技术经济比较2 国内外研究和应用现状2.1 日本的概况20 世纪 90 年代，日本昭和电线电缆株式会社、 东京制纲株式会社和东北电力株式会社共同开发了一种称为ACFR( 碳纤维芯铝绞线 )的低驰度导线，主要用于解决既有架空输电线路导线弧垂过大、对地净距不足的问题其基本思想是用相同直径的碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP) 代替一般钢芯铝绞线 (ACSR) 中的钢芯，结构和外观如图2-1 所示。
复合材料芯的质量是常规钢芯的约1/5 ，线膨胀系数约为1/12试验证明，这种新型复合材料芯导线的抗拉强度远远超过了ACSR ，在常温下的应力——伸长特性呈现弹性体，没有塑性变性，断裂时的伸长量比钢绞线小，约为1.6%耐热性基本与 ACSR 相同ACFR 在提高导线强度、 降低导线重量和驰度方面具有突出的优点，其迁移点温度约为70℃，运行温度达150℃，重量比相同直径的 ACSR导线轻 30% 当导电体采用耐热铝时，可以得到耐热性能更好的TACFR导线，在降低导线驰度的同时，提高导线的载流量[3] ACFR是 ACSR一对一的材料替换，导线外形、结构构造形式和尺寸与传统导线完全一样 日本的 ACFR已在日本东北电力公司宫城支店的66kV 输电线路上试用但由于日本的新建线路极少，原有线路大多采用耐热铝合金导线，碳纤维复合材料芯导线所以没有得到大规模应用2.2 美国的概况美国 Composite Technology Corporation(CTC，Irvine, CA)研制开发的碳纤维复合材料芯软铝导线 (Aluminum Conductor Composite Core， 简称 ACCC) 如图 2-2 所示。
其芯线是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，碳纤维采用聚酰胺耐火处理、碳化而成；高强度、高韧性配方的环氧树脂具有很强的耐冲击性、耐抗拉应力和弯曲应力将碳纤维与玻璃纤维进行预拉伸后，在环氧树脂浸渍，然后在高温模子中固化成型为复合材料芯线其导体为梯形截面的铝线股图 2-2 ACCC导线( 左)与 ACSR 导线(右) [1] 据目前所了解的资料，国外碳纤维复合芯软铝导线的生产厂家有两个，均在美国，分别是CTC公司(Composite Technology Corporation)和水银电缆公司 (Mercury Cable & Energy LLC)其中美国CTC公司研制的碳纤维复合芯软铝导线 (型号为 ACCC/TW)2004 年 8 月首次在安装在试验线段上，2005 年 1 月正式在实际线路工程上应用迄今为止，国外共有15 条线路 (均为单回路 )使用该种导线，在这15 条线路中，美国有13 条，其中试验线路1条， 长 1.06km;230kV 线路 2 条， 共计 4.0km;161kV 线路 1 条， 长 0.15km;138kV线路 3 条，共计 34.96km;115kV 线路 1 条，长 0.14km;69kV 线路 2 条，共计 1.37km;34.5kV 线路 2 条，共计 35.05km;13.8kV 线路 1 条，长 1km ，法国 2005 年开始进行碳纤维复合芯软铝导线应用试验，有两条使用该种导线的试验线路，长度分别为0.8km 和 0.4m。
美国水银电缆公司生产的碳纤维复合芯软铝导线 (型号为 HVCRC) 未见实际应用的报告 由此可见，碳纤维复合芯软铝导线在国外应用并不广泛，每条线路使用长度较短(大部分线路长度不超过 3km)，多数电压等级较低 (138kV 及以下) ，且运行时间短 (不足 5 年) ，运行经验不够丰富2.3 国内的情况我国目前已基本掌握纤维增强复合材料的设计与制备技术我国在玻璃纤维和树脂体系的研究和生产方面，已实现了国产化部分高端纤维如碳纤维原丝的生产也即将实现国产化因此，研制具有我国自主知识产权的导线用碳纤维复合芯材料以及实现碳纤维复合材料芯导线国产化的条件已基本成熟从 2005年开始，国内多家单位开始了碳纤维复合材料芯导线的研究工作主要包括：远东电缆有限公司、中国电力科学研究院(以下简称中国电科院 )、航天四院 43 所、辽宁省电力公司与哈玻院、华北电力科学研究院和河北硅谷化工有限公司等国内多家科研单位的研究成果进入了挂网试运行的阶段2009 年 1 月华北电力科学研究院和河北硅谷化工有限公司合作开发的300/50 在 500kV万顺Ⅲ线 470-473 号段挂网运行2009 年 11月浙江省金华电力局将中国电科院研制的 JLRX/T/TW-430/60 碳纤维复合芯梯形软铝导线和配套金具安装在220kV金仙线 7+1～8#档挂网运行。
目前商业化运行最多的是远东电缆有限公司开发的碳纤维复合材料芯导 线，自 2006年 6 月第一条碳纤维复合芯软铝导线开始在福建省220kV线路工程中使用算起，至2009 年底已有 41 条使用该种导线的线路 ( 电站)投运，还有 8 条线路正在施工或马上开工在这49 条线路 (电站)当中，主要以增容改造或扩建为主，电压等级有110kV和 220kV两种，单线总长度为1812km 综上所述，可见具备研制碳纤维复合材料芯导线能力的只有美国、日本和中国 ; 碳纤维复合材料芯导线在国外应用的线路数量和单线公里数都远少于在中国的应用数量3 碳纤维芯导线的分类及应用中应关注的参数目前已研制出来的碳纤维复合材料芯导线的种类很多，可以按以下三种方式分类按碳纤维复合材料芯的形状可以分为两类，第一类是多股碳纤维复合材料芯绞合而成，如图2-1 所示;第二类是单股芯棒，如图2-2 所示;按导体材料可分为三类，第一类是硬铝，第二类是软铝，第三类是耐热铝合金;按导体的形状可分为两类，第一类为圆线，第二类为型线3.2 应用中应关注的参数碳纤维复合材料芯是导线的重要原材料，某些性能通过控制特定参数方可达标，经过大量实践及理论分析后，笔者认为碳纤维复合材料芯应符合但不限于以下的规定。
3.2.1 表面质量碳纤维复合材料芯应圆整、光洁、无裂纹，无纤维裸露等与良好工业商品不一致的缺陷3.2.2 抗拉强度碳纤维复合材料芯的抗拉强度应符合表3-1 的规定根据抗拉强度计算碳纤维复合材料芯拉断力时，应使用碳纤维复合材料芯的实测直径 3.2.3 断裂伸长率碳纤维复合材料芯在标距为2000mm 时，拉断时的伸长率应不小于1.5%3.2.4 直径和直径偏差碳纤维复合材料芯直径偏差、不圆度应符合表3-2 的规定3.2.5 线膨胀系数和弹性模量碳纤维复合材料芯的线膨胀系数和弹性模量应符合表3-3 的规定3.2.6 密度为计算标称重量，碳纤维复合材料芯的密度≤2.00 g/cm3 3.2.7 接头碳纤维复合材料芯不允许有接头3.2.8 环境性能3.2.8.1 高温性能 碳纤维复合材料芯在180℃的高温环境下静置3 小时后，其抗拉强度损失率应不大于常温时抗拉强度的10% 3.2.8.2低温性能碳纤维复合材料芯在 -40℃的低温环境下静置3 小时后，其冲击强度的损失率应不大于常温时冲击强度的10% 3.2.8.3抗紫外线GB/T 14522-2008，《机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化试验方法荧光紫外灯》，碳纤维复合材料芯应通过波长小于400nm的荧光紫外灯，辐照度为1.55W/m2*nm暴露 1000h 后，其表面不发黏、无起皮和龟裂现象，且抗拉强度不低于表3-1 所列最小抗拉强度。
3.2.8.4耐腐蚀性能碳纤维复合材料芯在室温下应能分别通过3% 硫酸或 3% 氯化钠溶液中浸泡至少 100 小时，其表面应光洁无可见腐蚀现象3.2. 8.5 湿热老化碳纤维复合材料芯应在150℃环境中置放1h，然后室温水喷淋冷却1h，如此反复循环 100 次试验，其抗拉强度不低于表3-1 所列最小抗拉强度3.2.9 卷绕性能碳纤维复合材料芯应在60 倍自身直径的筒体上以不大于5r/min 的卷绕速度卷绕 2 圈试验，其表层不开裂、不起皮; 其抗拉强度不低于表3-1 所列最小抗拉强度3.2.10 扭转性能碳纤维复合材料芯应以200倍自身直径的长度试样以不大于2r/min 的扭转速度扭转 720°试验，其表层不开裂， 其抗拉强度不低于表3-1 所列最小抗 拉强度3.2.11 侧压性能碳纤维复合材料芯至少应能承受自身额定拉断力的25% 大小的压力平稳加载接触长度为 100mm 芯棒上受压试验，其表层不开裂、不脱皮3.2.12 玻璃化转变温度Tg 纤维增强树脂基复合材料芯棒玻璃化转变温度Tg应不小于 180℃3.2.13 热老化寿命碳纤维复合材料芯的热寿命评定，选取180℃、195℃、210℃三点老化温度，以抗拉强度的70% 作为寿命终止参数，其最低热老化温度点应不短于5000h，最高温度点应不短于100h(如果可能应小于 500h)。
3.2.14 长期耐热性能纤维增强树脂基复合材料芯棒应在150℃的温度下静置400小时后，其抗拉强度与常温时抗拉强度相比的损失率不大于5% 4 220kV 改造线路应用分析在我国由于经济发展较快，东部沿海地区的用电负荷激增，增容改造的需求比较大，由于时间和经费的约束，选择在旧有线路改造的比重较大，在原有杆塔上通过将原有导线更换为碳纤维复合材料芯导线而达到倍容的例子很多这样的改造线路若按电压等级来划分，220kV线路所占比重最大若想达到改造后倍容的目的，可以有两种方案：一是采用推倒重建(换塔换线)的方式，二是采用不换塔只换线的方式，下面对这两种方案进行技术经济比较4.1 线路模型实际的线路工程十分复杂，为了对比方便，建立了一个线路模型，对比 采用钢芯铝绞线与碳纤维复合材料芯导线的技术经济性电压等级： 220kV ，单回，线路长度为20km 以福建某改造工程为例 , 根据原有线路的设计气象条件与运行经验，改造工程设计气象条件仍取原有线路在此段的设计气象条件，其气象条件组合见表 4-14.2 容量对比原有线路的导线为2×LGJ -400/35 ，若想达到倍容的目标， 若推倒重建则可选择的导线为 4×LGJ-400/35 。
若不换塔只换线则可选择的导线为2×JRLX/T2-415/50 ， 两种导线的主要参数见下表 改造前后输送容量的详细数据见下表4.3 导线机械性能对比对这两种导线方案的机械性能进行对比，详细数据见下表 通过上述比较，可知在满足铁塔受力情况下，由于碳纤维复合材料芯导线重量较轻、 拉重比大，在满足系统输送容量要求时( 约 120℃)，弧垂可满足现有铁塔高度要求，不用更换铁塔4.4 造价比较在造价比较时依据现有预算编制与计算标准[9][10][11]进行估算，需要说明的是，碳纤维复合材料芯导线与普通导线的架线方式都采用张力放、紧线，长度相同，因此，两种导线的架线安装工程费用相同，参照《电力建设工程预算定额 (2006 年版)》; 装置性材料费中，导线的施工损耗率都按0.8%计列，普通导线LGJ-400 的价格为 18000 元/t计算，碳纤维复合材料芯导线的价格按 110 元/m 计算; 对于碳纤维复合材料芯导线的配套金具，只有悬垂线夹和耐张线夹适用于碳纤维复合材料芯导线的类型，其它金具不变因此，普通导线附件工程单位造价计列1.5 万元/km 计列，碳纤维复合材料芯导线附件工程的单位造价计列为2.5 万元/km。
JRLX/TZ-400/50 的以往售价有过 120 元/m， 现在的售价大约为110 元/m，若考虑随着生产厂家的增多，其售价应该呈下降趋势将碳纤维复合材料芯导线的单价对改造工程造价影响进行比较，详见图4-1若以当前 JRLX/TZ-400/50 和 LGJ-400/35 的价格，采用换塔换线的方式，在不考虑线路走廓增加产生的费用的前提下，仅本体造价每公里就比采用碳纤维复合材料芯导线 (不换塔只换线 )增加 25%;若按单位输送容量比较，本体造价比采用碳纤维复合材料芯导线增加13% 4.5 小结 从上述针对220kV 改造线路进行的模拟计算、分析，可得下述结论：若想达到改造后倍容的目的，推倒重建和不换塔只换碳纤维复合材料芯导线在技术上都是可行的若按当前两种导线的价格，采用不换塔换线的方式，仅本体造价每公里就节约25%;若考虑将来碳纤维复合材料芯导线单价下降的趋势则采用碳纤维复合材料芯导线的优势更加明显5.500kV 新建线路应用分析由于碳纤维复合材料芯导线在国内外输电线路领域属于新技术和新材料，国内目前仅在220kV 以下增容改造输电线路上有所应用，而在500kV 及以上电压等级线路的应用尚为空白。
为作好碳纤维复合材料芯导线应用的可行性研究工作，有必要针对不同的情况进行计算分析比较，特对碳纤维复合材料芯导线应用进行技术经济分析5.1 线路模型实际的线路工程十分复杂，为了对比方便，建立了一个线路模型，在输送容量相同的前提下，对比采用钢芯铝绞线与碳纤维复合材料芯导线的技术经济性新建 500kV同塔双回输电线路，长度100km ，全线平原地区Ⅲ级污区配置对地距离按14m控制根据国网公司通用设计中提供的典型区域气象条件，本次模型工程的设计气象条件取“最大风速30m/s(基准高度 10m)， 最大覆冰厚度 10mm ”的风冰组合条件此工况适合区域广泛，有大量线路工程按照此条件设计，本次模拟计算，采用该条件组合，比较有代表性结合最新版《110～750kV 架空送电线路设计技术规范》[12] 的相关规定确定了其它气象参数年平均雷暴日取 10d/y 综上所述，本次的模型工程设计气象条件取值如下表 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。
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。