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Volume 4 Issue 4
Jul.  2020
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Article Navigation >  SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION  > 2017  >  4(4): 82-87

Minzheng MA, Chunping PAN. Application Research on Aluminium Conductor Multi-Strand Carbon-Fiber Core Cable in New Power Transmission Lines[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2017, 4(4): 82-87. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.04.016
Citation: Minzheng MA, Chunping PAN. Application Research on Aluminium Conductor Multi-Strand Carbon-Fiber Core Cable in New Power Transmission Lines[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2017, 4(4): 82-87. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.04.016
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Application Research on Aluminium Conductor Multi-Strand Carbon-Fiber Core Cable in New Power Transmission Lines

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.04.016
  • 1.

    China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China

  • Received Date: 2017-08-29
  • Publish Date: 2020-07-18
  • Compared to the widely used ACCC (Aluminum Conductor Composite Core) calbe, the ACMCC (Aluminium Conductor Multi-Strand Carbon-Fiber Core) cable use the multi-strand carbon-fiber core instead of the single carbon-fiber coer in ACCC, which has much better performance: higher stability and improved safety margin, better flexibility, simpler fittings as ACSR and easier for installation. Thus, ACMCC is future development trend of ACCC. In order to study the application prospect of ACMCC in new 500 kV overhead power transmission lines, taking two typical 500 kV double circuti AC lines as examples, different sizes of ACMCC cable are selected according to material-saving and energy-saving principle, and detailed technical and economic comparison is showed compared to the recommended cable, so economic performance of the ACMCC is given to direct the engineering application.
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    • 通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
    • 1. 

      沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Application Research on Aluminium Conductor Multi-Strand Carbon-Fiber Core Cable in New Power Transmission Lines

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.04.016
  • 1. China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China
  • Received Date: 2017-08-29
  • Publish Date: 2020-07-18

Abstract: Compared to the widely used ACCC (Aluminum Conductor Composite Core) calbe, the ACMCC (Aluminium Conductor Multi-Strand Carbon-Fiber Core) cable use the multi-strand carbon-fiber core instead of the single carbon-fiber coer in ACCC, which has much better performance: higher stability and improved safety margin, better flexibility, simpler fittings as ACSR and easier for installation. Thus, ACMCC is future development trend of ACCC. In order to study the application prospect of ACMCC in new 500 kV overhead power transmission lines, taking two typical 500 kV double circuti AC lines as examples, different sizes of ACMCC cable are selected according to material-saving and energy-saving principle, and detailed technical and economic comparison is showed compared to the recommended cable, so economic performance of the ACMCC is given to direct the engineering application.

Minzheng MA, Chunping PAN. Application Research on Aluminium Conductor Multi-Strand Carbon-Fiber Core Cable in New Power Transmission Lines[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2017, 4(4): 82-87. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.04.016
Citation: Minzheng MA, Chunping PAN. Application Research on Aluminium Conductor Multi-Strand Carbon-Fiber Core Cable in New Power Transmission Lines[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2017, 4(4): 82-87. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.04.016
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  • 我国于2006年开始在输电线路中研究应用碳纤维复合芯导线。截至2015年底，全国共有250多条架空输电线路采用了该新型导线，线路总长度约1 790 km，导线总长度约7 315 km；主要为增容改造或扩建工程，电压等级覆盖35～500 kV，并以110 kV、220 kV线路为主。随着关键生产技术的国产化和导线价格的日益降低，碳纤维复合芯导线在新建线路中亦逐渐呈现技术经济优势。

    目前应用成熟的碳纤维复合芯导线可分为棒型[1]和绞合型[2]碳纤维复合芯软铝绞线两类，均具有重量轻、强度大、弛度低、耐高温、抗腐蚀、载流量大的共同优点。两者相比，前者存在导线柔软性较差、配套金具复杂、施工工艺要求较高等缺点；后者克服了该不足，是未来碳纤维复合芯导线的发展趋势，但由于导线价格稍高、生产厂家唯一，制约了其在输电线路中的推广应用。

    本文以新建500 kV输电线路为例，研究分析应用绞合型碳纤维复合芯软铝绞线的技术经济性。

1　碳纤维复合芯软铝绞线

    1.1　碳纤维复合芯软铝绞线分类

  • 碳纤维复合芯软铝绞线即由碳纤维复合芯代替传统的钢芯，与一层或多层导电率为63%IACS的软铝型线同心绞合而成的导线。按碳纤维复合材料芯的形状可以分为单股棒芯和多股绞合碳纤维芯两类，其结构如图1所示。

    Figure 1.  Structure of aluminum conductor composite core cable

    • 1.2　碳纤维复合芯软铝绞线比较

  • 与棒型碳纤维复合芯导线相比，绞合型碳纤维复合绞线芯导线采用多股碳纤维复合绞线作为导线的承力体，具有以下的优势：

    1)良好的柔软性。传统钢芯铝绞线、棒型和绞合型碳纤维复合芯导线的弯曲半径分别约为20倍、40倍和25～30倍导线直径。绞合型碳纤维复合芯导线在弯曲和自转时都具有较好的柔软性和弹性，故在运输、施工过程中更加便利，亦不存在“竹节”现象[3]。

    2)良好的安全稳定性。绞合型碳纤维复合线芯由多股碳芯线绞制而成，每股线芯承受的拉力一般仅为整根复合芯的1/7或1/19，即使断裂对导线张力的影响较小。而棒型碳纤维复合芯一旦有生产过程中存在的瑕疵或施工过程中造成的微小裂痕，均有可能扩散至整根芯棒，造成导线断裂[2]。

    3)连接金具简单、架线施工较为方便。棒型碳纤维复合芯导线采用楔型自锁原理的新式耐张线夹和接续管，其结构复杂，价格较高(约为常规导线的6～8倍)，施工繁琐[4]；绞合型碳纤维复合芯导线的耐张线夹和接续管与传统导线相似，均由钢锚和铝管组成，并采用常规的压接工艺，施工简单[5]，价格便宜(约为常规导线的2～3倍)。

2　节材方案比选

    2.1　线路模型

  • 某抽水蓄能电厂500 kV同塔双回送出线路的线路模型和系统条件如表1所示。

    线路模型 系统条件
    线路长度 31 km 事故每回极限输送功率 2 640 MW
    地形比例 山地51% 额定每回输送功率 990 MW
    平丘49%
    海拔高度 0～500 m 功率因素 0.9
    气象条件 基本风速31 m/s 年最大负荷 2 000 h
    无覆冰 利用小时数
    直线/耐张塔数 44/31 年最大负荷损耗小时数 1 000 h

    Table 1.  Model of transmission line and system conditions

    • 2.2　比选导线参数

  • 根据系统规划，推荐的导线为JL/LB1A-500/45铝包钢芯铝绞线，每相4分裂，分裂间距500 mm。采用小截面碳纤维复合芯导线JLRX1/JF1-400/35、JLRX1/JF1-300/40进行比选，各导线参数见表2。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-400/35 JLRX1/JF1-300/40
    铝线/股数×单丝直径/mm 45×Φ3.60 19×Φ5.18* 16×Φ4.89*
    芯线/股数×单丝直径/mm 7×Φ2.80 7×Φ2.50 7×Φ2.70
    铝截面/mm2 488.58 400.0 300.0
    芯截面/mm2 43.10 34.36 40.08
    总截面/mm2 531.68 434.36 340.08
    直径/mm 30.0 24.7 21.9
    单位质量/(kg/km) 1 635.3 1 158.4 891.9
    额定拉断力/kN 129.90 95.20 101.45
    拉力重量比/km 8.10 8.38 11.60
    弹性模量/GPa 63.7 59.8/115** 62.1/115**
    线膨胀系数/(10-6/ ℃) 20.9 17.1/1.0** 16.4/1**
    20 ℃直流电阻/(Ω/km) 0.057 45 0.069 8 0.093 0

    Table 2.  Parameters of different conductors

    • 2.3　导线电气性能

  • 由表1系统条件的线路N-1事故极限输送容量，可求得每相子导线允许载流量应不小于847A。各比选导线的允许载流量计算结果见表3。根据线路设计规程[6]，JL/LB1A-500/45、JLRX1/JF1-400/35、JLRX1/JF1-300/40线型的线路排位温度可取50 ℃、60 ℃和80 ℃。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-400/35 JLRX1/JF1-300/40
    线温80 ℃ 916 802 675
    线温90 ℃ — 913 766
    线温110 ℃ — 1095 916

    Table 3.  Current-carrying capacity of different conductors　A

    线路输送额定容量时，各导线的交流电阻和线路电阻损耗功率如表4所示。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-400/35 JLRX1/JF1-300/40
    运行温度/ ℃ 38.3 38.5 39.9
    交流电阻/(Ω/km) 0.0635 0.0759 0.1011
    损耗功率/(kW/km) 153.6 (100.0%) 183.6 (119.5%) 244.6 (159.2%)

    Table 4.  AC resistance and energy loss of different conductors

    • 2.4　导线机械性能

  • 各比选导线的定位弧垂、风偏摇摆角、线条荷载分别如表5，表6，表7所示。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-400/35 JLRX1/JF1-300/40
    定位温度/ ℃ 50 60 80
    档距l＝400 m 11.79 11.66(-0.13) 9.71(-2.08)
    档距l＝450 m 14.62 14.42(-0.20) 11.83(-2.79)
    档距l＝500 m 17.75 17.45(-0.30) 14.13(-3.63)

    Table 5.  Design sag of different conductors　m

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-400/35 JLRX1/JF1-300/40
    工频大风 60.6 65.2 69.7
    操作过电压 32.0 36.1 41.6
    雷电过电压 10.1 11.6 14.1

    Table 6.  Swing angle of different conductors　(°)

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-400/35 JLRX1/JF1-300/40
    水平荷载/(N/m) 22.27 (100.0%) 18.33 (82.3%) 16.28 (73.1%)
    垂直荷载/(N/m) 16.04 (100.0%) 11.36 (70.8%) 8.75 (54.6%)
    纵向张力/kN 49.36 (100.0%) 36.18 (73.3%) 38.55 (78.1%)

    Table 7.  Mechanical load of different conductors

    • 2.5　导线经济性

  • 综合导线、铁塔、基础、绝缘子、金具等因素，各导线方案的主要技术指标和本体投资差异如表8和表9所示。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-400/35 JLRX1/JF1-300/40
    导线/(t/km) 41.16 29.15 22.45
    塔材/(t/km) 181.2 159.6 152.5
    基础砼/(m3/km) 320.5 284.7 279.6
    基础钢筋/(t/km) 27.5 24.4 24.0

    Table 8.  Main technical indicators of different conductors

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-400/35 JLRX1/JF1-300/40
    导线单价/(元/m) 23.71 45.10 40.71
    导线/(万元/km) 59.68 113.5 102.5
    塔材/(万元/km) 144.96 127.7 122.0
    基础/(万元/km) 55.04 49.7 48.9
    本体/(万元/km) 423.3(100.0%) 440.6(104.1%) 419.7(99.2%)
    年费用/(万元·km-1·年-1) 43.41(基准) 46.25(2.85) 47.20(3.79)

    Table 9.  Economy comparison of different conductors

    采用最小年费用法[7]进一步评价各方案的经济性。当投资回收率取7%[8]、运行年数取30年、电价参考广东燃煤发电上网电价0.45元/kWh[9]，各方案的的年费用计算结果如表9所示。

    • 2.6　敏感性分析

  • 对碳纤维复合芯导线的价格进行敏感性分析，JLRX1/JF1-400/35和JLRX1/JF1-300/40方案的年费用随其导线价格波动的变化趋势如图2所示。

    Figure 2.  Annual cost of ACMCC while the conductor price fluctuated

    • 2.7　节材方案比选总结

  • 由上述分析可知，与推荐的四分裂铝包钢芯铝绞线JL/LB1A-500/45方案相比：

    1)碳纤维复合芯绞线JLRX1/JF1-400/35和JLRX1/JF1-300/40方案由于荷载较小，可分别降低塔重约12%和16%、降低基础砼约11%和13%；但导线价格较贵、其导线投资分别为JL/LB1A-500/45方案的1.9倍和1.7倍；综合本体投资分别增加4.1%和减少0.8%。

    2)JLRX1/JF1-400/35和JLRX1/JF1-300/40方案的电能损耗分别增加约20%和59%，综合考虑初期投资、电能损耗费用和资金利息，两方案运行期内折算年费用分别增加2.84万元/km和3.79万元/km。

    3)当JLRX1/JF1-400/35和JLRX1/JF1-300/40的导线价格分别降至32.0元/m和23.3元/m以下时，该两方案才具备经济可比性。即单位长度价格相当于JL/LB1A-500/45的1.35倍和0.98倍；与目前价格相比，则需分别降低约29%和43%。

3　节能方案比选

    3.1　线路模型

  • 为分析碳纤维复合芯导线在节能方面的技术经济性，对表1线路模型的系统条件按燃煤火电厂的参数进行调整，如表10所示。

    参数 数值
    事故每回极限输送功率/ MW 3 000
    额定每回输送功率/ MW 1 500
    功率因素 0.95
    年最大负荷利用小时数/ h 4 500
    年最大负荷损耗小时数/ h 2 700

    Table 10.  System conditions

    • 3.2　比选导线参数

  • 推荐的铝包钢芯铝绞线JL/LB1A-500/45和按等截面、等外径原则拟定的比选绞合型碳纤维复合芯导线JLRX1/JF1-500/40、JLRX1/JF1-600/45的参数如表11所示。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-500/40 JLRX1/JF1-600/45
    铝线/股数×单丝直径/mm 45×Φ3.60 36×Φ4.21* 36×Φ4.59*
    芯线/股数×单丝直径/mm 7×Φ2.80 7×Φ2.70 7×Φ2.90
    铝截面/mm2 488.58 500.0 595.6
    芯截面/mm2 43.10 40.08 46.24
    总截面/mm2 531.68 540.08 641.86
    直径/mm 30.0 27.5 30.0
    单位质量/(kg/km) 1635.3 1450.1 1725.1
    额定拉断力/kN 129.90 112.97 131.41
    拉力重量比/km 8.10 7.94 7.77
    弹性模量/GPa 63.7 59.5/115** 59.3/115**
    线膨胀系数/(10-6/ ℃) 20.9 17.9** 17.9**
    20 ℃直流电阻/(Ω/km) 0.05745 0.0561 0.0471

    Table 11.  Parameters of different conductors

    • 3.3　导线电气性能

  • 由线路N-1事故极限输送容量，可求得每相子导线允许载流量应不小于912A。各比选导线的允许载流量计算结果见表12。JL/LB1A-500/45、JLRX1/JF1-500/40、JLRX1/JF1-600/45线型的最高设计温度均为80 ℃，相应的线路排位温度取50 ℃。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-500/40 JLRX1/JF1-600/45
    线温80 ℃ 916 919 1 023

    Table 12.  Current-carrying capacity of different conductors　A

    线路输送额定容量时，各导线的交流电阻和线路电阻损耗功率如表13所示。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-500/40 JLRX1/JF1-600/45
    运行温度/ ℃ 42.0 41.6 40.6
    交流电阻/(Ω/km) 0.0647 0.0620 0.0522
    损耗功率/(kW/km) 322.6 (100.0%) 309.1 (95.8%) 260.3 (80.7%)

    Table 13.  AC resistance and energy loss of different conductors

    • 3.4　导线机械性能

  • 各比选导线的定位弧垂、风偏摇摆角、线条荷载分别如表14，表15，表16所示。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-500/40 JLRX1/JF1-600/45
    定位温度/ ℃ 50 50 50
    档距l＝400 m 11.79 11.81(＋0.02) 12.04(＋0.24)
    l＝450 m 14.62 14.67(＋0.05) 14.96(＋0.34)
    l＝500 m 17.75 17.86(＋0.11) 18.22(＋0.47)

    Table 14.  Design sag of different conductors　m

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-500/40 JLRX1/JF1-600/45
    工频大风 60.6 61.4 58.8
    操作过电压 32.0 32.6 30.4
    雷电过电压 10.1 10.3 9.5

    Table 15.  Swing angle of different conductors　(°)

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-500/40 JLRX1/JF1-600/45
    水平荷载/(N/m) 22.27(100.0%) 20.41(91.7%) 22.27(100.0%)
    垂直荷载/(N/m) 16.04(100.0%) 14.22(88.7%) 16.92(105.5%)
    纵向张力/kN 49.36(100.0%) 42.93(87.0%) 49.94(101.2%)

    Table 16.  Mechanical load of different conductors

    • 3.5　导线经济性

  • 综合导线、铁塔、基础、绝缘子、金具等因素，各导线方案的主要技术指标和本体投资差异及运行期折算年费用如表17和表18所示。

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-500/40 JLRX1/JF1-600/45
    导线/(t/km) 41.16 36.50 43.42
    塔材/(t/km) 181.2 170.8 181.8
    基础砼/(m3/km) 320.5 303.3 321.7
    基础钢筋/(t/km) 27.5 26.0 27.6

    Table 17.  Main technical indicators of different conductors

    导线 JL/LB1A-500/45 JLRX1/JF1-500/40 JLRX1/JF1-600/45
    导线单价/(元/m) 23.71 54.43 64.13
    导线/(万元/km) 59.68 136.99 161.4
    塔材/(万元/km) 144.96 136.64 145.44
    基础/(万元/km) 55.04 52.46 55.22
    本体/(万元/km) 423.3(100.0%) 485.5(114.7%) 529.4(125.1%)
    年费用/(万元·km-1·年-1) 75.69(基准) 79.43(3.73) 77.27(1.58)

    Table 18.  Economy comparison of different conductors

    • 3.6　敏感性分析

  • 对碳纤维复合芯导线的价格进行敏感性分析，JLRX1/JF1-500/40和JLRX1/JF1-600/45方案的年费用随其导线价格波动的变化趋势如图3所示。

    Figure 3.  Annual cost of ACMCC while the conductor price fluctuated

    由表13可知，等截面和等外径碳纤维复合芯导线均具有节能效果，且节能总量随线路年最大负荷利用小时数的升高而增大。故对线路负荷利用小时数进行敏感性分析，计算JLRX1/JF1-500/40、JLRX1/JF1-600/45与JL/LB1A-500/45方案年费用相等时的单位长度导线价格倍数，如图4所示。

    Figure 4.  Boundary price of ACMCC while the load fluctuated

    • 3.7　节能方案比选总结

  • 由上述分析可知，与推荐的四分裂铝包钢芯铝绞线JL/LB1A-500/45方案相比：

    1)碳纤维复合芯绞线JLRX1/JF1-500/40方案由于荷载较小，可降低塔重约6%、降低基础砼约5%；JLRX1/JF1-600/45方案的荷载基本相当，故各指标量均相近。但导线价格较贵、其导线投资分别为JL/LB1A-500/45方案的2.3倍和2.7倍，综合本体投资分别增加约15%和25%。

    2)JLRX1/JF1-500/40和JLRX1/JF1-600/45方案分别减少电能损耗约4.2%和19%，综合考虑初期投资、电能损耗费用和资金利息，两方案运行期内折算年费用分别增加3.74万元/km和1.58万元/km。

    3)当JLRX1/JF1-500/40和JLRX1/JF1-600/45的导线价格分别降至37.2元/m和56.9元/m以下，该两方案才具备经济可比性。即单位长度价格相当于JL/LB1A-500/45的1.57倍和2.40倍；与目前价格相比，则需分别降低约32%和11%。

    4)JLRX1/JF1-600/45方案的节能效果显著，当线路最大负荷利用小时数在5 000 h以上时，将逐渐凸显节能的经济优势；且线路负荷越重，节能总量越大，方案经济性越优。

4　结论

  • 1)绞合型碳纤维复合芯软铝绞线目前的价格较高，其在新建线路中的应用仍有一定的局限性。

    2)等外径的碳纤维复合芯导线节能效果显著，当线路年最大负荷利用小时数较高(>5 000 h)时，已逐渐凸显节能的经济优势。当导线价格下降15%以上时，负荷利用小时数较高(4 000～5 000 h)的火电送出线路采用该导线方案，将具有较好的经济性。

    3)当导线的价格下降30%以上时，水电或风电送出等负荷利用小时数较低(<2 000 h)的特殊线路采用小截面碳纤维复合芯导线方案、火电送出或电网联络线等负荷利用小时数较高(3 000～4 000 h)的线路采用等截面碳纤维复合芯导线方案，将都具有一定的经济可比性。

    4)需要指出的是，新技术、新材料的应用，一方面可以带来一定的经济效益，另一方面也能促进生产技术的进步、甚至带动产业链的发展，具有不可忽视的社会效益。因此，对绞合型碳纤维复合芯软铝绞线的应用研究应不遗余力。

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