隨著我國電力需求的不斷增長，許多電力線路面臨增容的壓力。線路增容最經(jīng)濟的辦法之一是利用原有桿塔只更換導線。而利用原有桿塔的前提條件是，更換的導線荷載不能超過原有桿塔的設計條件。為此，新更換的導線一般不能采用普通的鋼芯鋁絞線ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced),而是采用新型的增容導線。這種新型導線一般具備這樣三個特點：一是弧垂隨溫度的變化??；二是質(zhì)量輕、外徑??；三是具有輸送大電流的能力。而碳纖維復合芯軟鋁絞線（以下簡稱碳纖維導線）ACCC/TW(Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal Wire)是典型的品質(zhì)優(yōu)良的增容導線品種之一。

       碳纖維導線ACCC/TW的結構獨特，內(nèi)部是一根由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的復合芯，外層由一系列呈梯形截面的軟鋁線絞合而成。碳纖維復核芯承擔導線總的力學性能，具有強度高、密度小、膨脹系數(shù)小、耐腐蝕等特點。外層軟鋁具有導電率高、電阻小、自阻尼性能強的特點。碳纖維復合芯與軟鋁線絞制而成的導線，便具有優(yōu)良的性能：導線重量輕，電阻小，表面光滑不易舞動，拉力質(zhì)量比大，弧垂隨溫度的變化小等^[1]。因此，可作為電力部門老舊線路改造、電力增容導線使用。其結構如圖1-1所示。

         外層軟鋁   碳纖維復核芯 

圖1-1碳纖維導線結構

         目前各設計院廣泛采用的鋼芯鋁絞線基本上仍為GB1197-83標準中的型式，該標準導線中使用的鋼芯絞合后強度為1244N/mm²，而碳纖維導線ACCC/TW的復合芯抗拉強度最小值可以達到2150N/mm²，為前者的1.73倍。例如，直徑9.53mm的復合芯抗拉強度達到2414N/mm²，是鋼芯鋁絞線中鋼芯強度的1.94倍。

         根據(jù)試驗，當溫度達到80℃附近，碳纖維導線的線膨脹系數(shù)α和彈性模量E出現(xiàn)拐點，80℃及以下α=12.5～14X10^-6/℃，E=64000～68000N/mm²；在80℃以上α=1.6X10^-6/℃，E=117000N/mm²。由于碳纖維導線具有的這樣的特點，因此在同樣檔距下弧垂隨溫度的變化比鋼芯鋁絞線要小。例如我院原設計的220千伏線路尊平線路改造工程中，比較了碳纖維導線JRLX/T-310/40和鋼芯鋁絞線2XLGJ-300/40兩種方案，并把碳纖維導線與鋼芯鋁絞線檔距400米下的弧垂進行了比較。計算條件及結果分別見表2-1、2-2、2-3。

表2-1            工程設計氣象條件

計算條件	氣溫（℃）	風速（m/s）	覆冰（mm）
最高氣溫	+40	0	0
最低氣溫	-20	0	0
最大風速	-5	30	0
最大覆冰	-5	10	10
安裝情況	-10	10	0
年平均氣溫	+15	0	0
外過電壓	+15	10	0
內(nèi)過電壓	+15	15	0

                                          表2-2                碳纖維導線和普通鋼芯鋁絞線參數(shù)表

導 線 型 號	碳纖維導線JRLX/T-310/40	鋼芯鋁絞線LGJ-300/40
總截面 mm2	349.5	338.99
鋁截面 mm2	309.5	300.09
直    徑（mm）	21.78	23.94
保證計算拉斷力95%AT（N）	97850	87600
彈性系數(shù)（N/mm2）	拐點前65000，拐點后117000	73000
膨脹系數(shù)（10-6 /℃）	拐點前13.0，拐點后1.6	19.6
單位重量（kg/m）	0.927	1.133
安全系數(shù)	2.5	2.5

                                   表2-3            400米檔距時碳纖維導線和普通鋼芯鋁絞線弧垂表單位：m

溫度℃ 導線型號	20	40	60	80	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米檔距時溫度由20℃升高到80℃，鋼芯鋁絞線LGJ-300/40，弧垂增大2.451米；碳纖維導線JRLX/T-310/40，弧垂增大1.955米，碳纖維導線弧垂變化量小于鋼芯鋁絞線。但是當溫度由80℃升高到160℃，碳纖維導線JRLX/T-310/40，弧垂僅再增大0.337米。

       另外，我們通過對常用的鋼芯鋁絞線，如LGJ-240/30、LGJ-300/25、LGJ-300/40、LGJ-400/35、LGJ-500/45與碳纖維導線JRLX/T-218/28、JRLX/T-310/40、JRLX/T-413/52、JRLX/T-517/71、JRLX/T-600/71，在安全系數(shù)2.5、3.0，覆冰厚度10毫米、15毫米、20毫米等條件下應力弧垂特性進行了計算和分析，形成了上萬個數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了歸納總結，發(fā)現(xiàn)碳纖維導線在弧垂特性方面存在以下特點：

       1.外徑、截面基本相同、安全系數(shù)和氣象條件一樣的條件下，溫度80℃及以下時，碳纖維導線的弧垂隨溫度升高而產(chǎn)生的變化量小于鋼芯鋁絞線。產(chǎn)生這一結果的原因是，碳纖維導線設計水平張力比鋼芯鋁絞線大，而質(zhì)量又相對輕，拉力質(zhì)量比大。由弧垂公式我們知道，對于同一檔距內(nèi)兩根導線弧垂之比 = /（m₀₁、m_02——導線質(zhì)量，T_01、T₀₂導線水平拉力），由該公式不難理解這樣的結果。
 

       2.拐點前（80℃及以下）碳纖維導線弧垂隨溫度的變化比較大，拐點后（80℃以上）碳纖維導線弧垂隨溫度的變化比較小。產(chǎn)生這一結果的原因是，在拐點處碳纖維導線彈性系數(shù)增大，線膨脹系數(shù)減?。▽嶋H上根據(jù)物體熱脹冷縮的性質(zhì)，導線弧垂不可能在拐點處發(fā)生突變，而是一個漸變的過程，本文理論計算時不考慮漸變）。

       碳纖維復合芯材料的密度?。?span>1.9g/cm³），約為普通鋼芯密度（7.8g/cm³）的1/4。在鋁截面基本相同的情況下, 碳纖維導線單位長度重量約為常規(guī)ACSR導線的80％左右。根據(jù)文獻[2]對照鋼芯鋁絞線標準GB1179-83，將兩種導線鋁截面基本相同的情況進行比較，結果如表2-4。

                     表2-4         鋁截面基本相同時碳纖維導線與鋼芯鋁絞線重量比較表

導線型號	鋁截面（mm2）	總截面（mm2）	單位重量（kg/km）	重量比%（ACCC/ACSR）
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	2310.0

       但是兩種導線外徑完全相同時，ACCC碳纖維導線并不一定比鋼芯鋁絞線輕，這是因為ACCC碳纖維導線鋁和碳纖維復核芯截面比例變化引起的。兩種導線外徑完全相同的情況比較結果，如表2-5。

表2-5    鋁截面基本相同時碳纖維導線與鋼芯鋁絞線重量比較表

導線型號	導線外徑（mm）	單位重量（kg/km）	重量比%（ACCC/ACSR）
LGJ-150/25	17.10	601.0	93.68
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

       電力線路上碳纖維導線設計運行溫度165℃，鋼芯鋁絞線設計運行溫度80℃。在相同的載流量時，碳纖維導線ACCC/TW比鋼芯鋁絞線ACSR溫度低、弧垂小，因此可以承載更大的電流；在相同的運行溫度時，其載流量比ACSR大^[1]。例如我院原設計的220千伏線路尊平線路改造中，比較了碳纖維導線JRLX/T-310/40和鋼芯鋁絞線2XLGJ-300/40兩種導線的載流量，結果見表2-6.

表2-6          碳纖維導線與鋼芯鋁絞線載流量比較[1][3]

溫度℃ 導線型號	60	80	100	120	140	160
JRLX/T-310/40	507	731	892	1022	1134	1235
LGJ-300/40	550	730

                             表2-6計算條件：環(huán)境溫度30℃、風速0.5m/s、輻射系數(shù)0.9、日照強度1000W/m².

         從上表可知，碳纖維導線JRLX/T-310/40和鋼芯鋁絞線LGJ-300/40截面基本相同，碳纖維導線我們擬選運行溫度160℃下的載流量，比鋼絞線允許溫度80℃時大1.69倍。

       對于現(xiàn)有老線路增容改造，只需把原線路上的鋼芯鋁絞線更換成鋁截面基本相同的碳纖維導線，即可達到增容60—100%的目的。一般老線路改造換線施工期15-20天，建設周期比新建線路大大縮短。我院原設計的220千伏線路尊平線路改造工程，線路處于市區(qū)，線路重建難度很大，原導線為LGJ-300/40,安全系數(shù)2.5，增容設計推薦將原導線更換為碳纖維導線JRLX/T-310/40，安全系數(shù)2.72，經(jīng)校驗原線路桿塔強度、導線弧垂均滿足要求，輸送容量提高61%，比導線更換為鋼芯鋁絞線2XLGJ-300/40，桿塔拆除重建方案，節(jié)約造價45%。所以碳纖維導線用于老線路增容改造的優(yōu)勢是十分明顯的。

       從2006年第一條碳纖維復合芯導線掛網(wǎng)運行以來，全國已經(jīng)有近50條110_~220kV碳纖維復合芯導線線路投入運行，積累了一定施工、運行經(jīng)驗。目前制約其推廣的一個重要原因是碳纖維復合芯依賴進口、價格比較高。隨著使用范圍的擴大，價格也會相應降低。總之碳纖維導線在老線路改造工程中的應用前景還是很好的。