随着我国电力需求的不断增长，许多电力线路面临增容的压力。线路增容最经济的办法之一是利用原有杆塔只更换导线。而利用原有杆塔的前提条件是，更换的导线荷载不能超过原有杆塔的设计条件。为此，新更换的导线一般不能采用普通的钢芯铝绞线ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced),而是采用新型的增容导线。这种新型导线一般具备这样三个特点：一是弧垂随温度的变化小；二是质量轻、外径小；三是具有输送大电流的能力。而碳纤维复合芯软铝绞线（以下简称碳纤维导线）ACCC/TW(Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal Wire)是典型的品质优良的增容导线品种之一。

       碳纤维导线ACCC/TW的结构独特，内部是一根由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的复合芯，外层由一系列呈梯形截面的软铝线绞合而成。碳纤维复核芯承担导线总的力学性能，具有强度高、密度小、膨胀系数小、耐腐蚀等特点。外层软铝具有导电率高、电阻小、自阻尼性能强的特点。碳纤维复合芯与软铝线绞制而成的导线，便具有优良的性能：导线重量轻，电阻小，表面光滑不易舞动，拉力质量比大，弧垂随温度的变化小等^[1]。因此，可作为电力部门老旧线路改造、电力增容导线使用。其结构如图1-1所示。

         外层软铝   碳纤维复核芯 

图1-1碳纤维导线结构

         目前各设计院广泛采用的钢芯铝绞线基本上仍为GB1197-83标准中的型式，该标准导线中使用的钢芯绞合后强度为1244N/mm²，而碳纤维导线ACCC/TW的复合芯抗拉强度最小值可以达到2150N/mm²，为前者的1.73倍。例如，直径9.53mm的复合芯抗拉强度达到2414N/mm²，是钢芯铝绞线中钢芯强度的1.94倍。

         根据试验，当温度达到80℃附近，碳纤维导线的线膨胀系数α和弹性模量E出现拐点，80℃及以下α=12.5～14X10^-6/℃，E=64000～68000N/mm²；在80℃以上α=1.6X10^-6/℃，E=117000N/mm²。由于碳纤维导线具有的这样的特点，因此在同样档距下弧垂随温度的变化比钢芯铝绞线要小。例如我院原设计的220千伏线路尊平线路改造工程中，比较了碳纤维导线JRLX/T-310/40和钢芯铝绞线2XLGJ-300/40两种方案，并把碳纤维导线与钢芯铝绞线档距400米下的弧垂进行了比较。计算条件及结果分别见表2-1、2-2、2-3。

表2-1            工程设计气象条件

计算条件	气温（℃）	风速（m/s）	覆冰（mm）
最高气温	+40	0	0
最低气温	-20	0	0
最大风速	-5	30	0
最大覆冰	-5	10	10
安装情况	-10	10	0
年平均气温	+15	0	0
外过电压	+15	10	0
内过电压	+15	15	0

                                          表2-2                碳纤维导线和普通钢芯铝绞线参数表

导 线 型 号	碳纤维导线JRLX/T-310/40	钢芯铝绞线LGJ-300/40
总截面 mm2	349.5	338.99
铝截面 mm2	309.5	300.09
直    径（mm）	21.78	23.94
保证计算拉断力95%AT（N）	97850	87600
弹性系数（N/mm2）	拐点前65000，拐点后117000	73000
膨胀系数（10-6 /℃）	拐点前13.0，拐点后1.6	19.6
单位重量（kg/m）	0.927	1.133
安全系数	2.5	2.5

                                   表2-3            400米档距时碳纤维导线和普通钢芯铝绞线弧垂表单位：m

温度℃ 导线型号	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米档距时温度由20℃升高到80℃，钢芯铝绞线LGJ-300/40，弧垂增大2.451米；碳纤维导线JRLX/T-310/40，弧垂增大1.955米，碳纤维导线弧垂变化量小于钢芯铝绞线。但是当温度由80℃升高到160℃，碳纤维导线JRLX/T-310/40，弧垂仅再增大0.337米。

       另外，我们通过对常用的钢芯铝绞线，如LGJ-240/30、LGJ-300/25、LGJ-300/40、LGJ-400/35、LGJ-500/45与碳纤维导线JRLX/T-218/28、JRLX/T-310/40、JRLX/T-413/52、JRLX/T-517/71、JRLX/T-600/71，在安全系数2.5、3.0，覆冰厚度10毫米、15毫米、20毫米等条件下应力弧垂特性进行了计算和分析，形成了上万个数据，并对数据进行了归纳总结，发现碳纤维导线在弧垂特性方面存在以下特点：

       1.外径、截面基本相同、安全系数和气象条件一样的条件下，温度80℃及以下时，碳纤维导线的弧垂随温度升高而产生的变化量小于钢芯铝绞线。产生这一结果的原因是，碳纤维导线设计水平张力比钢芯铝绞线大，而质量又相对轻，拉力质量比大。由弧垂公式我们知道，对于同一档距内两根导线弧垂之比 = /（m₀₁、m_02——导线质量，T_01、T₀₂导线水平拉力），由该公式不难理解这样的结果。
 

       2.拐点前（80℃及以下）碳纤维导线弧垂随温度的变化比较大，拐点后（80℃以上）碳纤维导线弧垂随温度的变化比较小。产生这一结果的原因是，在拐点处碳纤维导线弹性系数增大，线膨胀系数减小（实际上根据物体热胀冷缩的性质，导线弧垂不可能在拐点处发生突变，而是一个渐变的过程，本文理论计算时不考虑渐变）。

       碳纤维复合芯材料的密度小（1.9g/cm³），约为普通钢芯密度（7.8g/cm³）的1/4。在铝截面基本相同的情况下, 碳纤维导线单位长度重量约为常规ACSR导线的80％左右。根据文献[2]对照钢芯铝绞线标准GB1179-83，将两种导线铝截面基本相同的情况进行比较，结果如表2-4。

                     表2-4         铝截面基本相同时碳纤维导线与钢芯铝绞线重量比较表

导线型号	铝截面（mm2）	总截面（mm2）	单位重量（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

       但是两种导线外径完全相同时，ACCC碳纤维导线并不一定比钢芯铝绞线轻，这是因为ACCC碳纤维导线铝和碳纤维复核芯截面比例变化引起的。两种导线外径完全相同的情况比较结果，如表2-5。

表2-5    铝截面基本相同时碳纤维导线与钢芯铝绞线重量比较表

导线型号	导线外径（mm）	单位重量（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

       电力线路上碳纤维导线设计运行温度165℃，钢芯铝绞线设计运行温度80℃。在相同的载流量时，碳纤维导线ACCC/TW比钢芯铝绞线ACSR温度低、弧垂小，因此可以承载更大的电流；在相同的运行温度时，其载流量比ACSR大^[1]。例如我院原设计的220千伏线路尊平线路改造中，比较了碳纤维导线JRLX/T-310/40和钢芯铝绞线2XLGJ-300/40两种导线的载流量，结果见表2-6.

表2-6          碳纤维导线与钢芯铝绞线载流量比较[1][3]

温度℃ 导线型号	60	80	100	120	140	160
JRLX/T-310/40	507	731	892	1022	1134	1235
LGJ-300/40	550	730

                             表2-6计算条件：环境温度30℃、风速0.5m/s、辐射系数0.9、日照强度1000W/m².

         从上表可知，碳纤维导线JRLX/T-310/40和钢芯铝绞线LGJ-300/40截面基本相同，碳纤维导线我们拟选运行温度160℃下的载流量，比钢绞线允许温度80℃时大1.69倍。

       对于现有老线路增容改造，只需把原线路上的钢芯铝绞线更换成铝截面基本相同的碳纤维导线，即可达到增容60—100%的目的。一般老线路改造换线施工期15-20天，建设周期比新建线路大大缩短。我院原设计的220千伏线路尊平线路改造工程，线路处于市区，线路重建难度很大，原导线为LGJ-300/40,安全系数2.5，增容设计推荐将原导线更换为碳纤维导线JRLX/T-310/40，安全系数2.72，经校验原线路杆塔强度、导线弧垂均满足要求，输送容量提高61%，比导线更换为钢芯铝绞线2XLGJ-300/40，杆塔拆除重建方案，节约造价45%。所以碳纤维导线用于老线路增容改造的优势是十分明显的。

       从2006年第一条碳纤维复合芯导线挂网运行以来，全国已经有近50条110_~220kV碳纤维复合芯导线线路投入运行，积累了一定施工、运行经验。目前制约其推广的一个重要原因是碳纤维复合芯依赖进口、价格比较高。随着使用范围的扩大，价格也会相应降低。总之碳纤维导线在老线路改造工程中的应用前景还是很好的。