内蒙古包头古城220 kV变电站于1975年投运，该变电站通过220 kV线路分别连接兴胜变电站、土右变电站、沙河变电站等枢纽变电站和东华热电股份有限公司、包头铝业等重要用户，在包头地区电网中占有非常重要的地位。根据包头地区电网的发展要求，需将220 kV母线穿越功率由700 MVA增加至1000 MVA。本文对目前电网中运行导线性能及技术参数进行计算，以确定更换母线导线的方案，达到在技术方面能够满足功率要求，同时方案经济、合理的目的^[1]。

包头古城220 kV变电站220 kV配电装置侧现运行规模为3回主变压器进线间隔，11回出线间隔，1回母线联络间隔，1回旁路母线间隔，1回电压互感器避雷器间隔，共17个间隔；配电装置采用户外软母线普通中型布置方式。220 kV配电装置侧现运行的母线为LGJQ-600型双分裂导线，穿越功率为700 MVA。

在常规变电站，主母线型式主要有管型母线和软导线2种，已运行的古城220 kV变电站220 kV配电装置侧母线型式为软导线，若要不改变原母线构架，增容改造工程仍需选用软导线，需根据对导线穿越功率的要求选取能满足改造工程的导线。

根据《电力工程电气设计手册（电气一次部分）》中导线实用力学计算方法，在计算导线拉力的实用软件中^[2]输入该变电站现运行的LGJQ-600型导线技术参数，选取现运行的45 m母线跨距进行计算，得出现运行的220 kV侧构架理论最大受力值为19.73 kN。

目前电网中挂网运行的软母线最大标称截面积（铝/刚）不超过630 mm²/45 mm^2[2]。变电站中运行的软导线可分为钢芯铝绞线和耐热铝合金钢芯绞线2种类型，如采用钢芯铝绞线（LGJ-630/45型双分裂导线），按照上述计算方法，计算得出构架受力值为19.73 kN，而该型号母线的穿越功率为700 MVA，不满足穿越功率1000 MVA的要求。如选取耐热铝合金钢芯绞线（NRLH58GJ-630/45型双分裂导线），其单位长度质量、截面积、弹性系数、温度膨胀系数等影响拉力的参数与LGJ-630/45型普通钢芯铝绞线的技术参数基本一致，计算得出采用耐热铝合金钢芯绞线的最大拉力为19 kN。按照运行温度120 ℃计算，其穿越功率能满足1000 MVA的要求。LGJ-630/45 型钢芯铝绞线与NRLH58GJ-630/45 型耐热铝合金钢芯绞线的技术参数见表 1。

表 1 (Table 1)

表 1 LGJ-630/45型钢芯铝绞线、NRLH58GJ-630/45型耐热铝合金钢芯绞线以及RLX-413/52型、JRLX-380/47型碳纤维导线技术参数

表 1 LGJ-630/45型钢芯铝绞线、NRLH58GJ-630/45型耐热铝合金钢芯绞线以及RLX-413/52型、JRLX-380/47型碳纤维导线技术参数

考虑古城220 kV变电站母线构架已运行多年，结构和基础不能按照原始设计的最大受力值19.73kN进行校核，需要考虑一定的裕度，因此选用耐热铝合金钢芯绞线也不合理。

结合上述分析结果，初步确定本期改造工程选用载流量大、结构性能好、对构架拉力较小的碳纤维导线^{[3, 4]}。经过多次调研以及分析各碳纤维导线生产厂家相关资料，选取JRLX-413/52 型和JR⁃LX-380/47型2种型号导线进行比选，2种型号导线技术参数见表 1所示。根据载流量计算了2种型号导线穿越功率^[2]。JRLX-380/47型双分裂导线运行温度在160 ℃，其穿越功率为1043 MVA；JRLX-413/52型双分裂导线，运行温度在140 ℃，其穿越功率为1045 MVA。考虑导线温度上升裕度，本工程选取JRLX-413/52型双分裂碳纤维导线。

根据导线实用力学计算方法^[2]，在实用软件中输入JRLX-413/52型碳纤维导线技术参数（由于碳纤维导线运行温度为140 ℃，相应的T型线夹、耐张线夹配套金具必须满足运行在140 ℃要求，需选取相应配套金具的质量作为原始数据的计算依据进行计算），选取45 m母线跨距，计算得出导线运行在70 ℃时（由于运行温度越高碳纤维导线弧垂越大，拉力越小，因此运行在140 ℃时的拉力小于运行在70 ℃时的拉力）的拉力值。JRLX-413/52型碳纤维导线及变电站现运行LGJQ-600型双分裂导线构架受力计算结果见表 2所示。可以看出，JRLX-413/52型碳纤维导线的拉力满足小于现运行构架最大承受拉力（19.73 kN）的要求，并且留有一定的裕度。

表 2 (Table 2)

表 2 采用JRLX-413/52型双分裂碳纤维导线与LGJQ-600型双分裂导线拉力计算结果 kN

表 2 采用JRLX-413/52型双分裂碳纤维导线与LGJQ-600型双分裂导线拉力计算结果

在进行该工程母线改造选型设计过程中，必须考虑运行温度在140 ℃和70 ℃时导线的弧垂变化范围。按照碳纤维导线生产厂家提供的母线弧垂变化数据，运行温度在70~140 ℃时碳纤维导线弧垂变化范围为1900~1940 mm。

同时，还要考虑设备金具必须满足在140 ℃下的运行要求，T型金具是连接母线和设备引线的一种电力金具，与普通金具要求不同，主要是导线温度高、线径小，需要增大导线及设备线夹的接触面积，以保证散热。耐张金具用来连接母线和母线构架，可要求与碳纤维导线配套供货。但是，它的长度比普通耐张金具长，如果在变电站配电装置设计中采用分相中型布置^[2]，需要考虑隔离开关静触头的悬挂位置。本工程220 kV配电装置为普通中型布置^[2]，不需要考虑隔离开关静触头的悬挂位置。

碳纤维导线的结构分为2部分，内部为承受拉力的碳纤维芯棒，外部为导电部分的铝载体。跨母线间的联络线，即跳线，直线长度约为5 m，为了满足母线梁底部至导线带电距离1800 mm的要求^[5]，最终会形成较大的弧度，而碳纤维芯棒的柔韧性不高，容易破损。耐热铝合金钢芯导线其铝芯柔韧性较好，能满足运行温度在140 ℃时的受力要求，可作为跳线的最佳选择。

运行中的变电站由其在电网中作用的不同，母线增容可实施的改造方案可有多种选择。对于运行40多年的变电站，可以考虑拆除重建，但重建费用会远大于改造站内配电装置母线的投资，同时对电网系统以及接带用户负荷的影响较大。

若要实现母线增容的要求，如变电站能够停电，可考虑拆除并重建220 kV构架。以古城220 kV变电站为例，考虑到工程的安全性及可实施性，需要将220 kV配电装置全部拆除并重新建设，母线需更换为能够满足功率1000 MVA要求的导线。依据电网工程限额设计控制指标^[6]和该工程初步设计概算书，拆除1组母线构架及构架梁需要的费用约为2万元，新建1组构架及构架梁的费用约为10万元；拆除1组母线连接梁需要0.3万元，新建母线连接梁需要1.5万元。根据该站现运行规模，拆除及新建上述各项共需增加投资约95万元，而采用碳纤维导线进行母线增容改造投资增加约为60万元。从技术经济性方面比较，选用碳纤维导线的方案可节省投资约35万元。

另外，该变电站作为包头地区的枢纽变电站，同时连接着包头铝业、东华热电有限公司等重要用户，如220 kV配电装置停电，将影响由该站供电的220 kV及110 kV变电站及用电用户，造成不可估量的经济损失。

包头古城220 kV变电站母线增容采用碳纤维导线改造完成后，于2012年6月投产至今，变电站运行稳定。采用碳纤维导线改造方案，增大了母线的穿越功率，满足了包头地区电网改造的要求。采用该方案实施改造时影响范围小、停电时间短，改造过程安全可靠，节省了投资。

采用碳纤维导线进行变电站增容改造方案解决了运行中的老旧变电站的增容问题，相对于更换常规导线，不需要拆除原有构架及重建基础，缩短工程的建设时间，同时减少变电站的停电时间，节约费用，具有良好的经济和社会效益。本文设计方案可在其他类似工程中推广应用。