導(dǎo)線的特性及應(yīng)用

1、4碳纖維導(dǎo)線的特性及應(yīng)用韓國聚1趙功展2齊文燦12(1.平頂山電力設(shè)計院；2.平頂山供電公司；河南平頂山市，467001)摘要：主要論述了碳纖維導(dǎo)線的特性及在老線路改造工程中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：碳纖維導(dǎo)線 特性拐點ACCC/TW ACSRProperties and Applications of Aluminum Conductor Composite CoreHAN Guo-ju et al(Pingdingshan Electric Power Design Institute, Pingdingshan467001,Henan Province,China)Abstract: This p

2、aper discusses the characteristics of Aluminum Conductor Composite Core and the transformation of the old-line engineering |Keywords:Aluminum Conductor Composite Core Features Knee ACCC/TW ACSR 0引言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(jì)的辦法之一是利用原有桿塔只更換導(dǎo)線。而利用原有桿塔的前提條件是，更換的導(dǎo)線荷載不能超過 原有桿塔的設(shè)計條件。為此，新更換的導(dǎo)線一般不能采

3、用普通的鋼芯鋁絞線ACSR(AluminumConductor Steel Reinforced),而是采用新型的增容導(dǎo)線。這種新型導(dǎo)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、外徑小；三是具有輸送大電流的能力。而碳 纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(以下簡稱碳纖維導(dǎo)線)ACCC/TW(Aluminum Conductor CompositeCore/Trapezoidal Wire)是典型的品質(zhì)優(yōu)良的增容導(dǎo)線品種之一。1. 碳纖維導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)碳纖維導(dǎo)線ACCC/TW勺結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)核芯承擔(dān)導(dǎo)線

4、總的力學(xué)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(dǎo)電率高、電阻小、自阻尼性能強的特點。碳纖維復(fù)合芯與軟鋁線絞制而成的導(dǎo)線， 便具有優(yōu)良的性能：導(dǎo)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(dǎo)線使用。其結(jié)構(gòu)如圖 1-1所示。外層軟鋁碳纖維復(fù)核芯圖1-1碳纖維導(dǎo)線結(jié)構(gòu)2. 碳纖維導(dǎo)線的特性2.1. 抗拉強度高目前各設(shè)計院廣泛采用的鋼芯鋁絞線基本上仍為GB1197-83標(biāo)準(zhǔn)中的型式，該標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線中使用的鋼芯絞合后強度為1244N/mn2，而碳纖維導(dǎo)線 ACCC/TW勺復(fù)合芯抗拉強度最小值可以達(dá)到2150N

5、/mn2,為前者的1.73倍。例如，直徑9.53mm的復(fù)合芯抗拉強度達(dá)到2414N/mn2,是鋼芯鋁絞線中鋼芯強度的 1.94倍。2.2. 拐點以后弧垂隨溫度的變化量小根據(jù)試驗，當(dāng)溫度達(dá)到 80C附近，碳纖維導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)a和彈性模量E出現(xiàn)拐點，80C及以下 a =12.5 14X10-6/ C, E=6400068000N/mn2;在 80C以上 a =1.6X10-6/ C, E=117000N/m由于碳纖維導(dǎo)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(shè)計的 220千伏線路尊平線路改造工程中，比較了碳纖維導(dǎo)線JRLX/T-310/40和鋼芯鋁絞線2

6、XLGJ-300/40兩種方案，并把碳纖維導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線檔 距400米下的弧垂進(jìn)行了比較。計算條件及結(jié)果分別見表2-1、2-2、2-3。表2-1工程設(shè)計氣象條件計算條件氣溫（C）風(fēng)速(m/s)覆冰（mm最高氣溫+4000最低氣溫-2000最大風(fēng)速-5300取大覆冰-51010安裝情況-10100年平均氣溫+1500外過電壓+15100內(nèi)過電壓+15150表2-2碳纖維導(dǎo)線和普通鋼芯鋁絞線參數(shù)表導(dǎo)線型號碳纖維導(dǎo)線JRLX/T-310/40鋼芯鋁絞線LGJ-300/40驀 -Plz-e2總截回 mm349.5338.99鋁截面mm309.5300.09直 徑（mm21.7823.94保證計算拉斷

7、力 95%AT（ N）9785087600彈性系數(shù)（N/mrri）拐點前65000,拐點后11700073000膨脹系數(shù)（10-6 / C）拐點前13.0，拐點后1.619.6單位重量（kg/m）0.9271.133安全系數(shù)2.52.5表2-3400米檔距時碳纖維導(dǎo)線和普通鋼芯鋁絞線弧垂表單位：m溫度C20406080100120140160LGJ-300/4011.48612.33713.15313.937JRLX/T-310/407.9288.5909.2439.8839.96810.05310.13710.220由上表可知，400米檔距時溫度由 20C升高到80C，鋼芯鋁絞線 LGJ-3

8、00/40 ,弧垂增大2.451米；碳纖維導(dǎo)線 JRLX/T-310/40，弧垂增大1.955米，碳纖維導(dǎo)線弧垂變化量小于鋼芯鋁絞線。但是當(dāng)溫度由80C升高到160 C，碳纖維導(dǎo)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(dǎo)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

9、毫米、20 毫米等條件下應(yīng)力弧垂特性進(jìn)行了計算和分析，形成了上萬個數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)碳纖維導(dǎo)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 C及以下時，碳纖維導(dǎo)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(jié)果的原因是，碳纖維導(dǎo)線設(shè)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(dǎo)線弧垂之比f1 =切01 /叫2 （m°1、m°2一導(dǎo)線質(zhì)量，T01、T°2f2 T01 T02導(dǎo)線水平拉力），由該公式不難理解這樣的結(jié)果。2. 拐點前（80C及以下

10、）碳纖維導(dǎo)線弧垂隨溫度的變化比較大，拐點后（80 C以上）碳纖維導(dǎo)線弧垂隨溫度的變化比較小。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是，在拐點處碳纖維導(dǎo)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(dǎo)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）。2.3. 重量輕碳纖維復(fù)合芯材料的密度?。?.9g/cm3），約為普通鋼芯密度（7.8g/cm 3）的1/4。在鋁 截面基本相同的情況下，碳纖維導(dǎo)線單位長度重量約為常規(guī)ACS母線的80%左右。根據(jù)文獻(xiàn)2對照鋼芯鋁絞線標(biāo)準(zhǔn) GB1179-83,將兩種導(dǎo)線鋁截面基本相同的情況進(jìn)行比較，結(jié) 果如表2-4。表2-4鋁截面基本相同時碳纖

11、維導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線重量比較表導(dǎo)線型號鋁截面（mnj）總截面（mm）單位重量（kg/km ）重量比 % ACCC/ACSRLGJ-150/25148.86173.11601.077.54JRLX/T-150/28150.00178.00466.0LGJ-185/25187.04211.29706.179.73JRLX/T-185/28185.00213.00563.0LGJ-240/30244.29275.96922.275.92JRLX/T-240/28240.00268.00700.0LGJ-800/55814.3870.602690.085.87JRLX/T-800/60796.40856

12、.702310.0但是兩種導(dǎo)線外徑完全相同時，ACC碳纖維導(dǎo)線并不一定比鋼芯鋁絞線輕，這是因為ACC®纖維導(dǎo)線鋁和碳纖維復(fù)核芯截面比例變化引起的。兩種導(dǎo)線外徑完全相同的情況比 較結(jié)果，如表2-5 。表2-5鋁截面基本相同時碳纖維導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線重量比較表導(dǎo)線型號導(dǎo)線外徑（mm單位重量（kg/km ）重量比 (ACCC/ACSRLGJ-150/2517.10601.093.68JRLX/T-185/28563LGJ-210/1019.00650.70107.58JRLX/T-240/28700.00LGJ-300/1523.00939.8108.32JRLX/T-350/4010182

13、.4. 允許工作溫度局、載流量大電力線路上碳纖維導(dǎo)線設(shè)計運行溫度165 C ,鋼芯鋁絞線設(shè)計運行溫度80 C。在相同的載流量時，碳纖維導(dǎo)線 ACCC/TW匕鋼芯鋁絞線 ACSFB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ACSM1。例如我院原設(shè)計的220千伏線路尊平線路改造中，比較了碳纖維導(dǎo)線JRLX/T-310/40和鋼芯鋁絞線2XLGJ-300/40兩種導(dǎo)線的載流量，結(jié)果見表2-6.表2-6碳纖維導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線載流量比較13溫度C導(dǎo)線型號f f6080100120140160JRLX/T-310/40507731892102211341235LGJ-300/4

14、0550730表2-6計算條件：環(huán)境溫度 30 C、風(fēng)速0.5m/s、輻射系數(shù)0.9、日照強度1000W/nm.從上表可知，碳纖維導(dǎo)線JRLX/T-310/40和鋼芯鋁絞線LGJ-300/40截面基本相同，碳纖維導(dǎo)線我們擬選運行溫度160C下的載流量，比鋼絞線允許溫度80C時大1.69倍。3. 工程應(yīng)用對于現(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(dǎo)線，即可達(dá)到增容 60-100%勺目的。一般老線路改造換線施工期15-20天,建設(shè)周期比新建線路大大縮短。我院原設(shè)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(dǎo)線為LGJ-300/40,安全系數(shù)2.5 ,增容設(shè)計推薦將原導(dǎo)線更換為碳纖維導(dǎo)線JRLX/T-310/40，安全系數(shù)2.72 ,經(jīng)校驗原線路桿塔強度、導(dǎo)線弧垂均滿足要求，輸送容量提高61%比導(dǎo)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(dǎo)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(fù)合芯導(dǎo)線掛網(wǎng)運行以來，全國已經(jīng)有近50條110220kV碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)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(fù)合芯依賴進(jìn)口