輸電線路用低弧垂碳纖維芯鋁絞線的發(fā)展

1、CIgre21, rue dArtois, F-75008 Paris HYPERLINK 22-2032002全集CIGRE版權(quán)所有22-203輸電線路用低弧垂碳纖維芯鋁絞線（ACFR ）的發(fā)展佐藤文博東北電力株式會(huì)社：日本宮城縣仙臺(tái)市青葉區(qū)3 丁目一番町7-1東北電力株式會(huì)社：日本宮城縣仙臺(tái)市青葉區(qū)3 丁目一番町7-1號(hào)東北電力株式會(huì)社昭和電線和電纜公司（日本）1.摘要在電力市場(chǎng)中，非常重視對(duì)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和對(duì)設(shè)備剩余使用壽命的評(píng)估。在自由化的 競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中，有效使用現(xiàn)有設(shè)備非常重要。根據(jù)我們過去的經(jīng)驗(yàn)，很明顯高架輸電線路元件的使用壽命并非僅僅取決于降級(jí)的機(jī)械性 能，由于各種運(yùn)行限制（例如

2、：傳輸熱容量的不足以及其他制約因素等,）盡管現(xiàn)有設(shè)備性能良 好，仍要經(jīng)常需要更換。對(duì)于高架輸電線路設(shè)施來說，有關(guān)線路支撐結(jié)構(gòu)的成本要比導(dǎo)線的成本高得多。如果在不 用新建或更改現(xiàn)有支撐結(jié)構(gòu)的情況下，就能夠解決輸電線路上輸電熱容量增加以及導(dǎo)線離地高 度不足等問題，就可以在高效使用現(xiàn)有資產(chǎn)的同時(shí)，減少各種運(yùn)行限制了。正因如此，我們將焦點(diǎn)集中到了非磁性高抗腐碳纖維上。與鋼芯相比，碳纖維具有重量輕、 高溫下延伸率小，而且拉力更為充分等優(yōu)勢(shì)。我們研制開發(fā)出了低弧垂碳纖維芯鋁絞線（ACFR）， 該絞線采用由碳纖維和基體樹脂（改性環(huán)氧樹脂或雙馬來酸樹月&）組成的復(fù)合電纜。關(guān)鍵詞：傳輸線路-低弧垂-熱膨脹系數(shù)-

3、彈性系數(shù)-鋼芯鋁絞線（ACSR）-碳纖維芯鋁 絞線（ACFR）-碳纖維復(fù)合電纜（CFCC）2.概述碳纖維芯鋁絞線（ACFR）是一新型低弧垂導(dǎo)線，采用了由碳纖維和樹脂組成的復(fù)合電纜 （CFCC）。與傳統(tǒng)鍍鋅鋼絞線相比，碳纖維具有重量輕、高溫下延伸率小的明顯優(yōu)勢(shì)。3. CFCCCFCC主要由碳纖維（絲）和基體樹脂組成。制造流程如下2:首先，將直徑為7M m的12000根單絲綁扎成一束，將熱固樹脂（改性環(huán)氧樹脂或雙馬來 酸樹脂）滲入到線束中，然后再用有機(jī)纖維蓋在表面上來制備條狀材料，這樣就制成了 ACSR線芯的股線，其外徑與鋼股相同。另外，一定數(shù)量的線股絞合在一起，再將樹脂熱固，就形成 了 CFCC

4、導(dǎo)線芯。表1和表2列出了碳纖維和基體樹脂的基本物理性質(zhì)，表 3則對(duì)CFCC和鋁橫截面積為 160mm2的導(dǎo)線鋼絞線進(jìn)行了對(duì)比。與傳統(tǒng) ACSR160mm2鋼芯絞線相比，CFCC的重量只有其 1/5左右，熱膨脹系數(shù)只有1/12左右，拉伸強(qiáng)度基本相同。表1碳纖維的基本物理性質(zhì)項(xiàng)目基本物理性質(zhì)原材料PAN碳纖維拉伸強(qiáng)度（N/mm2）3,630彈性系數(shù)（N/mm2）235,000斷裂延展率（%）1.5表2樹脂的基本物理性質(zhì)項(xiàng)目基本物理性質(zhì)耐熱級(jí)別普通耐熱樹脂改性環(huán)氧樹脂樹脂拉伸強(qiáng)度（N/mm2）88拉伸強(qiáng)度（N/mm2）彈性系數(shù)（N/mm2）3,500彈性系數(shù)（N/mm2）斷裂延展率（%）4.2斷裂延

5、展率（%）表3 CFCC和鋼絞線（160mm2）的特性對(duì)比項(xiàng)目特性類型CFCC鋼芯絞線耐熱級(jí)別普通耐熱-絞線股數(shù)（數(shù)量/mm）7/2.67/2.6計(jì)算的橫截面積（mm2）37.1637.16外徑（mm）7.87.8重量（kg/km）61.0291.3拉伸負(fù)荷（kN）5744彈性系數(shù)（N/mm2）137,000206,000熱膨脹系數(shù)（X 106/C）1.011.54. ACFR結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線特性在傳統(tǒng)ACSR中，可采用鋼絞線來增加拉伸強(qiáng)度，在芯周圍布置鋁線。 ACFR用重量輕熱 膨脹系數(shù)小的CFCC來代替鋼絞線。用ACFR在現(xiàn)有輸電線路中重新布線，我們可以把 ACFR 的結(jié)構(gòu)和外徑制作的與各種尺寸

6、的傳統(tǒng) ACSR相同。因此我們研制開發(fā)了兩類導(dǎo)線：（1）是在 CFCC周圍采用硬鋁導(dǎo)體（HAL）的普通型ACFR，其持續(xù)耐熱溫度為90C； （2）是耐熱型鋁 合金線（TAL），其持續(xù)耐熱溫度為150C。兩類導(dǎo)線的區(qū)別在于基體樹脂的耐熱級(jí)別不同。（T） ACFR 160mm2 的外觀如圖 1 所示，（T）ACFR 160mm 2和（T）ACSR 160mm 2 的導(dǎo)體特性 比較如表4所示。雖然（T）ACFR的外徑與（T）ACSR的相同，但與（T）ACSR相比，（T）ACFR的重 量則減少了 30%左右，熱膨脹系數(shù)只有高溫工作區(qū)的1/12，在高溫工作區(qū)弧垂將是主要問題。 這就導(dǎo)致了壓縮型導(dǎo)線弧垂問

7、題。就電流負(fù)荷量而言，（T） ACFR的鋁橫截面積與（T）ACSR相 同，因此兩類導(dǎo)體的容許電流負(fù)荷量也相同。表4. (T)ACFR 160mm 2和(T)ACSR 160mm 2的導(dǎo)體特性的對(duì)比項(xiàng)目特性導(dǎo)線ACFRACSRT ACFRT ACSR標(biāo)稱橫截面積160160160160工作溫度(C)持續(xù)9090150150短時(shí)120120180180股數(shù)(股/mm)鋁30/2.630/2.630/2.630/2.6心1/7.87/2.61/7.87/2.6直流電阻(20C) ( Q/km)0.1820.1820.1850.185持續(xù)電流負(fù)荷量(A)454454705705計(jì)算的橫截面積(mm2)

8、196.5196.5196.5196.5外徑(mm)18.2重量(kg/km )502.5732.8502.5732.8拉伸負(fù)荷(kN)68.968.468.968.4彈性系數(shù)(N/ mm2)過渡溫度或之 下76,00089,10076,00089,100過渡溫度之上137,000206,000137,000206,000熱膨脹系數(shù)(X 106/C)過渡溫度或之 下15.518.015.518.0過渡溫度之上1.011.51.011.5橫截面(T) ACSR(T) ACFR蜘鋁*5. ACFR的弧垂和溫度特性圖2表示的是當(dāng)導(dǎo)線在跨度為300米布線時(shí)(T)ACFR 160mm2和(T)ACSR

9、160mm2的弧垂/ 溫度特性的對(duì)比。當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)型導(dǎo)線可耐受的持續(xù)溫度90C時(shí)的弧垂比較時(shí)，ACSR的弧垂為11.3 米，而ACRF的弧垂則為9.3m。因此，ACFR可降低弧垂約2米。當(dāng)與耐熱型導(dǎo)線可耐受的持 續(xù)溫度150C時(shí)的弧垂比較時(shí)，TACSR的弧垂為12.3米，而TACFR的弧垂為9.4米，因此TACFR 的弧垂可降低約2.9米。，垂弧)，垂弧)J印-C】ISO2C3A comparison of the sag/temperature characteristics 度(C)(T)ACFR 160 mm2圖2 (T)ACFR 160mm 2和(T)ACSR 160mm 2的弧垂/溫度特

10、性的比較and (T)ACSR 160 mm2各種性能試驗(yàn)結(jié)果我們進(jìn)行了各項(xiàng)性能評(píng)估試驗(yàn)，包括拉伸負(fù)荷（在環(huán)境溫度、低溫條件、熱循環(huán)/熱運(yùn)轉(zhuǎn)后）、 弧垂/溫度特性、微風(fēng)振動(dòng)、冰凌的混線現(xiàn)象、耐腐蝕性、架線車通過以及長(zhǎng)時(shí)間加熱等等。試 驗(yàn)結(jié)果令人滿意。下面將介紹拉伸特性、電弧電阻特性、耐腐蝕性和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的情況。6.1拉伸特性在常溫測(cè)量應(yīng)力/伸展特性時(shí)，電纜斷裂時(shí)的伸展率為1.6%，小于鋼芯電纜的伸展率。彈 性體的特性很明顯，在斷裂前未觀察到塑性變形現(xiàn)象。6.2抗電弧性為了了解ACFR的抗電弧特性，可在與ACSR試驗(yàn)同樣的條件下進(jìn)行電弧試驗(yàn)，在這項(xiàng)試 驗(yàn)中，首先確定從通電開始到電纜斷裂的預(yù)放電時(shí)間

11、，然后再評(píng)估抗電弧特性。ACFR的預(yù)放電時(shí)間比ACSR長(zhǎng)大約2.4倍。接下來在假設(shè)電弧損壞電纜的情況下再進(jìn)行一次試驗(yàn)。在這項(xiàng)試驗(yàn)中，向電纜施加中小級(jí) 電弧電流，然后檢測(cè)ACFR和ACSR在被損壞方面存在什么差別。因此，鋼絞線和復(fù)合絞線在 鋁線中的熔解損壞或剩余強(qiáng)度方面沒有什么區(qū)別，并且對(duì)于可引起熔解損壞的電弧方面，ACFR 的性能等同于ACSR。因此，可以得出結(jié)論ACFR的抗電弧性等同于或好于ACSR。6.3抗腐蝕性與碳纖維復(fù)合電纜接觸的內(nèi)層鋁線的腐蝕是一個(gè)需要面對(duì)的問題。我們用鹽霧試驗(yàn)和 SO2 試驗(yàn)來檢測(cè)ACFR的耐腐蝕性。在ACSR中，與鋼芯接觸的內(nèi)層鋁線的強(qiáng)度會(huì)降低，但在ACFR 中根

12、本沒有檢測(cè)到強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。另外，假設(shè)因復(fù)合電纜損壞而導(dǎo)致碳纖維曝露在外，我們?cè)賮頇z測(cè)碳纖維和鋁線之間接觸 而導(dǎo)致的腐蝕情況。與在ACSR中鋁線和鋼線的接觸相比，我們發(fā)現(xiàn)損壞的情況微乎其微，不 存在任何問題。6.4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)將CFCC芯導(dǎo)線架在實(shí)際鋼塔上進(jìn)行試驗(yàn)，來驗(yàn)證在自然環(huán)境中的拉伸強(qiáng)度變化情況、積 冰/雪情況以及與導(dǎo)線附件兼容性情況。為進(jìn)行碳纖維復(fù)合電纜的驗(yàn)證試驗(yàn)，ACFR和TACFR在嚴(yán)峻的氣象條件（在本州最北邊附 近，大約北緯410東經(jīng)1410）下架線，用兩年的時(shí)間進(jìn)行觀察。架線條件如表 5所示，在現(xiàn)場(chǎng) 試驗(yàn)期間的氣象條件和拉伸強(qiáng)度如表6所示，而試驗(yàn)后電纜的特性如表7所示。為碳纖維復(fù)合

13、 電纜新研制的壓縮型空接線柱在試驗(yàn)中用作空接線柱。在架線的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，我們沒有觀察到碳纖維芯導(dǎo)線上因異常積雪/冰現(xiàn)象導(dǎo)致的波動(dòng) 以及震動(dòng)和過度蠕變延伸現(xiàn)象。另外，根據(jù)試驗(yàn)后的特性檢驗(yàn)結(jié)果，我們證實(shí)了電纜的性能在 試驗(yàn)前后并沒有發(fā)生明顯變化。表5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的架線條件導(dǎo)線ACFR160mm2TACFR160mm2跨度（m）297282最大工作拉力（kN）25.525.5附件雙扭力阻尼器雙扭力阻尼器，防雪環(huán)，平衡錘表6現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)的氣象條件和拉伸強(qiáng)度項(xiàng)目觀察結(jié)果溫度最大（C）33.0最?。–）-13.1風(fēng)速最大陣風(fēng)（m/s）最大32.910分鐘平均風(fēng)速（m/s）最大20.3導(dǎo)線拉力最大（kN）ACF

14、R: 11.2、TACFR： 14.1最?。╧N）ACFR: 6.1、TACFR: 6.3表7現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后的性能發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目ACFRTACFR導(dǎo)線外觀無異常無異常附件的斷裂部分無異常無異?？战泳€柱內(nèi)部無異常無異常鋁導(dǎo)線的剩余強(qiáng)度*198.2%100.3%復(fù)合電纜的剩余強(qiáng)度104.7%103.5%*1剩余強(qiáng)度：是指在架線前與拉伸負(fù)荷之比?？梢钥闯鍪Ｓ鄰?qiáng)度的測(cè)量是分散在試驗(yàn)的精度限 值之內(nèi)的。項(xiàng)目 導(dǎo)線、尺寸(mm)LAFE D dNTACFR160mm26914259548201840圖3壓縮型空接線柱配件和附件由于相對(duì)于鋼芯導(dǎo)線來說，復(fù)合電纜的抗壓載力的能力要弱一些，因此不能使用對(duì)鋼芯部分壓緊的附件

15、，如傳統(tǒng)的空接線柱或 ACSR中使用的聯(lián)合連接套管。7.1空接線柱當(dāng)同時(shí)壓縮復(fù)合電纜和鋁線時(shí)要采用一個(gè)一體化的設(shè)計(jì)作為套管，以便降低對(duì)復(fù)合電纜的 壓縮/擠壓力。該套管的全長(zhǎng)比 ACSR大270mm(691mm-421mm : ACFR-ACSR)，這就確保了 電流密度及抓力。圖3給出了 ACFR壓縮型空接線柱的一個(gè)例子。直線式聯(lián)合連接套管的設(shè)計(jì) 也遵循同樣的原則。7.2減振器我們?cè)贏CFR上附加了一個(gè)ACSR的減振器，進(jìn)行一項(xiàng)受迫震動(dòng)試驗(yàn)來確認(rèn)附有減振器部 分的導(dǎo)線強(qiáng)度，經(jīng)驗(yàn)證并未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。但是，ACFR本身的震動(dòng)吸能小于ACSR，因此必 須要分別考慮需安裝的減振器數(shù)量。表8 CFCC的架

16、線條件項(xiàng)目條件架線拉力最大20%UTS架線塊直徑600mm 接線角最大300接線塊通過數(shù)量最大20表9當(dāng)安裝ACSR線夾保護(hù)裝置時(shí)的架線條件項(xiàng)目條件架線拉力最大20%UTS架線塊直徑450mm 接線角最大600接線塊通過數(shù)量最大207.3其它附件可以使用ACSR懸掛線夾和鎧裝桿。施工過程中的注意事項(xiàng)8.1施工方法當(dāng)采用傳統(tǒng)導(dǎo)線架設(shè)方法時(shí)，考慮到線夾末端的導(dǎo)線會(huì)發(fā)生彎曲，因此必須要滿足表 8中 列出的架線條件。另外，ACFR的架線夾是一個(gè)壓縮型結(jié)構(gòu)，與空接線柱一樣，比 ACSR的線 夾要稍微大一點(diǎn)。當(dāng)接線角超過300時(shí)，有可能要采用表9中列出的架線條件，ACSR上帶有 一個(gè)保護(hù)裝置(圖4)。這些

17、條件與傳統(tǒng)使用過程中的條件相同。主要部如n螺紋部分實(shí)心銷pin! / 下水道drain后 中 L F前！段 段段ce一-Mil圖4線夾保護(hù)裝置(ACFR 160mm 2)8.2工具還可以使用ACSR上使用的普通緊線夾?；〈估υO(shè)計(jì)因?yàn)镃FCC芯導(dǎo)線配置有一根熱膨脹系數(shù)很小的復(fù)合電纜，作為加強(qiáng)芯，所以拉力可用該 復(fù)合電纜溫度超過過渡點(diǎn)時(shí)的熱膨脹系數(shù)和彈性系數(shù)來計(jì)算，在這種情況下，鋁線部分分擔(dān)的 應(yīng)力為零。成本比較表10是一個(gè)在將現(xiàn)有輸電線路（66kV、2cct、線長(zhǎng)：10km、ACSR 160 mm2）的載流量從 454A提高到705A時(shí)的成本對(duì)比實(shí)例。進(jìn)行比較的兩種方法分別是（1）通過重建傳統(tǒng)

18、鋼架來 提高導(dǎo)線的大??；（2）用本研究中開發(fā)的TACFR重新架線。在本表中，對(duì)傳統(tǒng)重建法與新開發(fā)的 ACFR電纜重新架設(shè)法的施工成本進(jìn)行了比較。傳統(tǒng) 方法的總成本設(shè)定為1.00。（A）列表示的是每一項(xiàng)與傳統(tǒng)方法總成本的比值。（B）列表示的是 新方法的每一項(xiàng)的成本比值。右邊（C）列則是兩種方法的成本比（B/A:倍數(shù)）。比較結(jié)果顯示，新導(dǎo)線的架設(shè)成本比傳統(tǒng)導(dǎo)線高 1.6倍，但是，由于支撐結(jié)構(gòu)的施工成本 大幅下降，因此與傳統(tǒng)方法相比，新方法的總成本整體可以降低到48%。表10成本比較（66kV、2cct、線長(zhǎng)：10km）項(xiàng)目（A）項(xiàng)目成本與傳統(tǒng) 法總成本之比（B ）新方法(C)B/A(倍數(shù))支撐結(jié)構(gòu)的施工 成本0.700.000.00-材料0.090.000.00-合同工程0.610.000.00導(dǎo)線的架設(shè)成本0.300.481.60-材料0.070.294.14-合同工程3總成本1.000.480.4811.結(jié)論在本研究中研制的ACFR具備以下特征：11.1兩種類型的導(dǎo)線一