11--铝基陶瓷纤维芯导线现场试验 --马庆强

铝基陶瓷纤维芯导线现场试验新型架空输电线技术与应用研讨会3M中国有限公司研发中心马庆强广东·清远二0一0年十月新型架空输电线技术与应用研讨会内容提要引言1试验线路和装置2导线温度和载流量测试3张力弧垂测试4结束语5新型架空输电线技术与应用研讨会一、引言铝基陶瓷纤维芯铝绞线(ACCR)是一种新型倍容架空导线，它充分发挥了复合材料的特长，具有良好的耐热性能及较低的线胀系数，在输送更多电能的同时，具有较低的弧垂。当使用ACCR导线对原有线路进行改造时，相比于同截面的钢芯铝绞线，可实现载流量2~3倍的大幅提升，并且可沿用原有线路的杆塔和基础，不需要增建杆塔，从而节省了土地等资源成本，是一种对环境几乎没有任何影响的低碳解决方案。ACCR导线的结构看上去与钢芯铝绞线(ACSR)基本相同，但其外层绞线和内层芯线的材料都与ACSR不一样。ACCR导线的内层芯线是由数万根极细的高强度陶瓷纤维沿着与导线相同的方向嵌入到高纯度铝中复合而成。同时，外层的绞线是由添加了微量锆金属元素的高强度、高耐热的硬铝合金线绞制而成，如图1所示。外层的铝锆合金绞线和内层的复合芯线同时承担着导线的整体机械性能和导电特性。为了验证导线在大载荷下的各种性能，在美国已经运行的一条ACCR线路上，对大载荷下导线的温度、张力、弧垂等性能进行了测试。新型架空输电线技术与应用研讨会陶瓷复合芯铝锆合金绞线图1ACCR导线的结构新型架空输电线技术与应用研讨会二、试验线路和装置美国亚利桑那州盐水河线路在2004年使用ACCR导线进行改造并运行。此导线用在SANTAN燃气电厂的出线端，把电量输送到69kV的输配电系统。使用ACCR795(400mm2)替换了同截面的钢芯铝绞线(ACSR)，ACCR导线参数见表1。其连续输送容量为1653A，应急输送容量达到了1778A。由于此输电载荷较大，导线温度变化幅度也相应增大，是较理想的现场试验场所。本试验包括两个耐张塔和一个直线塔，长度为150m。安装使用了两种类型的金具：压接式耐张线夹和预绞丝式悬垂线夹，型号分别为B9178-B和TLS-0108-SE。监测系统安装在其中的一个耐张塔上，型号为CAT-1，用来测量导线的张力和气象条件（日照强度、温度、风速、风向），测试间隔设为5分钟，其中的一个45kN的测力传感器用来测量导线的机械张力。输送电流的测量间隔设为15分钟。新型架空输电线技术与应用研讨会表1ACCR795导线技术参数表参数名称参数值结构/（铝/芯）26/19直径/mm28.1总截面/mm2467重量/（kg/m）1333抗拉强度/KN138.5弹性模量/GPa74线膨胀系数/（10-6/℃）16.3额定电流（0.6m/s风速,40℃）/A1780新型架空输电线技术与应用研讨会三、导线温度和载流量测试在近两年的测试中，导线的最大输送电流为1330A，达到了额定输送电流的80%。导线的温度在140℃-143℃范围之间（根据IEEE-738标准计算）。图2显示了从2005年11月至2006年3月测试的数据，电流从0至1300A，共200个循环。图2200个循环的测试电流新型架空输电线技术与应用研讨会在线路的运行过程中，风速对导线的表面温度影响较大。为了验证风速与导线温度的关系，在导线输送电流为1000A至1300A的情况下，对导线温度和风速进行了测试。图3是风速和导线温度的关系。试验的环境条件为：辐射系数：0.8，吸收系数0.5，日照时间：12h，导线方向：南北，海拔高度：350m。可以看出，在输送容量相同的情况下，由于风速的影响，导线运行的温度范围在40℃至150℃之间。图3风速和导线温度关系（载流量为1000～1300A）新型架空输电线技术与应用研讨会虽然本线路设计的额定输送电流为1653A，但实际输送的电流根据负荷使用情况的不同而有所区别，图4为至2006年3月底，电流与输送时间曲线的实测值。图4电流与输送时间曲线新型架空输电线技术与应用研讨会四、张力弧垂测试考虑到原有杆塔的承受力，导线的初始张力不大于导线拉断力的10%。图5为实测的弧垂值与理论计算的弧垂曲线比较。测试时风速为0～10.9英尺/秒，平均风速为3.7英尺/秒。可以看出，实测的弧垂值均在计算值的范围内。图5实测弧垂与理论计算弧垂曲线对比（1英寸=25.4mm，1英尺=304.8mm）新型架空输电线技术与应用研讨会2004年实际运行的电流均未超过800A，在此输送容量下对导线的张力和温度进行了测试。结果表明，测试的张力和温度的关系与理论计算值基本一致，见图6。短划线(Calc-Mar)没有进行修正，另外两条曲线(TERM.01和TERM.03)已经考虑到金具的重量以及杆塔的偏离和导线的扭转带来张力的变化而进行了修正。图6张力和温度测试值与理论值对比（1磅=4.4482N）新型架空输电线技术与应用研讨会由于刚安装好的导线还没有发生蠕变，导致2004年2月份测试的张力比计算值稍微偏大。再加上导线的扭转和杆塔水平方向约12mm的位移，以至于图6的测试结果与计算值不是完全吻合。从2005年2月，输送电流提高至1300A。图7为2005至2006年测试的导线张力和温度曲线，其中TERM.01和TERM.03是考虑到金具和铝绞线的压应力而经过修正的曲线。在温度较高的一端，测试值稍有分散，是因为风速的测试装置只设置在杆塔的一端，没有使用每个循环风速的平均值。单点的测试值不能代表导线在整个档距的气象条件真实情况，而且也没有考虑到导线对风速变化的迅速响应程度。图7表明，测试值与理论计算值基本相同。如在风速为0.6英尺/秒的情况下，输送电流在1227A，导线温度为124℃。当风速提高到9英尺/秒的时候，导线温度降为46℃。其测量的张力分别为1454磅和673磅。2006年1月的测试值与之前的测试值基本相同是因为导线的输送容量一直稳定在额定输送容量的80%左右。新型架空输电线技术与应用研讨会图72005～2006年导线张力和温度曲线（1磅=4.4484N）新型架空输电线技术与应用研讨会五、结束语本试验线路的实际输送最大电流为1330A，现场最大风速为40英尺/秒。现场试验结果表明，测试的电流、张力和弧垂数据与理论计算的基本一致，导线在输送容量为1300A时，其最大温度达到140℃，且弧垂未超过设计的限值。至目前为止，ACCR795导线在盐水河线路上已稳定运行了6年多，达到了预期增容的需求，现场试验数据更加坚定了应用这种新型导线的信心。新型架空输电线技术与应用研讨会