《碳纤维复合芯导线的应用研究》报告

《碳纤维复合芯导线的应用研究》报告1项目概述和技术原理1.1项目背景针对目前电网中部分输电线路输送能力不足、部分老旧线路技术改造困难的情况下，为有效利用目前电网的输电线路，考虑应用新型碳纤维复合芯导线，提高电网的输送能力。1.2国内外技术现状我国是个缺电的国家，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”，各国均在研究新型架空输电路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线。目前世界上只有美国、日本、韩国开发出新型殷钢芯倍容量导线和新型合成导线，国内的产品研制和应用开始起步。碳纤维合成芯导线在国外的应用不长，美国CTC公司生产的ACCC碳纤维合成导线于2004年8月开始试用和运行，国内运行经验还较少。1.3项目主要研究内容结合常州电网现状，分析一些老线路的公司技改、基建和业扩工程，选择在现有导线截面小且需增容的线路上试用新型碳纤维合成芯导线，在不改变现有路径、通道的情况下，既要大幅度提高线路输送容量，又要确保线路的安全运行。同时进行相关经济比较，用较少的投资取得理想的效益。从节能、降低成本、增加输送容量、提高电网安全运行等方面综合看，推广应用具有很大的经济和社会效益。有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。1.4项目技术原理碳纤维复合芯导线(ACCC)，采用高性能碳纤维复合材料作为导线芯材，具有强度高、重量轻、膨胀系数小、耐腐蚀和耐高温等特点。(1)强度高。用碳纤维复合芯替代传统的钢芯，抗拉强度是一般钢丝的1.9倍，允许提高杆塔间的跨距，以降低工程成本。(2)线膨胀系数小，弧垂小。复合材料芯线膨胀系数仅为钢芯的1/8。在相同的实验条件下，随着温度的上升，导线弧垂变化量仅为常规钢芯铝绞线的9.6%，高温下弧垂增量不到钢芯铝绞线的1/10，减少架空线交跨距离。(3)重量轻。复合材料芯比重为传统钢芯的1/4，ACCC导线单位长度重量约为常规钢芯铝绞线的60～80%，自重的减轻可使导线荷载减少约25%。重量轻和低弧垂的特性可以降低杆塔高度，减轻铁塔结构强度要求，节省线路综合造价。(4)导电率高，载流量大，运行温度高。ACCC导线的合成碳纤维芯是非铁磁性材料，不存在磁损和涡流损耗。与钢芯铝绞线相比，在相同外径时，复合芯铝绞线允许缠绕超过28%截面积的铝线。ACCC导线外层采用导电率不小于63%IACS的铝线，铝导体为耐高温退火铝，200℃下能有效运行，常规钢芯铝绞线使用温度极限最大100℃。由于铝截面增大和提高导线工作温度，导线的综合载流量理论上可提高至2倍。图1.4.4ACCC导线与钢芯铝绞线的断面比较图(5)耐腐蚀性能好。ACCC导线的复合芯由玻璃纤维绝缘材料制成，具有较高的耐腐蚀性能，与铝线之间接触也不存在电腐蚀问题，可以解决长期运行中的腐蚀问题。1.5项目研究目标应用新型合成导线，能够利用现有杆塔等设施，成倍地大幅度提高传输容量，减少传输中电力的损耗，同时可以减少土地资源、有色金属资源等消耗。为研究其特性，积累使用和运行经验，本项目开展碳纤维合成芯导线的应用和研究。2研究方法和技术方案2.1项目研究方法对常州电网中部分输送能力不足、改造困难的线路，应用碳纤维复合芯导线。选择在现有导线截面小且需增容的线路上试用碳纤维合成芯导线，在不改变现有路径、通道的情况下，既要大幅度提高线路输送容量，又要确保线路的安全运行。同时进行相关经济比较，用较少的投资取得理想的效益。项目的研究拟通过以下几个方面来开展：(1)研究导线的机械力学特性，重新校核线路平断面，保证安全距离;(2)研究导线的载流特性，确定线路的最大允许工作电流，核算线路在电网各种特殊运行方式下的过负荷能力;(3)分析导线的弧垂与温度、应力、代表档距的对应变化关系;(4)导线架线施工和安装的特殊工艺;(5)研究各种特殊金具的配置;(6)进行带负荷运行调试，分析线路运行特殊要求;(7)进行相关经济比较。2.2项目应用实施方案根据电网规划及运行情况，选定现有导线截面小且需增容的线路之一“110kV常白线”上试用，在不改变现有路径通道、不对杆塔进行改造的情况下，更换为ACCC碳纤维复合芯导线。常白线上现状接2个110kV变电所，分别是：110kV采菱变，2x50MVA主变;110kV工业园变，2x50MVA主变。另原先还接有110kV湖塘变(2x40MVA)，因输送容量不足，现已临时断开。图2.2改造前110kV常白线接线图原LGJ-185导线只能满足带一个变电所2台主变的要求，遇故障或检修，带3台50MVA主变，需输送787A，LGJ-185导线就已不能承担。导线输送容量的限制给电网运行方式的灵活调整带来困难。主线段线路已运行有20多年，通道复杂，线下房屋密集，原通道改造(换塔换大导线)很困难。该现状很适合应用碳纤维复合芯导线。原线路导线均为LGJ-185。按最高允许温度+70℃、基准环境温度+25℃时，长期允许载流量510A，按照常州地区最高环境温度+40℃校正后为435A，允许输送容量为82900kW。表2.2.1现状线路输送容量表2.2.2改造后拟达到输送容量增容改造实施：将常州变出线前段架空线的主线原LGJ-185导线更换为ACCC导线，长度1.8km。2.3项目实施成果1、完成110kV常白线更换ACCC导线的设计和安装;2、对所选的ACCC导线进行各项机械和电气性能试验;3、进行线路运行加负荷调试试验;4、开展ACCC导线耐高温、大载流量、低弧垂等方面性能的研究。3项目研究和实施过程3.1线路前期设计阶段3.1.1收集碳纤维复合芯导线的技术资料，研究其机械特性、电气特性。部分规格的导线已由上海电缆研究所进行了试验，现有资料的部分参数参考美国CTC公司提供的数据。本项目选定型号的ACCC/TW导线另外进行多项机械及电气性能试验。3.1.2结合原线路资料，重新测定线路平断面，掌握交叉跨越情况。110kV常白线主线段从220kV常州变～常白线采菱支接塔，长度1.8公里，杆塔均为双回路(与110kV遥常线同杆架设)，10基杆塔，为钢管杆和铁塔混合线路。全线平均档距210米，最大档距289米。设计时，全线重新测量了平断面，详细掌握各类交叉跨越情况。线路经过地区现为城区，下面房屋较多，交跨复杂，线路交叉跨越建筑物、电力线、通信线、城市道路等共42次。3.1.3确定导线的型式截面、安全系数及应力、弧垂计算。根据原杆塔设计条件和线路交跨情况，初步确定导线的选型和截面匹配，确定合适的安全系数、最大使用张力。拟选择Linnet431型(218mm2)截面的碳纤维复合芯导线，直径(18.29mm)和单位长度重量(653kg/km)均不大于原LGJ-185导线的直径(19.02mm)和单位长度重量(774kg/km)。导线的安全系数取3.5，最大使用张力20.7kN，不超过现有杆塔使用条件(23.0kN)。导地线安全系数、最大使用应力及平均使用应力见下表。表3.1.3.1导地线安全系数及设计张力型号最大使用张力平均运行张力安全系数原LGJ-18520953N15715N3.0ACCC/TW-Linnet43120703N15941N（≤22%RTS）3.5新架导线的弧垂最高气温时不超过原导线弧垂，确保现有的各种交叉跨越设施均满足安全限距的要求。这些条件保证主线段所有杆塔均不需进行改造，得以充分利用。碳纤维复合芯导线的铝面积218平方米，大于原LGJ-185导线182.4平方米的铝面积，载流能力大大增加。下表反映了本次选定的碳纤维复合芯导线与原导线参数的对比情况。表3.1.3.2碳纤维复合芯导线与原导线参数对比表项目ACCC/TW-Linnet431LGJ-185单丝根数(芯／铝)1／167／28直径(mm)18.2919.02单位重量(kg/m)655774综合截面(mm2)246.6216.76铝截面(mm2)218.4182.4计算拉断力(kN)72.4661.6设计安全系数3.53最大使用张力(kN)20.7020.95平均运行张力(kN)15.9415.7220℃直流电阻(Ω/km)0.1280.163最高允许温度(℃)20070根据导线的线膨胀系数与温度、应力的对应变化关系，分析导线机械特性，进行应力、弧垂计算，架线施工张力弧垂计算。3.1.4配合适的金具、附件本工程ACCC/TW导线所用耐张线夹，为专用配套的耐热型线夹，内层不锈钢，外层铝合金。根据导线发热特性，选择专用的ACCC/TW导线配套耐热型耐张线夹。配置合适的悬垂金具和耐热型预绞丝护线条，合理组合附件安装。导线的耐张线夹、引流板为ACCC/TW导线配套的专用线夹，预绞丝护线条、T接线夹等有南京线路器材厂专门设计。3.2安装施工阶段3.2.1施工技术准备本线路采用张力展放导线。架线前检查各施工段的平断面图、明细表等,认真对施工场地进行调查、熟悉交叉跨越情况。合理布置张力场和牵引场的位置。对导、地线连接管及耐张管进行检验性压接试验。架线作业指导书经审批，架线前进行技术交底。进行牵、张场预选，本工程分为二牵，从110kV常白线G1电缆终端塔—G8支接塔为第一牵，从G8支接塔—G10支接塔的架空主线部分为第二牵。表3.2.1牵、张场预选表序号牵、张场现场桩号控制桩号放线段长度（m）导线盘长（m）1牵引场G1电缆终端塔G1～G814101510张力场G8支接塔2牵引场G10支接塔、G8支接塔G8～G103904203.2.2架线架线前调查清楚沿线的交叉跨越等障碍物，进行线路通道清理。根据现场情况搭设跨越架,安装防磨滚筒。选择和布置牵张场。采用一台牵引机、一台张力机进行导线展放施工，一牵一展放方式。为了避免ACCC导线与原线路旧导线之间的磨碰。本工程利用原线路LGJ-185导线作为牵引绳张力展放ACCC导线。下面是几张现场安装图片。3.2.3其他安装进行紧线和挂线施工，弧垂调整，导、地线液压，附件安装，导线跳线安装等。于2006年11月完成110kV常白线增容改造ACCC导线的安装施工，并投入运行。3.3导线性能试验3.3.1专项性能试验对本项目采用的Linnet431规格ACCC/TW导线专门委托上海电缆研究所开展了以下8项性能试验。3.3.1.1导线握力试验(常温)试验目的：测试ACCC/TW导线安装专用楔型线夹后的握着力。试验结果：无中间接续的试样，握力试验结果为81.4kN;有中间接续的试样，握力试验结果为81.0kN。证明ACCC/TW导线安装专用楔型线夹后的握力满足不小于90%计算拉断力(72.46kN)的要求。3.3.1.2导线高温(140～200℃)拉力试验试验目的：测试ACCC/TW导线在高温条件下的总拉力。试验结果：ACCC/TW导线试样在140℃高温通电加热3小时后，直接做拉力试验，高温拉断力为74.6kN，与计算拉断力相比没有损失;160℃高温通电加热3小时后，高温拉断力下降为64.0kN，为计算拉断力(72.46kN)的88%;180℃高温通电加热3小时后，高温拉断力下降为56.8kN，为计算拉断力(72.46kN)的78%;在200℃高温通电加热3～8小时后，直接做拉力试验，高温拉断力下降为48～50kN，约为计算拉断力(72.46kN)的66%～69%。这个结果说明，ACCC/TW在160℃高温以上，拉断力距不小于90%计算拉断力的要求有一定的损失，随着温度上升，损失逐步加大。3.3.1.3导线应力—应变试验试验目的：测定ACCC/TW导线的应力—应变特性。试验结果：导线的最终弹性模数平均值为66.3GPa;碳纤维复合芯的最终弹性模数平均值为113.3GPa;绘制出导线应力—应变曲线图。3.3.1.4导线热膨胀试验信试验目的：测定ACCC/TW导线的热膨胀系数。试验结果：(试样长度50米)拐点温度(80℃左右)以下该导线实测线膨胀系数为13.0×10-6(1/℃);拐点温度(80℃左右)以上该导线实测线膨胀系数为1.65×10-6(1/℃)。3.3.1.5导线弧垂特性试验试验目的：用以评估ACCC/TW导线在实验室条件下的高温弧垂特