碳纤维复合导线（精选5篇）
碳纤维复合导线 第1篇
我国是个缺电的国家, 不仅发电业的发展滞后, 输电行业的缺点也显现出来, 线路已不能承受容量扩大的需求, 而且因为过负荷造成的停电断电故障频繁发生, 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导线, 用来代替传统的钢芯铝绞线, 碳纤维复合芯导线也由此而产生。
ACCC碳纤维复合导线是目前全世界电力输变电系统理想的取代传统的钢芯铝铰导线、铝包钢导线、铝合金导线及进口殷刚导线的新产品, ACCC碳纤维复合导线与传统导线相比具有重量轻、强度大、低线损、弛度小、耐高温、耐腐蚀、与环境亲和等优点, 实现了电力传输的节能、环保与安全。ACCC碳纤维复合芯导线现在正处于自主研发阶段, 但有些技术还依赖于国外, 还未给予系统研究, 比如导线的疲劳性能, 耐高温、耐久性能等研究目前还处于空白阶段, 这些性能参数对于开发ACCC导线是至关重要的, 随着电网输电能力以及抗灾能力的不断提高, 无论从节能、节地、节材、环保和提高输电能力等方面综合来看, ACCC导线具有重大的经济效益和社会效益。
1碳纤维复合芯导线疲劳振动与机械性能
导线以25%RTS张力架设, 一端悬垂, 一端固定。振动台在导线某个共振频率 (一般取20~40 Hz) 下振动, 并控制试验的振动角25′~30′, 振动停止后, 打开悬垂线夹。观察悬垂线夹处导线是否发生断股。将激振台的激振幅度调为10mm, 激振频率为39Hz左右, 此时导线与激振器发生谐振。在悬垂线夹处, 用铝层将碳纤维复合芯导线缠绕包裹, 防止在振动过程中, 碳纤维复合芯导线发生磨损。在微风振动疲劳测试系统上, 记录导线振动开始后的时间、频率、振幅、波长和波幅, 直至碳纤维复合芯导线发生断股。导线长度为65m, 在导线两端施加25%RTS的荷载, 额定抗拉力为193.1KN, 振动过程中半波长为1.9m。
由表1可知, 碳纤维复合芯导线在振动试验过程中, 其振动振幅始终保持在10mm, 在振动开始6h之内, 其振动频率为37.8HZ, 以后保持在39.0HZ, 计算过程中取其频率值为39.0HZ。振动累计时间为174h (626400s) 。可计算得到在微风疲劳试验振动中, 振动台模拟的风速, 其值为4.875m/s。碳纤维复合芯导线铝股断裂时, 导线的总的振动次数为24403680次。
2碳纤维复合芯导线温度特性研究
本文研究了钢芯软铝绞线和碳纤维复合芯导线在高温作用下其弧垂变化特性。为碳纤维复合芯导线在热带地区的应用提供试验数据参考。
2.1实验设置
导线的温度特性试验是测试在快速升温条件下, 导线的弛度变化规律。因此, 试验设置如下:
(1) 导线的跨距为49.8m, 分两个档距, 跨中档距采用悬垂线夹加持。
(2) 导线的接头采用压接方式, 导线连接在液电拉力试验机上。
(3) 在导线的两端施加25%RTS荷载。
(4) 导线表面无明显损伤, 线股无松股。
(5) 在悬垂线夹两端设置加热源。用连接变电器的压件裹置铜丝在导线上, 通入铜丝的电流为低电压大电流。
(6) 用米尺测量档距中间处的导线弧垂。
2.2加载方式
在碳纤维复合芯导线上设置四个温度测点, 用温度测试仪连接在温度测点。采用温度测试仪测量导线的温度。逐渐增加导线的温度, 每5℃记录一次, 取四个温度的平均值为导线此刻的温度值。从室内温度开始测量, 测量到160℃。
3实验结果
根据试验结果, 得出碳纤维复合芯导线和钢芯软铝绞线的温度—弧垂曲线。由图1可知, 相对于钢芯软铝绞线, 碳纤维复合芯导线在80℃左右时弧垂出现拐点。在80℃之前时, 碳纤维复合芯导线的弧垂增加较大, 80℃之后碳纤维复合芯导线的弧垂增加量较小, 趋于平衡。而钢芯软铝绞线的温度—弧垂增加量变化幅度较大, 相对于碳纤维复合芯导线的弧垂大。
3结束语
碳纤维复合芯导线是一种新型的导线, 尽管为电网的增容提供全新的解决途径, 由于技术与历史的原因, 我国没有对碳纤维复合芯导线进行全面的检测与评估, 本篇文章就是着重于碳纤维复合芯导线良好的发展前景, 为碳纤维复合芯导线的运行提供了试验的基础和理论分析。
主要成果如下:
(1) 对ACCC导线进行了一系列力学性能试验。通过试验发现, ACCC的弹性模数高于常规的钢芯铝绞线, 这有利于ACCC的抗张力性能。
(2) 通过对ACCC和钢芯软铝绞线进行温度—弛度特性试验, 通过试验结果对比分析发现, 同等条件下, ACCC的弧垂比钢芯软铝绞线的弧垂小, 而且伴随温度的增加, ACCC的弧垂变化较小。ACCCC存在温度折点, 而且在这温度折点以下, ACCC的弧垂与钢芯软铝绞线相差不大, 但是当运行温度在温度拐点以上时, ACCC的弧垂与钢芯软铝绞线的弧垂相差却很大, 这非常利于碳纤维复合芯导线在高温下运用, 也说充分说明该导线对电网有很好的扩容性。
参考文献
[1]王新营, 黄一钊, 严波, 季世泽, 党鹏, 黄国飞.架空导线用混杂纤维增强复合芯力学性能的研究[J].电线电缆.2010 (03) .
[2]刘春城.大跨越高压输电线路覆冰断线的冲击动力学模型, 振动与冲击, EI期刊2012.3 (1) :003.
碳纤维复合材料论文 第2篇
摘要
一、碳纤维复合材料的概况
二、碳纤维复合材料的结构
三、碳纤维复合材料的用途
四、碳纤维复合材料的优势
五、碳纤维的产业
六、结论
1、概况
在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
2、结构
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
3、用途 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
4、优势
1、高强度（是钢铁的5倍）
2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)
3、出色的抗热冲击性
4、低热膨胀系数(变形量小)
5、热容量小（节能）
6、比重小（钢的1/5）
7、优秀的抗腐蚀与辐射性能
5、碳纤维的产业
5.1 碳纤维的取材形式及比例
预浸布：51.6%，编织布：20%（其中有12.4%要经过预浸进入后段），短切纱：19%，纤维丝束通过缠绕等方式直接使用：9.9%.5.2 碳纤维产业链关联度非常紧密，上游帮扶下游就是帮自己碳纤维产业链。碳纤维制造企业因为资金和技术的优势，要成为引领整个产业链的生力军！市场培育任重道远！只有不断推进从碳纤维向纤维材料以及复合材料制品的纵深发展，完善产业链，扩大碳纤维的应用范围，才能使整个碳纤维行业实现跨越式的发展。5.3 碳纤维产业链中的价值链我们常听到关于碳纤维价值链的说法是：从石油原料到碳纤维，增值关系是1 到3，而把碳纤维做成复合材料，增值可以到10。而国际上还有一个类似的说法：一个工业用碳纤维复合材料零件的成本构成，其中碳纤维和树脂的成本占25%，把碳纤维转成预浸料或编织布（我们称之为纤维材料），转化成本为15%，而把纤维材料制造成复合材料构件，需要60%的成本，原因是这个过程的边角废料太多，主要是沿袭于航空航天的成型工艺效率太低。当很多人抱怨：碳纤维因为价格太高而影响其应用面时，我们必须重视除了25%～30%的碳纤维成本之外的其它70%～75%的纤维和构件成型的巨大成本。否则，即使碳纤维成本降得再低，做出的复合材料成本还是惊人！
6、结论
中国碳纤维“平民化”发展之路探讨
碳纤维复合导线 第3篇
本文主要介绍由美国CTC(Composite Techonology Comporation)公司于2003年开发研究出的一种新型复合材料合成芯导线——碳纤维复合芯导线(Aluminum Conductor Composite Core,ACCC),该导线在国内外已有相当多的应用业绩。
1 碳纤维复合芯导线与普通钢芯铝绞线的特性比较
碳纤维复合芯导线是一种新型复合材料芯导线,它的芯线是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒,外层与邻外层为同心层绞的梯形截面软铝线股(见图1)。该导线中的碳纤维采用聚酰胺耐火处理、碳化而成,内部的铝线为软铝,是一种全退火铝。
碳纤维复合芯导线是一种节能型增容导线,在电气、机械等诸多性能方面领先于普通钢芯铝绞线,具有非常突出的应用优势,主要体现在强度高、载流量大、弧垂温度特性优异、重量轻和耐腐蚀等方面。
1) 导电率高,载流量大。ACCC中软铝的电导率达到63%IACS以上,相同温度运行时能比常规的钢芯铝绞线损耗减少6%左右。另外,相同外径、相近单位重量条件下,紧密的梯形形状使得ACCC的铝材截面积达到常规ACSR的1.29倍。因此可以提高载流量29%左右。在180℃条件下运行,ACCC的载流量理论上为常规ACSR的两倍。
2) ACCC的外层由梯形截面形成的外表面远比传统的ACSR表面光滑,提高了导线表面粗糙系数,有利于提高导线的电晕起始电压,能减少电晕损失,降低电晕噪声和无线电干扰水平。
3) 耐热性好,高温下更有效运行。ACCC能在165℃高温下长期运行,最高工作温度可达180℃,而常规钢芯铝绞线的使用温度为70℃。因此,特别是在大雪灾发生时,通过提高导线的载流量,将导线的工作温度提高至180℃,可及时融化电力线路上覆盖的冰雪,能最大限度保护电力线路免受冰雪灾害的影响。
4) 高温条件下的低弛度特性。ACCC与ACSR相比具有显著的低弛度特性,该导线的低弛度主要表现在:①本身重量相对较轻,起始弧垂小;②温度升高后,达到迁移点温度后只考虑碳纤维复合芯受力,可以不计铝线温升后的蠕变,导线膨胀系数明显变小,变化弧垂小。
5) 强度高。ACCC的碳纤维和玻璃纤维混合芯棒的抗拉强度达2 399 MPa及以上,是高强度钢丝的1.7倍。试验证明ACCC的整体破断力比常规ACSR提高了30%,抗拉强度的明显提高允许增加杆、塔之间的跨距,从而减少杆塔使用数量,因而能降低工程成本,减少工程占地,节约土地资源。
6) 重量轻。碳纤维复合芯材料的密度约为钢的1/4(钢芯密度为7.78 g/cm3,而碳纤维复合芯为1.9 g/cm3)。相同铝截面时,成品重量与常规的钢芯铝绞线相比轻10%～15%,单位长度重量约为常规ACSR的70%～80%。对于新建线路,计算表明由于导线自重的减轻可使导线载荷减少约25%,因此承载能力也可增加约20%,导线重量减轻以及良好的低弛度特性可使铁塔高度降低,并使铁塔结构更加紧凑,缩小基础根开,缩短施工工期,节省线路综合造价。
7) 耐腐蚀、寿命长。腐蚀是传统架空导线的一大问题。ACSR的铝线和钢芯由于长期暴露于空气中,周围的盐雾、酸碱物质都会对金属材料产生腐蚀,从而降低导线强度,影响导线寿命。由于ACCC芯棒的外表面为绝缘体的玻璃纤维层,芯棒与铝股之间不存在接触电位差,可保护铝导体免受电腐蚀。碳纤维复合芯与环境亲和,不生锈、不腐蚀,克服了镀锌钢绞丝芯的腐蚀问题,而且又避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题,较好地解决了导线长期运行的老化问题。
8) ACCC的结构形式较为创新,更有利于提高压接管、耐张线夹与导线的压接强度。
2 碳纤维复合芯导线应用的工程概况
ACCC在南通供电公司220 kV天刘线技改工程中成功应用,投运后运行情况良好。
此工程为南通电网加强工程的项目之一,欲提高原线路(LGJQ-400导线)输送容量达到2×LGJ-300导线的水平。由于附近通道资源相当紧张,该工程需结合原线路的具体情况,充分考虑利用现有线路走廊和铁塔资源,缩短线路停电周期,减少政策处理难度,缩小工程投资。江苏省电力设计院和南通供电公司设计院经多方面考察,选择改造方案为:将天生港电厂～4号塔段、8号塔～刘桥变电站段将原LGJQ-400导线更换为碳纤维复合芯导线,型号为JRLX/T-414来提高线路载流量,满足系统的需求。
经验算,采用将原LGJQ-400钢芯铝绞线更换为JRLX/T-414碳纤维复合芯导线的方案满足系统极限输送容量要求,120℃时导线载流量(1 228 A)已能满足线路增容的要求,随着运行温度的提高,载流量还有上升的空间。该导线还提升了抗冰灾、大风的能力,提高了极端气候条件下导线运行可靠性,同时节省了投资,免去了塔基征地政策处理的困难和费用,加快了建设周期。
3 碳纤维复合芯导线应用的施工情况
由于ACCC的架设在南通尚属首次,加之导线本身的材质与特殊性给施工带来相当的难度,主要表现在导线表层为退火铝线,较软易磨损及松股,中间为光滑的高强度复合芯,比钢芯更脆而容易损坏。施工技术人员经多次深入现场调研和各种材料的试组装和性能测试,顺利解决了张力牵放线、过滑车、接续管与耐张线夹压接、附件安装等问题,圆满完成施工任务。
施工过程中,施工单位制定了一系列技术措施确保导线安装的安全和质量。
1) 由于ACCC铝线为软铝,硬度较普通导线铝软,倘若使用平时放线用的放线滑车,必将造成导线外层的摩擦损伤,所以特地使用尼龙滑车,槽底加垫橡胶,以减小牵引施工对导线的磨损,同时在平衡开线时,紧线器端钢丝绳要包橡皮套,防止磨损导线,并绝对避免接触地面,在可能要碰到的地方加垫油布和草袋。
2) 由于ACCC弯曲度不能过小,以防止碳纤维复合芯损伤,牵引角度较大的耐张塔、直线塔均使用双滑车,在平衡开线时,用绳子将导线与钢丝绳捆扎,托住导线,防止尾线下垂角度过大。
3) 紧线时速度放慢,避免导线受到外部冲击受损。
4) 耐张金具、中间接续金具与普通导线不同(见图2、图3),压接及安装方法较普通导线有所区别,必须确保碳纤维复合芯导线在安装时没有任何损伤。
在施工过程中遇到了一些问题,需在以后的施工过程中加以改进或实践。
1) 该导线的直线接续管如何过滑车问题尚未经实践(直线管长度达到1.6 m),现在要求是不允许过滑车,今后施工如采用过渡方法难度较大。
2) 导线的卡线设备及紧线装置均采用预绞丝代替,成本高,重复使用率低。
4 碳纤维复合芯导线应用的运行情况
改造投产以后,该线路成功经受了2008年迎峰度夏的考验,至今未发生普通导线易发生的弛度明显下降、接头发热、导线断股等异常现象,其耐张线夹和接续管等部件运行正常,各项指标均符合设计要求。
5 碳纤维复合芯导线应用评价
与传统导线相比,ACCC具有重量轻、强度大、弛度小、线损低、耐高温、耐腐蚀、与环境亲和等优点,可提高传输容量1倍,减少20%杆塔数以及有色金属消耗,降低传输损耗,实现了电力传输的节能、环保与安全,符合我国建设资源节约型、环境友好型电网的要求。
但碳纤维复合芯导线的应用也还存在需要完善和解决的问题。
1) 施工过程相对比较复杂,施工质量要求高,尤其以金具压接最为突出,除需专用金具,还应特别注意不要损伤导线。所以,在运行时的备品备件、应急抢修等方面均存在一定的难度。
2) 碳纤维复合芯导线在电力线路中应用的时间还较短,首条于2004年8月在美国德克萨斯州一条230 kV电力线路上试运行,我国于2006年7月在福建、辽宁的220 kV线路增容改造中开始使用。目前主要应用在220 kV及以下电压等级电网改造和新建线路的部分项目中,可以说仍处于试验阶段,设计运行方面经验不足,如导线的防振、高温下碳纤维芯的强度损失及其加速老化、导线接头连接金具的可靠性问题,仍需要进一步研究。
3) 碳纤维复合芯导线还未获得可靠的寿命年限(估计为40 a),在复杂的野外气象条件下长期运行,不排除由有机物构成的碳纤维芯是否会出现酸腐蚀、电化学腐蚀、疲劳断裂等不可预见事故的可能。碳纤维复合芯导线的运行维护、导线探伤、导线损坏修复等问题还需要实践积累加以解决。
4) 碳纤维复合芯导线技术之前一直为日本、美国等少数国家所掌握,所以价格很高,为钢芯铝绞线的6倍左右。由于技术经济综合性价比是选择技术方案的主要原则,因此建设成本是目前推广应用碳纤维复合芯导线的主要制约因素,目前多应用于增容线路。随着国内厂家及科研院所的不断自主创新,逐渐掌握碳纤维复合芯导线的制造、施工技术,真正实现国产化,价格肯定会降低,届时碳纤维导线将得到更广泛的应用。
6 结语
建设资源节约型的电力线路,导线是最重要的一部分。随着国民经济不断发展,电网规模的不断提升,综合性能优良的新型碳纤维复合芯导线具有非常广阔的应用前景,尤其是对需要扩容的旧线路改造,有利于缩短施工工期,节省线路综合造价。随着ACCC现有问题的逐步解决,该导线必将得到更广泛的应用。
摘要：碳纤维复合芯导线(ACCC)是一种全新概念的架空线路用导线,具有重量轻、强度高、热稳定性好、弛度小、载流量大和耐腐蚀的特点。通过对其与普通钢芯铝绞线(ACSR)的性能比较,及其在南通电网上首次应用的介绍,研究了ACCC的施工、运行情况,以及在应用中存在的问题。
关键词：碳纤维复合芯导线,钢芯铝绞线,架空线路
参考文献
[1]尤传永.架空输电线路新型复合材料合成导线的开发研究[J].电力建设,2004(11).
[2]梁旭明,余军,尤传永.新型复合材料合成芯导线技术综述[J].电网技术,2006(19).
[3]尤传永.增容导线在架空输电线路上的应用研究[J].电力设备,2006(10).
[4]黄国飞,季世泽,蒋华君.碳纤维芯软铝绞线的特性研究与应用[J].电线电缆,2007(4).
碳纤维复合导线 第4篇
关键词：碳纤维复合芯导线,铝包钢芯耐热铝合金绞线,载流量,杆塔荷载,弧垂特性,覆冰过载能力
0 引言
天生桥水电站～金州变电站500kV交流输电线路(简称天金线)是天生桥水电站～贵阳线500kV交流输电工程(简称天贵线)的一部分。天贵线属于天生桥水电站电能的送出工程,建设初期计划通过该线路将天生桥水电送入贵州电网,目前该线路是贵电交流送出的重要出口,通过该线路可将贵州送出电力引入南方电网西电东送的南通道,对均衡系统潮流起到了重要作用。为满足日益增长的负荷需求,需对此线路实行增容改造。
1 增容改造要求
本次天金线增容改造工程不更换铁塔和基础,只更换导线和部分金具。由于原杆塔已运行了20年,因此增容后线路的安全是本次增容改造考虑的重点。增容设计中导线应满足以下要求。
(1)在导线允许的最高运行温度下,根据增容目标的输送容量(近期2 500MW,远期2 700～3 000MW)校核其载流量。
(2)所选导线的机械特性需满足已建线路杆塔的使用条件要求。
(3)所选导线的机械性能满足工程要求。
(4)所选导线对地和交叉跨越间距满足规范要求。
2 增容导线的选取
近年来,各国利用新材料、新结构、新工艺开发出多种增容导线,如钢芯耐热铝合金导线、高强度钢芯软铝绞线、铝包钢芯耐热铝合金绞线及碳纤维复合芯绞线等。而国内目前应用较多的为铝包钢芯耐热铝合金绞线,同时碳纤维复合芯线也已成功用于国内多条110kV、220kV线路,生产、施工和运行都积累了一定经验。
原线路选用4×300mm2导线,4根子导线呈正方形布置,分裂间距为450mm。增容导线预选用铝包钢芯耐热铝合金绞线NRLH60/LB14和碳纤维复合芯绞线JLRX/T350/40。下面分别就其机械和电气性能与原导线进行比较,并校核荷载及其对地和交叉跨越间距,最终选择一种符合工程要求的导线。导线参数见表1。
3 导线载流量
导线计算允许载流量见表2。环境温度为40℃时,碳纤维复合芯绞线JLRX/T350/40在运行温度为88℃的情况下,输送功率可达2 500MW;铝包钢芯耐热铝合金绞线NRLH60/LB14在运行温度为93℃的情况下,输送功率可达2 500MW。由此可得,两种备选导线在升高运行温度的条件下,均可满足系统输送容量2 500MW的要求。
4 机械性能比较
4.1 对杆塔荷载的影响
由于不能更换杆塔,因此所选导线应满足原杆塔使用条件。铝包钢芯耐热铝合金绞线NRLH60/LB14和碳纤维复合芯绞线JLRX/T350/40对杆塔的荷载比较见表3。
由表3可知:
(1)铝包钢芯耐热铝合金绞线的水平荷载与原导线基本相等;碳纤维复合芯绞线的水平荷载比原导线约小4%。
(2)铝包钢芯耐热铝合金绞线的垂直荷载比原导线约小5%;碳纤维复合芯绞线的垂直荷载比原导线约小11%。
(3)两种备选导线纵向荷载都比原导线略小。
由于500kV天金线的杆塔使用条件依据LGJ-300/40导线设计,因此两种备选导线对杆塔的荷载均能满足要求。
4.2 最高气温和最高线温时的弧垂特性
由于天金线在最初设计时将钢芯铝绞线LGJ-300/40最高运行温度设定为70℃,而铝包钢芯耐热铝合金绞线NR-LH60/LB14和碳纤维复合芯绞线JLRX/T350/40的最高运行温度都超过70℃,因此,应分别校核原导线和备选导线在最高气温40℃和最高线温运行时的弧垂特性,以反映对地距离和交叉跨越距离是否满足要求。两种备选导线与原导线在最高气温和最高线温时每档的弧垂对比见表4。
由表4可知,在最高气温条件下,两种备选导线的高温弧垂均小于原导线;但在最高线温条件下,铝包钢芯耐热铝合金绞线的弧垂较原导线大0.05～0.5m,而碳纤维复合芯绞线的较原导线小,且档距越大,弧垂减小得越多。
天金线原按I级污区进行绝缘配置,现因线路附近新增了许多污染源,故改造绝缘子串时需增加绝缘子片;同时对于大高差大档距较多的地段需采用双线夹来避免导线损坏。以上两个因素均会导致导线绝缘子串长增加,若采用铝包钢芯耐热铝合金绞线,在最高线温时,考虑到串长的增加,则弧垂最低点将降低0.5～1m,不满足对地距离和交叉跨越距离的要求。
4.3 覆冰过载能力
根据设计规程,导线弧垂最低点的最大应力达到瞬时破坏应力的60%时,其覆冰厚度为该导线允许的最大覆冰厚度,依此原则计算不同导线的覆冰过载能力(气温为一5℃,风速为10m/s时),见表5。
由表5可知,两种备选导线都能满足工程设计10mm冰区的要求,但碳纤维复合芯绞线的覆冰过载能力更好,在400m代表档距时,过载能力达到24.4mm,而铝包钢芯耐热铝合金绞线仅为19.8mm。
4.4 比较结果
通过以上分析可知:
(1)在2 500MW的增容目标下,碳纤维复合芯绞线增容效果较明显,环境温度为35℃时,导线温度升至83℃即可满足要求,而铝包钢芯耐热铝合金绞线在同样条件下需要升至89℃。
(2)两种备选导线均能满足杆塔荷载的要求。
(3)在最高气温时,两种备选导线的弧垂特性都能满足对地和交叉跨越距离要求。但在最高线温条件下,铝包钢芯耐热铝合金绞线不能满足对地和交叉跨越距离要求,且随着输送容量的增大,运行温度会更高,最高线温时的弧垂也会更大;而碳纤维复合芯绞线在最高线温条件下的弧锤特性要比钢芯耐热铝合金绞线好,在运行温度达到93℃后,其弧垂基本不会随着温度的升高而加大。
(4)两种备选导线的覆冰过载能力均能满足要求,但碳纤维复合芯绞线的覆冰过载能力更强。
综上,增容导线应选用碳纤维复合芯绞线JLRX/T350/40。
5 结束语
碳纤维复合芯绞线与传统的钢芯铝绞线相比具有重量轻、强度高、热稳定性好、弛度低、载流量大和耐腐蚀的优点。用碳纤维复合芯绞线改造线路,在提高同条电力线路输送容量的同时可提高线路的安全、可靠性,减少有色金属稀缺资源消耗,降低线路传输损耗,节约线路走廊。碳纤维复合芯绞线特别适用于老旧线路的增容改造和土地资源紧张地区的新建线路。
参考文献
[1]GB 50545—2010 110～750kV架空输电线路设计规范[S]
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碳纤维复合导线 第5篇
随着我国国民经济发展, 城市输电网增容改造越来越多, 葛洲坝-白家冲大跨越的增容改造工程在国内尚属首次, 而要维持使用已运行了34年的杆塔、基础, 更为大跨越的增容改造工程增加了难度。
新材料、新结构、新工艺不断涌现, 特别是新型导线的研制和应用为大跨越增容改造工程创造了条件[1~4]。本文主要介绍了新型的碳纤维复合芯导线在大跨越改造中的应用情况。
2 大跨越工程导线选择的主要原则
高压输电线路的输送容量主要取决于导线截面的大小, 导线截面过大, 不仅增加有色金属消耗量, 还使线路其他部件如绝缘子、金具、杆塔、基础等相应加大, 增加线路的初始投资;导线截面过小, 则线路运行中的电压和电能损耗增加, 电能传输质量和运行经济性变差[5]。
一般情况下, 按经济电流密度选择导线截面大小, 以使得导线在其运行寿命期内的总费用最低。总费用包括导线初始费用 (含导线成本和安装费用) 、导线在运行中的维护费用和电能损耗费用。其中导线初始费用随导线截面增加而加大, 而电能损耗费用随导线截面增加而减少。这样, 当导线截面大小选取某一数值时, 总费用将达到最低, 这一截面即为经济截面。由于在与经济截面临近的一个区间内总费用相差无几, 可以认为在这个区间内选择的截面都是经济的, 而相对应的载流量即为经济载流量, 它与经济截面之比即为经济电流密度。
导线截面除按经济电流密度选择外还应符合环境保护要求, 使其产生的电磁效应 (电场感应、磁场感应、无线电干扰、电晕噪声等) 都在允许范围内。此外, 还要经过导线的发热条件校核, 使导线的最高运行温度在规定范围之内。
大跨越段的导线截面必须与线路陆上部分的导线截面的输送容量相匹配, 以不致成为整条送电线路的“瓶颈”。因此输送容量对同一条线路的大跨越段与陆上线路段截面的要求就转化为相同载流量时的导线截面的相匹配问题[6,7]。
为降低跨越塔的高度以节约工程投资, 大跨越导线常采用钢芯铝绞线ACSR和钢芯铝合金绞线AACSR (包括钢芯耐热铝合金绞线TACSR) , 这些绞线铝钢截面比较小 (即钢截面比较大) , 如30/7结构 (铝钢截面比为4.29, 钢比为23%) 和42/19结构 (铝钢截面比为2.21, 钢比为45%) 。
常用的导体材料有硬铝线 (导电率为61%IACS) 、高强铝合金线 (导电率52.5%~53%IACS) 、高强耐热铝合金线 (导电率52.5%IACS) 及铝包钢线 (导电率23%~30%IACS) 。
3 对大跨越增容改造工程导线选择的要求
3.1 输送能力
原跨越工程导线铝截面为300 mm2, 已不能适应电网发展要求, 为此需对其进行增容改造以尽可能提高输送容量, 达到350 MW以上的水平[8]。
由此得到导线的载流量:
3.2 跨越档为耐-直-直-耐布置
跨越档距为486 m-1107 m-285 m, 耐张段全长1878 m, 要求不改变原跨越塔、耐张塔及相应基础, 仅更换导线、地线、绝缘子、金具、防振措施等, 必须保持原设计杆塔、基础的安全性和可靠度以保证跨越工程能安全可靠地运行或能改善运行维护条件。
3.3 原导、地线参数
原长江跨越导、地线参数见表1。
4 大跨越增容用碳纤维复合芯导线的优点
采用远东复合技术有限公司生产的高性能碳纤维复合芯替代高强度钢芯或EST钢芯后, 导线特性发生下述变化。
4.1 导线重量减轻
大跨越导线采用的钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线其结构大多为30/7和42/19结构。
(1) 30/7结构, 铝钢截面比为4.29 (钢比为23%) , 但钢部分重量占导线总重的39.50%。用碳纤维复合芯代替钢芯, 截面相同时, 导线总重量减轻27.5%, 即碳纤维复合芯导线的总重仅为钢芯铝 (铝合金) 绞线重量的72.5%。
(2) 42/19结构, 铝钢截面比为2.21 (钢比为45%) , 但钢部分重量占导线总重的56%。用碳纤维复合芯代替钢芯后, 截面相同时, 导线总重量减轻39%, 即碳纤维复合芯导线的总重仅为钢芯铝 (铝合金) 绞线重量的61%。
4.2 导线额定抗拉强度提高
一般EST的极限抗拉强度为1770 MPa, 1%伸长率时的抗拉强度为1500~1550 MPa。而碳纤维复合芯导线的抗拉强度一般为1800~2600 MPa, 常用为2200 MPa, 较EST提高40%~45%。
4.3 施工方便
大跨越导线在施工放线时, 放线拉力大, 若采用软铝线, 施工放线使用卡线器和软铝线经过滑车时, 软铝线容易磨损和折断;耐热铝合金线由于其硬度高, 施工放线方便, 也为安全运行创造了良好的条件。表2列出了LGJJ-300与ACCC-300/60导线参数对比。
5 碳纤维复合芯导线配套金具、施工、运行情况
5.1 碳纤维复合芯导线的配套金具
碳纤维复合芯导线由于其结构具有特殊性, 需采用一种利用楔型自锁原理的耐张线夹和接续管。美国CTC公司、FCI公司和日本东北电力公司均有类似产品, 两种产品由线夹本体、套管和楔型自锁机构3大部分组成, 主要靠楔型自锁机构的正压力产生摩擦力而达到握力要求。
目前国内生产和正在研制上述两种金具的厂家不少 (如浙江成达、江苏宇飞、南线厂等) 。江苏宇飞公司等对金具进行了独特的改进, 有效缩短了金具尺寸, 形成自有专利, 并通过了中国电力企业联合会的鉴定, 浙江成达公司、江苏宇飞公司的碳纤维导线配套金具已在多条线路工程中成功应用。
大跨越工程导线为整根供货, 不允许有接头, 所以无需接续管。传统悬垂线夹的本体和盖板可能引起内层绞线变形和轻度的齿状压痕, 虽然正常的变形和压痕不影响导线性能, 但导体采用软铝时, 由于软铝强度低、易擦伤, 悬垂线夹需采用有预绞丝和耐热橡胶衬垫的结构, 以保护导线。目前在导线上广泛使用的单支点或双支点预绞式悬垂线夹, 可避免不必要的变形和压痕。大跨越工程需结合工程实际情况一般采用双支点预绞式悬垂线夹 (见图1) 。
5.2 碳纤维复合芯导线的放线施工
碳纤维复合芯导线应用初期, 由于国外提供的及国内仿制的导线配套金具, 特别是接续管长度 (170 cm以上) 及直径远远大于常规导线配套金具 (80 cm以下) , 导致配套接续管与碳纤维复合芯导线的结合体难以顺利通过放线滑车, 易造成碳纤维复合芯导线折断。但我国在碳纤维复合芯配套金具的研究上已取得进展, 研制出了体积小而轻的配套金具, 逐步解决了这些问题。
另外, 目前应用的碳纤维复合芯导线采用软铝梯形单丝, 施工中卡线器或导线过滑车时容易损坏部分铝导体表面。而大跨越增容工程以耐热铝合金单丝代替软铝梯型单丝, 由于耐热铝合金单丝硬度大, 在卡线器牵引和过滑车时, 不会损坏导线表面。
5.3 碳纤维复合芯导线的运行情况
国内碳纤维复合芯导线已经在10~220 k V线路上投运100多个工程, 超过2800 km, 最长已运行了4年多时间, 运行状态良好, 相关参数符合规范要求。
针对2007年9月投运的葛洲坝-白家冲Ⅰ、Ⅱ回220 k V输电线路改造工程, 湖北宜昌供电公司对所用碳纤维复合芯导线运行情况进行了总结:该线路投运以来, 运行情况良好, 在2008年1月底2月初湖北遭受50年一遇特大冰雪灾害中, 线路运行正常, 这充分体现了该导线具有抗舞动、抗覆冰、轻质量、高强度、弧垂小的特性。
总体看来, 碳纤维复合芯导线在220 k V及以下线路上的应用已经累积了一定时间和线路的运行经验, 总体运行情况良好。
6 结论
大跨越增容导线的电气特性要求是载流量大, 采用耐热铝合金线作为导电材料, 可以提高导线允许温度以提高导线的载流量达到增加输送容量的要求。
参考文献
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