碳纤维复合芯铝绞线（精选4篇）
碳纤维复合芯铝绞线 第1篇
随着我国城市化进程的进一步加快,土地资源越来越紧张,架空输电线路走廊的选择已受到较大的制约。基于目前需求的增长、线路扩容的需要及环保的要求,架空线路如仍然采用普通钢芯铝绞线已远不能满足技术要求。为了安全可靠地输送较多的电力,各国的科技工作者致力于不断寻找新的架空输电线路用导线。而碳纤维复合芯铝绞线正是顺应科技发展潮流而生的全新概念的复合材料合成芯导线[1]。
ACCC导线充分发挥了有机复合材料的特长,与现有的各种架空导线相比,具有强度高、重量轻、弧垂小、允许工作温度高、线损低、导电率高、载流量大、耐腐蚀等优点,即使在导线载流增加、温度提高以后,其运行仍是安全可靠的,从而实现了电力传输的节能、环保与安全[2]。
我国自2006年在福建、辽宁的220 k V线路增容改造中首次使用ACCC导线至今[3],短短8年时间,全国已有上千条线路挂网运行,期间也出现过一些断线事故。因此,开展针对ACCC导线的检测研究显得十分迫切。大档距的架空导线遭遇大风和不平衡覆冰时,可能发生扭转且角度较大,导线和芯棒也随之扭转,扭转强度的测量能为芯棒在恶劣天气发生扭转而不遭受损伤或是剪断提供重要的理论依据。
本文重点研究碳纤维复合芯棒的扭转破坏形式,为提升碳纤维复合芯棒抗扭性能提供了重要技术支撑,以保障电网安全稳定运行。
1 扭转状态力学仿真研究
通过对纤维增强复合材料模型建模,利用有限元软件对模型进行扭转状态下的力学分析;针对纤维增强复合材料的结构特点、成分组成和受力状态,分析其扭转状态极限承载能力和剥离状态的应力应变。
1.1 碳纤维复合芯的建模与材料性能参数
1.1.1 碳纤维复合芯的建模设计
碳纤维复合芯棒是由碳纤维、玻璃纤维和环氧树脂三种材料复合而成。复合芯内层是碳纤维与环氧树脂的复合材料,外层是玻璃纤维和环氧树脂复合材料。对于规格为准7.32的碳纤维复合芯棒,内芯棒的直径为5 mm,外表层的直径为7.32 mm。
查阅资料可知,单根碳纤维丝的线径为7μm,单根玻璃纤维丝的线径为10μm。在进行有限元分析时,若使用这样小直径线丝直接进行建模,会造成单元数量极其庞大,使用常规的计算机则无法进行运行分析,因此有必要对模型进行简化建模。在实验过程中发现,两种材料在某些状态下会发生剥离现象,为解决这一难题,经过多次尝试,最终在仿真模拟时,在内外两层间添加一层厚度为0.1 mm的虚拟树脂层,基本满足了仿真要求。
扭转模型:把碳纤维和环氧树脂的复合芯层抽象为一个具有等效力学性能的均质材料,把玻璃纤维和环氧树脂的复合外层抽象为另一个具有等效力学性能的均质材料。此时,仿真模型建模为3个同心圆柱:碳纤维复合等效层D1=0~5.0 mm,虚拟结合层树脂D2=5.0~5.2 mm,玻璃纤维复合等效层D3=5.2~7.32 mm。
1.1.2 复合材料弹性模量计算
可以根据纤维与树脂的混合比例,对该复合材料的弹性模量进行分析。碳纤维与树脂混合时,碳纤维面积含量为61.2%,则其复合弹性模量E=(230×0.612+3.45×0.388)≈142 GPa;玻璃纤维与树脂混合时,玻璃纤维面积含量为72.2%,则其复合弹性模量E=(85×0.722+3.45×0.278)≈62.3 GPa。类似地,可以得出复合强度的计算结果。
仿真假设材料的泊松比不变。
1.2 扭转状态下的力学性能分析结果与讨论
图1是碳纤维复合芯在扭转下的等效应力图,汇总表如表1所示。可以看出,碳纤维的等效应力为258.96 MPa,小于极限拉伸应力3 080 MPa;玻璃纤维的等效应力为174.25 MPa,小于极限拉伸应力3 270 MPa;结合层树脂的等效应力为124.81 MPa,接近抗弯极限应力125 MPa。
以上结果表明,碳纤维在扭转时,当扭矩大于11 600 N·mm,树脂开始断裂,碳纤维复合芯表层开始出现剥离破坏。
通过对纤维增强复合材料扭转模型建模以及对模型进行扭转力学性能仿真分析,可以得出:准7.32碳纤维复合芯在扭转时的最大允许扭矩为11 600 N·mm,此时碳纤维复合层与玻璃纤维复合层间出现剥离破坏。
2 扭转试验研究
2.1 试验方案研究
结合前期基础研究和仿真分析,确定扭转试验方案:取长度L=200D的芯棒试样,按照2 r/min的扭转速度进行扭转试验,记录过程中出现异样声音或出现破坏时对应的扭转圈数。
2.2 碳纤维复合芯棒的选购
根据上述试验方案,结合有限元仿真分析,开展了扭转力学试验。首先从碳纤维复合芯的材料、配方、工艺、技术特点及市场占有率等多角度进行考虑,选取了A与B两家厂家生产的碳纤维复合芯,试样规格准7.32,试样长度1.4 m。
2.3 扭转试验
将试样置于长轴距扭转试验机上,按照试验方案对试样A与试样B进行对比试验。将试样A置于长轴距扭转试验机上(图2),试验机以2 r/min的转速匀速转动,当转至第4圈时,试样出现“哔”的声响,但外观上无肉眼可见裂纹;继续转动,在靠近夹持夹具未转动一侧试样表层玻璃纤维出现剥离,其余部分出现沿扭转方向的裂纹;当转到第11圈,试样A在最先出现纤维剥离的位置断裂。将试样B置于长轴距扭转试验机上,试验机以2 r/min的转速转动,当转至第2圈时,试样出现“哔”的声响,外观无肉眼可见裂纹;当转到第11圈,试样B出现层间纤维分离。试样B的试验结果中出现的层间纤维分离破坏与仿真结果接近。
3 结论
通过对碳纤维复合芯棒卷绕性能的有限元仿真分析和卷绕试验研究得出:(1)碳纤维复合芯棒在一定的扭矩作用下会发生扭转破坏,破坏形式以层间分离破坏为主;(2)树脂性能好坏对碳纤维复合芯棒的扭转起决定性作用,在碳纤维复合芯棒制作过程中应加强对树脂性能和工艺的考核。
摘要：以架空绞线用碳纤维复合芯棒扭转性能为研究对象,结合有限元仿真分析和实物试验研究,为了解和确定碳纤维复合芯棒扭转破坏形式和关键性能参数提供了重要技术支撑。
关键词：架空绞线,碳纤维复合芯,扭转试验,仿真,试验
参考文献
[1]陈志东.碳纤维复合芯导线在架空线路上的应用[J].供用电,2010,27(2):63-65.
[2]何州文,陈新,王秋玲,等.国内碳纤维复合芯导线的研究和应用综述[J].电力建设,2010,31(4):90-93.
碳纤维复合芯铝绞线 第2篇
随着我国国民经济的飞速发展, 人民的生活水平不断提高, 电力需求也随之高速增长。一些地区原有输电网络薄弱, 部分地区甚至出现了堵塞, 严重影响了我国经济的发展, 因此, 对电网进行科学规划, 保证电网改造的合理性、运行的安全性和经济性, 扩大电网的供电能力, 满足电力需求增长的要求, 确保供电质量以成为电力部门的一项重大任务。但是, 在此类增容改造工程中, 重建整条线路面临土地征用, 通道砍伐。费用投用过大, 建设工期长、线路走廊紧张等问题, 而采用增容导线, 通过仅更换架空导线达到增容改造的效果, 因此推广使用增容导线有着现实且长远的意义[1,2,3]。
1 增容导线输电技术的发展与应用
目前, 增容导线输电技术包括大截面导线、耐热导线、碳纤维复合芯铝绞线 (以下简称ACCC导线) , 殷钢芯耐热铝合金导线以及紧凑型输电技术等[3]。其中, 大截面导线和耐热导线是研究和应用较为成熟的两种技术, 碳纤维复合芯铝绞线作为一种更为新兴的新型输电技术, 虽然其研究起步较晚, 但凭借重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度低等优点, 必将具有更为广泛的应用前景[4,5,6,7,8]。
ACCC导线输电技术也是通过提高导线允许温度来增加导线输送电流, 从而提高输送容量的新型输电技术。但它比耐热导线的运行温度更高, 中路更轻等优点, 其长期工作温度可达200℃, 载流量较相同规格铝线提高一倍, 换线时基本可以利用原有杆塔[6]。ACCC导线最早是2004年8月在美国德克萨斯州3.2km的长的230kV线路上安装运行。我国2005年成立了远东复合技术有限公司, 引进美国CTC公司技术合作生产ACCC导线。2006年7月, 我国首条220kV ACCC碳纤维复合芯导线在福建省龙岩电业局园田塘变电站至曹溪变电站220kV线路挂网运行, 导线全长5.2km, 工程利用原线路铁塔及大部分金具瓷瓶等原设备, 改造后使该线路输送容量提高了一倍[9,10]。
2 增容导线在贵州电网增容项目中的应用设计
2.1 概况
本文研究的线路是贵阳铁路枢纽工程的某条送电线路。从长远的发展来看, 该线路的输送容量不能满足大土牵引变的负荷需求, 并且, 由于最大输送容量时常不能满足准“N-1”条件, 造成大土牵引变出现安全隐患。因此, 根据贵阳电网建设规划及目标, 该线路增容扩建势在必行。但该线路无法再找出新路径, 而且又不容许停电时间太长。为此, 必须对此线路进行增容升级, 以满足准“N-1”条件下大土牵引变负荷需求、该线路安全运行的条件。此次改造为一般段线路 (LGJ240/30和LGJ240/40) 。该线路总长12km, 导线经过地区的气象条件为:最高气温40℃, 最低气温-20℃, 年平均气温10℃, 最大风速30m/s, 有覆冰。原线路各段的情况如下:1~2、10~11、31~32号杆塔段跨越通信线;8~9、40~41号杆塔段跨越10kV输电线和通信线;18~19、19~20跨越220V输电线;1~15号杆塔处于10mm覆冰区, 15~45处于20mm覆冰区。以下就本线路的实际情况, 论述该增容项目的技术方案选择。
2.2 技术方案的设计
2.2.1 设计要求
(1) 必须充分利用原线路走廊;
(2) 最大弧垂与原有LGJQ-400/35 (一般段) , LGJ-400/50 (跨邕江段) 相差不大;
(3) 输送容量提升40%;
(4) 保持导线安全系数为2.65。
2.2.2 方案选择
ACCC/TW Hawk (10mm覆冰区和20mm覆冰区) 耐热铝合金导线在环境温度40℃、导线运行温度200℃的载流量为1331A (原导线载流量662A) , 具有较大的输送容量裕度。由文献[11][12]及计算, 耐热导线ACCC/TW Hawk导线交叉跨越检验参数, 如表1所示。
从上表可以看出除8#至9#档和31#至32#档的交叉跨越处不满足最小安全距离以外, 其余各交叉跨越均能满足最小安全距离的要求。即换用ACCC/TW Hawk后会因为交叉跨越不满足要求而产生额外成本。与杆塔的垂直荷载、水平荷载和断线张力分析如表2所示:
根据杆塔垂直荷载、水平荷载和断线张力的分析可见, 换用ACCC/TW Hawk后, 由于导线的截面、重量、外径和原导线相差不大, 使得原走廊大部分杆塔基本能满足换线后的要求, 不必新建或加固杆塔, 即可减少静态投资。
2.2.3 经济性比较
在满足输送容量和各种电气、机械性能的条件下, 成本计算是决定线路改造选型的重要因素。笔者在计算换用ACCC导线时成本时, 同时也提出了换用大截面导线 (LGJ-800/55) 和耐热导线 (NRLH58GJ-450/40) 两种备选方案, 并比较了换用三种导线的静态投资、运行损耗和综合经济效益等相关指标, 构建用于增容导线的经济性评价体系, 通过经济性分析, 可以在满足提高输送容量的基础上, 确定合适导线和改造方案, 最大限度地降低成本、节约资源。
(1) 静态投资比较
在输电线路改造工程, 杆塔的投资和输电走廊占地赔偿费用占据最大的比重[13]。在贵州110 kV输电线路增容改造中, 由于大截面导线重量比原导线多出很多, 使得大部分杆塔都需要进行更换或加固, 从而加大了静态投资。虽然耐热导线较原导线也增大了截面积, 但是相比大截面导线来说耐热导线在静态投资上仍然有一定的优势。ACCC TW Hawk导线的费用比其他两种贵很多, 但是在杆塔费用上, 由于不需更换大部分的杆塔, 大大节约了静态投资, 优势很明显。
(2) 运行损耗比较[14,15]
随着运行温度的升高, 输送容量虽然提升了, 但是线路的损耗也会增大, 究竟采用何种方案, 还要比较三者的运行损耗。
根据文献[5]中的计算公式:
式中:ΔW为年电能损耗, MW·h;ΔP为线路功率损耗, MW;τ为年平均损耗小时数, 一般取5000h。
线路年平均电能损耗费用为:
式中:ΔM为线路年平均电能损耗费用, 万元/ (km·a) ;T为电价, 一般取0.5元/ (kW·h) 。计算三种备选方案导线的损耗电能如表3所示。
由以上分析可知, ACCC导线的线路损耗最大, 因此, 还需评价三种方案的综合经济效益, 才能最终确定最优化方案。
(3) 综合经济效益
三种方案的经济性指标比较如表4所示[16]。
以年费用最小化进行评价, 年费用综合考虑了投资和运行费用、投资收益等因素, 评价方案更严格合理。电力工业部门电计字第44号文《颁发“电力工程经济分析暂行条例”的通知》中的年费用计算公式:
式中, NF为年费用;r0为电力工程投资的年回收率;u为折算年运行费用;n为经济使用年数;Z为折算到第m年的总投资, 如下式表示:
Zt为第t年的工程新增投资m为施工年数;t为从工程开工这一年起的年份。
新建线路工程经济适用年限一般为25年, 改造为5年或10年。贵州电网的最大负荷利用小时数按5000小时计算;设备运行维护费率为14%;电力工程回收率r0按工程投资的8%;电价0.50元/kW·h (落地电价) 电价计.我们得到使用三种导线的费用现值如图1所示:
由以上分析可知, 换用大截面导线的静态投资最大, 但是动态投资优势明显, 从综合效益来看, 换用大截面导线是最贵的。由于本次改造所需提高的输送容量较大, 使得即使选择耐热导线也需要选择较原导线截面积大的耐热导线, 这就造成了换用耐热导线的静态投资优势不明显。虽然碳纤维复合芯铝绞线的单价较贵, 且损耗较大、动态投资占劣势, 但是由于只需更换部分杆塔, 从而节约了大笔的静态投资, 使得在综合效益上远远优于另外两种导线[16]。
3 结语
3.1
在各种增容导线方案中, 较适合于目前的高压架空送电线路增容改造特点的导线方案是:大截面导线、耐热导线输电技术和碳纤维复合芯铝绞线等, 这些导线的输送容量大, 占用线路走廊资源少, 目前研究和应用比较成熟。
3.2
目前送电线路工程使用周期一般为10-15年, 所以, 从经济性考虑, 该线路改造建议选用ACCC/TW Hawk型碳纤维复合芯铝绞线。
3.3
上述结论只是以贵州电网中的一条110kV某线路增容改造工程S为研究对象。输电线路中的基础工程建设费用、设计管理建设费用、赔偿费用和其他费用都与具体的地区的地形、地貌、建设环境等有很大的关系, 在具体进行某项改造工程时要进行更为详细的技术经济分析。
摘要：随着电力负荷的日益增加, 电网现有的输送容量已不能满足要求, 但我国土地资源有限, 输电走廊的选择受到制约, 因此, 提高单位走廊传输功率的需求日益迫切。碳纤维复合芯铝绞线输电技术都能够大幅度提高线路的输送能力和线路走廊的单位容量, 节约输电线路走廊。本文简单介绍了碳纤维复合芯铝绞线 (ACCC) 的发展水平和工程应用现状, 分析说明了其工作原理、性能特点、优势和使用范围。
关键词：输送容量,大截面导线,耐热导线,碳纤维复合芯铝绞线,增容改造
参考文献
碳纤维复合芯铝绞线 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).
碳纤维复合芯铝绞线 第4篇
为了响应建设资源节约型输电线路, 利用原有输电线路走廊挖掘其潜力的旧线路扩容改造工程正逐渐兴起。旧线路扩容改造工程是在不更换原有线路杆塔的前提下仅更换增容导线, 只要保证所更换的增容导线的弧垂、线损等都满足相关要求, 就可实现增容和节能的目的。
碳纤维复合芯导线作为一种全新结构的节能型增容导线, 具有重量轻、强度大、弧垂小、线损低、载流量大等一些列优点, 其以极高的性价比取代了耐热铝合金导线、殷钢芯耐热铝合金导线、间隙型钢芯耐热铝合金导线等增容导线在旧线路扩容改造中被广泛应用[1]。碳纤维复合芯导线由碳纤维复合芯与软铝型线经特殊工艺绞合而成。当导线运行温度在拐点温度 (碳纤维复合芯导线的拐点温度为80℃) 以下, 线路运行时的应力由软铝型线和碳纤维复合芯共同承担, 导线弧垂的变化取决于两者的共同作用产生的线膨胀系数;但当导线运行温度在拐点温度以上, 则软铝型线承受的机械应力便全部转移至碳纤维复合芯上, 导线弧垂的变化完全取决于碳纤维复合芯的线膨胀系数。因此, 在碳纤维复合芯导线的弧垂计算时, 必须要先求出线路在拐点温度运行时的导线应力, 再以此为条件求出线路在拐点温度以上运行时的导线应力, 然后进行弧垂的计算。
1 导线应力及弧垂的计算过程
1.1 线路在拐点温度 (及以下) 运行时
线路在拐点温度 (及以下) 运行时, 碳纤维复合芯导线的应力及弧垂的计算与传统钢芯铝绞线的一样[2,3], 采用北京世纪百合公司的送电线路设计系统软件或北京道亨公司的SLCAD架空送电线路定位CAD系统都可计算出线路在拐点温度 (及以下) 运行时导线的应力及弧垂, 当然也可以采用自己编写的EXCEL小软件计算 (在此不作详细介绍) 。但一般上述计算都是按以下程序进行的:首先, 根据气象条件、安全系数、年平均系数及导线有关参数计算出各气象条件下的相应比载和许用应力;其次, 列出有可能成为应力控制条件 (气象条件变化, 架空线的应力也随之变化, 其中必定存在一种气象条件, 使得架空线在该气象条件下应力最大, 这一气象条件被称为控制气象条件, 简称控制条件) 的四种气象 (最低气温、最大风速、最厚覆冰和年均气温) 条件下的相应的比载、温度和许用应力等参数, 再依照临界档距 (即两个及两个以上气象条件同时成为控制条件时的档距) 计算公式求出临界档距并确定控制条件;最后, 以各档距范围内的控制条件为已知条件, 各气象条件为待求条件, 利用悬链状态方程, 求得各气象条件下的应力, 最后算出各自的弧垂。
1.2 线路在拐点温度以上运行时
线路在拐点温度以上运行时, 碳纤维复合芯导线的应力全部转移到碳纤维复合芯上, 此时导线的线膨胀系数及弹性模量等于碳纤维复合芯的线膨胀系数及弹性模量。计算时就应以线路在拐点温度运行时导线的应力、比载、温度、碳纤维复合芯的线膨胀系数、弹性模量等为已知条件, 再利用悬链状态方程求出待求温度下的导线应力以及弧垂。对于计算结果, 可采用相关经验公式进行电气校验, 即先根据线长公式求出线路在拐点温度运行时档内线长, 再利用碳纤维复合芯的线膨胀系数计算出待求温度下档内线长, 然后利用线长公式反推出应力, 最后依据弧垂公式计算出待求温度下的弧垂。
2 工程应用计算实例
现以江苏徐州金虹钢铁有限公司至110kV敬安变电站旧线路扩容改造工程为例, 阐述更换的增容导线 (碳纤维复合芯导线) 的应力及弧垂的计算过程。该工程中钢铁公司通过同塔双回35kV钢厂Ⅰ、Ⅱ线接至敬安变电站, 线路长度为1.5km, 原导线为LGJ-185/25钢芯铝绞线, 安全系数为3.09, 年平均系数20%, 地形为平原, 杆塔高差基本为0。由于工厂二期工程上马, 用电负荷从原有的24 800kVA增加到55 000kVA, 为了充分利用原有线路杆塔, 决定将35kV钢厂Ⅰ线的LGJ-185/25钢芯铝绞线更换为增容导线 (碳纤维复合芯导线) 以满足生产需要。
2.1 导线选型
在碳纤维复合芯导线选型时, 应参考原有线路导线LGJ-185/25钢芯铝绞线的相关参数, 包括线密度为704.9kg/km, 外径为18.90mm, 额定抗拉力为59.23kN等, 同时结合导线载流量要求。载流量P的计算公式为[4]:
式中U为线路运行电压, I为线路运行电流, cosφ为功率因数。将新增后的线路负荷P=55 000kVA, 电压等级U=35kV, cosφ=0.95, 代入上式计算可得I=955A。我们参照碳纤维复合芯导线样本, 经综合性能比较最后选择了JLRX/T-240/28规格的碳纤维复合芯导线, 该导线在环境温度为40℃时导线运行温度为150℃, 载流量达到960A, 该导线其他相关参数如表1所示。
注:1) 碳纤维复合芯导线的拐点温度为80℃。
为验证所选择的碳纤维复合芯导线的供电电压偏差是否满足GB/T 12325—2008《电能质量供电电压偏差》标准中对35kV线路供电电压允许偏差的规定 (<10%) [5], 我们对供电电压偏差Ud进行了核算。供电电压偏差Ud的计算公式为:
式中L为线路长度, L=1.5km;RAC为交流电阻, 线路运行电流I=955A时, JLRX/T-240/28碳纤维复合芯导线的RAC=0.179 2Ω/km;系统电压U=3.5×104 V。将上述数据代入上式, 计算可得Ud=0.73%, 满足标准要求。
2.2 工程气象条件和新线路参数设定
表2列出了该线路工程气象区的计算用气象条件。表3列出了根据原有线路钢芯铝绞线的安全系数、年平均系数等参数经计算得出新线路JLRX/T-240/28碳纤维复合芯导线的安全系数和年平均系数。
注:1) 年平均系数是指年平均气温控制条件计算的导线年平均应力不能超过导线的许用应力要求。
2.3 导线比载
导线比载γ包括垂直比载、水平比载、综合比载。垂直比载为自重比载和冰重比载之和, 作用方向垂直向下。自重比载是架空导线自身重量引起的比载, 其大小可认为不受气象条件变化的影响;冰重比载是架空线的覆冰重量引起的比载。自重比载γ1、冰重比载γ2和垂直比载γ3的计算公式分别为:
式中A为导线总截面积, A=268mm2;g为重力加速度, g=9.806 65 m/s2;q为线密度, q=700kg/km;ρ为冰密度, ρ=0.9×10-3 kg/cm3;b为覆冰厚度, b=5mm;d为导线外径, d=19mm。将相关参数代入上式, 可计算得γ1 (0, 0) =25.614 4×10-3 MPa/m, γ2 (5, 0) =12.415 4×10-3 MPa/m, γ3 (5, 0) =38.029 8×10-3 MPa/m。
水平比载有无冰风压比载和覆冰风压比载之分, 方向作用在水平面内。无冰风压比载γ4和覆冰风压比载γ5的公式分别为:
式中v为风速;αf为风速不均匀系数, 取值可详见表4;βc为风荷载调整系数, 该线路电压等级低于500kV, βc=1;μsc为风载体型系数, 导线直径d≥17mm时, μsc=1.1, 计算γ5时μsc=1.2;Wv为基本风压, Wv=0.625v2;θ为风向与线路方向的夹角, 假定风向与导线轴向垂直时, θ=90°。将相关参数代入上式, 可计算得γ4 (0, 10) =4.874 1×10-3 MPa/m, γ4 (0, 15) =10.966 6×10-3 MPa/m, γ4 (0, 26) =28.006 4×10-3 MPa/m, γ5 (5, 10) =8.115 7×10-3 MPa/m。
综合比载有无冰综合比载和覆冰综合比载之分, 分别等于相应气象条件下的垂直比载和水平比载的矢量和。无冰综合比载是架空线自重比载和无冰风压比载的矢量和, 覆冰综合比载是架空线垂直比载和覆冰风压比载的矢量和。无冰综合比载γ6和覆冰综合比载γ7的计算公式分别为:
将相关参数代入上式, 可计算得γ6 (0, 10) =26.074 0×10-3 MPa/m, γ6 (0, 15) =27.863 3×10-3 MPa/m, γ6 (0, 26) =37.953 3×10-3 MPa/m, γ7 (5, 10) =38.886 1×10-3 MPa/m。
2.4 临界档距及控制条件的判定
架空线的状态方程式给出了各种气象条件与架空线应力的关系。在输电线路的设计中, 必须保证控制气象条件下架空线的应力不超过允许使用应力 (许用应力) σ0, 从而保证其他气象条件下架空线的应力均小于许用应力。架空线的应力除与比载、气温有关外, 还与档距有关。一般来说, 最低气温、最大风速、最厚覆冰和年均气温四种气象条件都有可能成为控制条件, 这些都是在输电线路设计时必须考虑的。
在计算临界档距时, 把一种控制条件作为第Ⅰ状态, 另一种控制条件作为第Ⅱ状态, 将相关数据代入临界档距计算公式得到一个临界档距值, 并以此类推。一般情况下, 四种可能成为控制条件的气象条件经过两两组合存在6个临界档距, 但真正起作用的有效临界档距最多不超过3个, 此时我们应利用各种方法 (例如图解法、列表法等) 判定出有效临界档距 (由于篇幅关系, 在此不作展开) 。经计算, 在该线路工程中档距不大于158.4m时, 最低气温作为控制条件;档距大于158.4 m时, 年均气温作为控制条件。
2.5 代表档距
架空导线在施工安装时, 在同一个耐张段内各连续档的最低点水平应力是相等的。当气象条件变化, 各档距应力变化不完全相同时, 直线杆塔悬垂绝缘子串会向张力大的一侧偏斜, 使各档距应力趋于相等, 这个应力称为耐张段的代表应力, 与该应力对应的档距称之为代表档距。由于该线路工程中杆塔高度差基本为0, 则代表档距lr的计算公式可简化成:
式中li为耐张段内各档距, n为耐张段内档距数。将该线路杆塔明细表中整个耐张段内各档距320m, 445m, 286m, 277m, 172m代入上式, 可计算得代表档距lr=337m。
2.6 导线应力及弧垂
2.6.1 线路在拐点温度 (及以下) 运行时
根据连续档的代表档距与临界档距及控制条件, 可得出该线路导线应力应由年均气温作为控制条件。以年均气温条件为已知条件, 架线条件为未知条件, 利用状态方程式求出架线时相应温度下的应力, 状态方程式为:
式中t1, σ1, γ′1分别为初始气象状态下的导线温度、应力和比载;t2, σ2, γ′2为待求气象状态下的导线温度、应力和比载;E为导线弹性模量, α为导线线膨胀系数, l为档距。根据上式, 可计算出相应温度下的应力值, 再代入弧垂f计算公式:
式中σ0为档内导线最低点的水平应力。表5列出了在代表档距337m下, 线路在拐点温度 (及以下) 运行时碳纤维复合芯导线的应力与弧垂。
2.6.2 线路在拐点温度以上运行时
线路在拐点温度以上运行时, 有两种方法计算导线的应力和弧垂:a.以拐点温度时导线的应力、比载、温度、碳纤维复合芯的线膨胀系数、弹性模量等为已知条件, 再利用悬链状态方程求出导线高温运行时的导线应力, 最后算出弧垂。b.根据线长公式求出拐点温度时档内线长, 再利用碳纤维复合芯的线膨胀系数计算出待求温度下档内线长增加量 (ΔL=LαΔt) 及膨胀后的档内线长 (L′=L+ΔL) , 然后利用线长公式反推出待求温度下的弧垂及应力。表6列出了在代表档距337m下, 线路在拐点温度以上运行时两种方法计算的碳纤维复合芯导线应力与弧垂。对比表5与表6可知, 线路在拐点温度以下运行时碳纤维复合芯导线的弧垂受温度变化的影响较大, 而线路在拐点温度以上运行时碳纤维复合芯导线的弧垂受温度变化的影响极小, 这是因为线路在拐点温度以下运行时碳纤维复合芯导线的线膨胀系数是由碳纤维复合芯与软铝型线共同作用, 使其高达12.90×10-6℃-1, 而线路在拐点温度以上运行时碳纤维复合芯导线的弧垂变化量仅由碳纤维复合芯的线膨胀系数决定, 使其只有1.60×10-6℃-1。由此可见, 线路在拐点温度以上运行时碳纤维复合芯导线的弧垂优势能得到更好的体现。
2.6.3 与原有线路钢芯铝绞线对比
将原有线路负荷24 800kVA、电压等级U=35kV、功率因数0.95等参数代入式 (1) , 可计算出原有线路中LGJ-185/25钢芯铝绞线的工作电流为430A, 查相关数据可知在环境温度为40℃时导线工作温度为70℃。根据导线应力及弧垂的计算步骤, 可计算出在代表档距 (337 m) 下钢芯铝绞线的应力及弧垂, 如表7所示。
与原有线路LGJ-185/25钢芯铝绞线在代表档距下的最大弧垂为10.76m相比, 更换后的新线路JLRX/T-240/28碳纤维复合芯导线在代表档距下的最大弧垂仅为9.86m, 可完全满足客户要求。
3 结束语
基于有拐点温度的增容导线 (碳纤维复合芯导线) 是近几年才出现的, 而目前送电线路设计系统软件尚不具备计算拐点温度以上导线的弧垂功能, 因此本文对碳纤维复合芯导线应力及弧垂的计算作了系统的介绍, 并且特别指出了当运行温度在拐点温度 (碳纤维复合芯导线的拐点温度为80℃) 以下和在拐点温度以上时, 计算导线应力及弧垂时应采用不同的线膨胀系数、弹性模量。通过实例计算, 展示了导线运行温度达到拐点后外层导电铝承受的机械应力全部转移到内层线膨胀系数极小的碳纤维复合芯上后, 碳纤维复合芯导线获得的弧垂优势。希望本文能对一些从事增容导线设计的人员有一些参考价值。
参考文献
[1]远东复合技术有限公司.Q/320282DFP01—2012纤维增强树脂基复合芯软铝型线绞线[S].2012.
[2]国家质量监督检验检疫总局.GB/T 1179—2008圆线同心绞架空导线[S].北京:中国标准出版社, 2008.
[3]孟遂民, 孔伟.架空输电线路设计[M].北京:中国电力出版社, 2007.
[4]马国栋.电线电缆载流量[M].北京:中国电力出版社, 2003.