碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在輸電線路重冰區(qū)域上的應(yīng)用

趙曉鋒

摘要：介紹了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線發(fā)展?fàn)顩r、趨勢(shì)和特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的優(yōu)點(diǎn)，以及國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：電力碳纖維導(dǎo)線架空輸電線路應(yīng)用

0 引言

2008年初，我國(guó)南方雪災(zāi)給國(guó)計(jì)民生帶來重大災(zāi)難和經(jīng)濟(jì)損失，有些地方由于輸電線路覆冰，鐵塔扭曲變形甚至倒塌傷人。2009年，山西電網(wǎng)所轄曲朔Ⅱ線由于覆冰，地線斷線，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。有鑒于此，電網(wǎng)輸電線路需要一種重量輕、強(qiáng)度高、弛度低、耐腐蝕、低線損的新型架空導(dǎo)線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是最好的選擇。

名詞解釋：ACCC—碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線

ACSR—鋼芯鋁絞線

1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線簡(jiǎn)介

中國(guó)土地資源有限，輸電走廊的選擇受到制約，提高單位走廊傳輸功率的需求日益迫切，對(duì)于輸電能力取決于導(dǎo)線熱穩(wěn)定性的架空輸電線路，更換高性能導(dǎo)線能夠顯著提高線路輸送能力。近年來，隨著大風(fēng)、覆冰等惡劣氣候的增多和加劇，導(dǎo)線風(fēng)偏、舞動(dòng)引發(fā)的線路故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，更換低弧垂、高強(qiáng)度導(dǎo)線可有效抑制相地、相間放電及導(dǎo)線損傷。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線因具有重量輕、高強(qiáng)度、高彈性模量、低線膨脹系數(shù)、耐高溫、耐疲勞、耐腐蝕等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，既能夠用于提高輸送能力，又可有效提高線路安全運(yùn)行水平，將成為最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛯?dǎo)線品種。目前，已有國(guó)內(nèi)廠商可以生產(chǎn)這種導(dǎo)線。

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2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的特點(diǎn)

2.1 運(yùn)行溫度高。碳纖維復(fù)合芯耐熱導(dǎo)線可使遷移點(diǎn)溫度提升，如ACCC/LH-300/50導(dǎo)線的遷移點(diǎn)溫度在100～110℃范圍內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行溫度可達(dá)160℃，短時(shí)間正常運(yùn)行溫度可達(dá)200℃，能輕松滿足增容后的弧垂等要求。

2.2 強(qiáng)度高。一般鋼絲的抗拉強(qiáng)度為1240Mpa，高強(qiáng)鋼絲為1410Mpa，而碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線芯棒，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到2600Mpa，分別為前兩者的2.1倍和1.85倍。

2.3 重量輕。碳纖維復(fù)合芯材料的比重約為鋼的1/5。在相同的外徑下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的重量比常規(guī)鋼芯鋁絞線ACSR輕20-40％。

2.4 彈性模量高，線膨脹系數(shù)小，弛度小。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與ACSR導(dǎo)線相比，具有顯著的低弛度特性。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，溫度從26.1℃上升到183℃時(shí)，常規(guī)ACSR導(dǎo)線的弛度從236mm增加到1422mm，提高了5倍；而ACCC導(dǎo)線的弛度僅從198mm增加到312mm，提高僅0.57倍。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線弛度的變化量?jī)H為常規(guī)ACSR導(dǎo)線的9.6%。在高溫下弧垂不到鋼芯鋁絞線的1/10，能有效減小桿塔塔頭高度，提高了導(dǎo)線運(yùn)行的安全性和可靠性。

2.5 線損小，輸送容量大。由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線不存在鋼絲材料引起的磁損和熱效應(yīng)，復(fù)合芯的非磁性體結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)導(dǎo)線的渦流損耗，在輸送相同負(fù)荷的條件下，還具有更低的運(yùn)行溫度，因此可以減少輸電損失約6%。因碳纖維導(dǎo)線可以連續(xù)高溫（1500C）條件下運(yùn)行，故其載流量可達(dá)到常規(guī)導(dǎo)線的兩倍左右。耐熱鋁合金導(dǎo)線，具有耐高溫、高導(dǎo)電率等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于城網(wǎng)電網(wǎng)增容改造線路，使之在提高傳輸容量的同時(shí)，提高并改善電路的安全和可靠性。如選用同規(guī)格的該產(chǎn)品，可增容一倍，不需考慮余量。在大容量線路輸電時(shí)可以減少導(dǎo)線的相分裂根數(shù)，提高安全可靠性。

2.6 耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)。碳纖維導(dǎo)線的承力元件為“耐高溫改性樹脂基與高性能碳纖維復(fù)合材料”，與傳統(tǒng)的鋼芯相比，碳纖維復(fù)合材料對(duì)環(huán)境的酸、堿、鹽、紫外線等侵蝕更穩(wěn)定。而且又避免了導(dǎo)體在通電時(shí)鋁線與鍍鋅鋼線之間的電化腐蝕問題，較好地解決鋁導(dǎo)線長(zhǎng)期運(yùn)行的老化問題。

2.7 降低線路改造成本。以500 kV線路為例，在相同的環(huán)境條件下雖然復(fù)合芯導(dǎo)線的價(jià)格是ACSR的3-4倍，經(jīng)濟(jì)傳輸容量卻為1.5-2倍。對(duì)于舊線路改造只需要更換導(dǎo)線，大大縮短施工工期、節(jié)省線路綜合造價(jià)（約30％）。且由于強(qiáng)度高、重量輕和低馳度特性可使桿塔高度降低，同時(shí)可使鐵塔結(jié)構(gòu)更趨緊湊，縮小基礎(chǔ)根開，(或增加桿塔之間的跨距)減小占地，可減少20%桿塔。也特別適用于大跨越，如針對(duì)碳纖維導(dǎo)線做典型設(shè)計(jì)可節(jié)省新建工程總造價(jià)10-20%。

2.8 對(duì)于季節(jié)性負(fù)荷變化比較大的線路，該產(chǎn)品尤為適用。可適當(dāng)降低導(dǎo)線截面積，節(jié)約建設(shè)費(fèi)用。

目前，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線已在全國(guó)多地掛網(wǎng)運(yùn)行，近兩年已累計(jì)掛網(wǎng)8000公里，尚未發(fā)生過ACSR導(dǎo)線易發(fā)生的弛度下降、導(dǎo)線發(fā)熱、斷股等異常現(xiàn)象。其耐張線夾和接續(xù)管等部件運(yùn)行正常，全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線技術(shù)對(duì)節(jié)約電能、改善環(huán)境有著非常重要的意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的鋁股選擇

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線鋁股的選擇考慮如下：根據(jù)鋁股的差異，有三種碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線：

①采用耐熱鋁合金作為碳纖維導(dǎo)線的鋁股，形成碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線。導(dǎo)電率60-61％，施工、運(yùn)行性能良好。

②采用硬鋁作為碳纖維導(dǎo)線的鋁股，形成碳纖維復(fù)合芯硬鋁絞線，其同時(shí)兼顧了導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度。

③采用軟鋁作為碳纖維導(dǎo)線的鋁股，形成碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線，導(dǎo)電率63.5%，降低了線路損耗。

4 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用

2009年1月自主研發(fā)的碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線在500kV萬順三線470～473號(hào)耐張段掛網(wǎng)運(yùn)行，這是碳纖維導(dǎo)線首次成功應(yīng)用于500kV超高壓輸電線路，以ACCC/LH-300/50替換鋼芯鋁絞線LGJ-400/35，導(dǎo)線總長(zhǎng)度15km。

截止到2011年1月底，碳纖維導(dǎo)線已連續(xù)運(yùn)行2年以上，該耐張段未發(fā)生電氣及機(jī)械故障。對(duì)試運(yùn)行線路地面電/磁場(chǎng)強(qiáng)度、可聽噪聲、無線電干擾、鐵塔傾斜及扭轉(zhuǎn)、導(dǎo)線和金具溫度、導(dǎo)線弧垂和對(duì)地距離等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.1 導(dǎo)線、金具溫度測(cè)試

萬順三線恢復(fù)運(yùn)行后，北京超高壓公司對(duì)0470號(hào)－0473號(hào)ACCC-300/50碳纖維導(dǎo)線及金具、0470小號(hào)側(cè)和0473號(hào)大號(hào)側(cè)LGJ-400/35鋼芯鋁絞線及金具進(jìn)行了紅外測(cè)溫。

更換的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（ACCC-300/50）在約1000MW負(fù)荷下，溫度比相鄰檔的鋼芯鋁絞線（LGJ-400/35）低0～10℃，其中運(yùn)行初期溫差偏大（包括2009年1月12日、13日、17日測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)均顯示ACCC-300/50新型導(dǎo)線溫度比LGJ-400/35型導(dǎo)線低5～10℃），后期溫差逐漸縮小。

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線路運(yùn)行期間的測(cè)溫設(shè)備為手持式紅外儀，主要依靠被測(cè)物體的熱量輻射確定被測(cè)物體溫度。由于新線（碳纖維導(dǎo)線）表面光亮，輻射系數(shù)小，熱量輻射少，導(dǎo)致新線溫度明顯偏低。同一時(shí)間段內(nèi)上述2種導(dǎo)線的耐張線夾溫度差異較小（小于3℃）。

4.2 導(dǎo)線弛度及對(duì)地距離測(cè)試

萬順Ⅲ線恢復(fù)運(yùn)行后，北京超高壓公司對(duì)0471#－0472#碳纖維導(dǎo)線ACCC/LH-300/50以及0465號(hào)－0466號(hào)LGJ-400/35鋼芯鋁絞線的弧垂進(jìn)行了測(cè)量。

4.2.1 導(dǎo)線弧垂測(cè)量：自2009年1月10日萬順Ⅲ線被測(cè)相導(dǎo)線掛線完成至1月17日，471#-472#檔碳纖維導(dǎo)線弧垂有一個(gè)近300mm的增長(zhǎng)量，這主要是線路投運(yùn)后，導(dǎo)線溫升所致，該期間萬順Ⅲ線負(fù)荷有1000MW。

至2010年1月2日，測(cè)量結(jié)果表明：碳纖維導(dǎo)線弧垂趨于穩(wěn)定，如下圖所示。更換碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（ACCC-300/50）后導(dǎo)線弧垂比同檔（471＃～472＃）原鋼芯鋁絞線（LGJ-400/35）小3～4m，對(duì)地距離增大3～4m。與對(duì)比測(cè)量的萬順Ⅲ線465＃～466＃檔的鋼芯鋁絞線（LGJ-400/35）相比，弧垂優(yōu)勢(shì)更顯著，如下圖所示。