碳纖維導線在煤礦業的實際應用

劉樂毅

（1.太原理工大學電力學院，太原 030024；2.華潤煤業集團，太原 030006）

碳纖維導線在煤礦業的實際應用

劉樂毅1，2

（1.太原理工大學電力學院，太原 030024；2.華潤煤業集團，太原 030006）

煤礦供電線路使用傳統鋼芯鋁絞線時間造價低；而用碳纖維復合芯導線時的優點導電高、弧垂低、重量輕等，但是造價不菲。若其材料成本降低后，碳纖維復合芯導線在煤礦企業會有很大應用空間。

煤礦；碳纖維導線；實用分析

1 課題背景概況

1）長期以來，架空輸電線路導線主要采用鋼芯鋁絞線及相關產品。20世紀90年代末，人們開始試用復合材料制作導線，改善導線的弧垂特性，并用軟鋁型線代替硬鋁圓單絲，提高填充率及導電率，以達到提高線路輸送容量的目的。碳纖維復合芯軟鋁絞線隨之設計并制造出來。碳纖維復合芯軟鋁絞線的型號為JLRX/T（J-架空導線，LR-軟鋁，X-型線，T-碳纖維復合材料）。由于復合芯的強度足夠高，不再需鋁承擔受力，導電的鋁就可用退火狀態的軟鋁，其導電率可超過63%IACS；軟鋁的截面設計成瓦型，大幅減小導線外徑。

2）碳纖維復合芯導線的優越性能如下：a.導線的重量輕、強度高，在相同的運行應力時弧垂小。b.導線的線膨脹系數小，在最低溫到最高溫的運行溫度范圍內弛度小。c.導線的外徑小，導線運行時的風偏及覆冰載荷小。d.導線的直流電阻和交流電阻小，線路運行時線損低。e.導線允許運行溫度180℃，可大幅度增容。f.導線耐腐蝕，使用壽命長。g.導線表面緊湊、光滑，電暈損耗小。h.碳纖維復合芯導線的力學、熱學、電學特性均優于傳統導線，綜合解決了架空輸電領域多各項技術瓶頸，可廣泛用于老線路增容改造、新線路建設、電站母線，并可用于大跨越、大落差、重冰區、高污染等特殊氣候和地理場合的線路。因此，碳纖維導線具有明顯經濟價值和社會效益。

2 原相煤礦的實際應用分析

華潤煤業集團太原華潤煤業有限公司原相煤礦35 kV送電線路工程中，受客觀因素影響（必須利用舊桿塔，舊桿塔導線容量不夠，舊桿塔承載力不夠，投資總數限制等因素），現對原相煤礦兩回送電線路提出更換碳纖維導線的方案；并從舊有線路更換導線的方案說明、相關線路載流量、電壓降、短路熱穩定、桿塔荷載校驗計算書等方面進行分析。

2.1 原相煤礦雙回供電線路概況

原相煤礦35 kV變電站位于古交市原相鄉，主供原相煤礦地面及井下生產用電。雙電源一回由古交220 kV變電站出線，一回由邢家社220 kV變電站出線。古交220 kV變電站-原相35 kV變電站送電線路總長15.85 km，采用LGJ-240/30 mm2導線。邢家社220 kV變電站-原相35 kV變電站送電線路總長10.87 km，采用LGJ-240/30 mm2導線。然而施工工程中遇到新栽桿塔占地等問題：a.古交220 kV變電站現狀周圍已經被居民區包圍，線路出線需跨越居民房，因占地及跨越問題經多方協商后仍無法解決，考慮利用原永樹出線1號塔至合寶3號塔間現有的架空線路出線方案。利用合寶線路段為0.65 km。b.現原相礦基建10 kV線路為常安-原相線路和嶺河-原相線路，舊線路為35 kV設計10 kV降壓運行，為減少投資和縮短工期，建設單位提出在本次工程中充分利用已有線路段。本次工程中邢家社-原相線路利用常安-原相舊有線路3.4 km，古交-原相線路利用嶺河-原相舊有線路3.8 km。c.因上述利用舊有線路段導線已運行多年，根據原桿塔承載力等因素分析，現考慮架設線路采用鋼芯鋁絞線更換為碳纖維導線。

2.2 輸電線路基本情況：

1）古交-原相：總容量12 500 kVA，線路全長15.85 km。新建架空線路11.4 km，導線為LGJ-240/ 30；利用合寶線路徑長度0.65 km，現狀導線為LGJ-150/25；利用嶺河-原相原有線路3.8 km，現狀導線LGJ-120/25。更換導線段總長4.45 km。

2）邢家社-原相：總容量12 500 kVA，線路全長10.87 km。新建架空線路7.37 km，現狀導線LGJ-240/30；利用常安-原相原有線路3.5 km，現狀導線LGJ-120/25。更換導線段總長3.5 km。

2.3 計算內容

計算導線型號分別為LGJ-240/30、碳纖維導線JLRX/T150/30，參數均采用國家標準導線型號參數。

1）計算一：古交站/邢家社-原相煤礦單回35 kV送電線路載流量計算。

結論：LGJ-240/30長期允許載流量為655 A、JLRX/T150/30長期允許載流量為521 A，滿足條件。

2）計算二：古交站/邢家社-原相煤礦單回35kV送電線路電壓降計算。

a.古交-原相35 kV線路電壓降計算：

已知負荷容量：S=12 500 kVA，功率因數：cosθ=0.9，線路長度：L=15.85 km，電壓等級：U1=35 kV，經濟電流密度：J1=0.9.

計算負荷電流：

有功功率：P=S·cosθ=1.125×104；

電壓降計算

LGJ-240導線參數：

導線電阻：r0=0.131，導線感抗：x0=0.378，長度L0=11.4.

JLRX/T150/30導線參數：

導線電阻：r1=0.231，導線感抗：x1=0.4，長度L1= 4.45.

電壓降為：

結論：電壓降小于5%，滿足要求。

b.邢家社-原相35 kV線路電壓降計算：

已知負荷容量：S=12 500 kVA，功率因數：cosθ=0.9，電壓等級：U1=35 kV.

計算負荷電流：

電壓降計算

LGJ-240導線參數：

導線電阻：r0=0.131；導線感抗：x0=0.378；長度L0=7.37.

JLRX/T150/30導線參數：

導線電阻：r1=0.231；導線感抗：x1=0.4；長度L1= 3.5.

電壓降為：

結論：電壓降小于5%，滿足要求。

3）計算三：按照短路熱穩定校驗導體的截面。

本線路為35 kV架空輸電線路，無需做動穩定校驗及電暈條件的校驗，按短路熱穩定校驗導線的截面：

式中：S為導體的載流截面，mm2；Qd為短路電流的熱效應，（A2·s）；C為與導體材料及發熱溫度有關的系數，查《電氣工程電氣設計手冊—電氣一次部分》表8-8短路前導體溫度為+70℃時的熱穩定系數C值，取87。

由于短路電流在導體和電器中引起的熱效應Qd=Qz+Qf，其中Qz為短路電流周期分量引起的熱效應，kA2·s；Qf為短路電流非周期分量引起的熱效應，kA2·s；Izt為短路電流周期分量的有效值，kA；本次計算取Izt=16 kA，短路電流周期分量的有效值見本工程的可研接入報告，邢家社及古交站35 kV母線短路電流周期分量有效值分別為14.238 kA和15.575 kA，由于線路末端距離電源點（古交和邢家社站的35 kV母線）較遠，短路電流周期分量有效值將更小，因此，本次校驗統一采用16 kA。Izt/2為短路電流在t/2s周期分量的有效值（kA）；本次計算假設短路的周期分量不衰減，故Izt/2=Izt=I″=16 kA。T為短路持續時間；考慮保護反應時間及機構動作時限，本次計算取t=0.15 s，（一般持續時間0.1 s左右，為了保險起見，本次校驗計算取值較大）。T為非周期分量等效時間；查《電氣工程電氣設計手冊—電氣一次部分》表4-21，可知T=0.05 s。計算短路電流周期分量引起的熱效應：

Qz=〔（I″）2+10I2zt/2+I2zt〕×0.15/12=3.84×107（A2·s）.計算短路電流非周期分量引起的熱效應：Qf=T（I″）2= 1.28×107（A2·s）.

因此，Qd=Qz+Qf=5.12×107（A2·s）.

結論：顯然，經熱穩定校驗，導線截面只要大于82 mm2即可滿足短路情況下的熱穩定。本次選擇導線最小型號為JLRX/T150/30，滿足要求。

4）計算四：按導線單重和外徑校驗桿塔荷載。如表1和表2所示。

表1 JLRX/T碳纖維導線參數

表2 LGJ-120/25、LGJ-150/25、LGJ-240/30導線參數

5）更換導線費用估算，如表3所示。

表3 導線費用單價表

線路運行中桿塔主要受桿塔身風荷載、桿塔身垂直荷載和導線風荷載、垂直荷載。不更換桿塔情況下只需比較各導線風荷載和垂直荷載即可。線路檔距和氣象條件不變情況下，導線外徑越大，風荷載越大；導線單重越重，垂直荷載越大。由上述表中數據看出：JLRX/T-150/30碳纖維導線外徑比LGJ-120/25小，JLRX/T-150/30碳纖維導線單重比LGJ-120/25輕，所以在原桿塔架設的LGJ-120/25情況下更換JLRX/T-150/30碳纖維導線是可行的。

進行導線更換的線路共7.95 km，故需碳纖維導線費用49.29萬元。再考慮更換導線的相關材料（比如：避雷線、光纜、重力錘、絕緣端子等）。更換JLRX/T-150/30，線材料費總共約190萬元，施工費約50萬元，合計費用約240萬元。

3 結束語

目前，煤礦供電線路主要還是使用傳統鋼芯鋁絞線，材料造價低，雖然碳纖維復合芯導線有其自身優點（導電高、弧垂低、重量輕、強度大、低線損、弛度小等），但是新型材料造價不菲。煤礦企業首先注重安全，然后就是成本和利潤。所以新型材料目前在煤礦的應用僅限于特定情況，還沒廣泛應用。待新型材料成本降低后，碳纖維復合芯導線在煤礦等企業會有很大應用空間。

Application of Carbon Fiber Conductor in Coal Mining

LIU Leyi1，2
(1.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,
China；2.Taiyuan/Shanxi China Resources Coal Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China)

For power supply lines,while traditional aluminum cable steel reinforced(ACSR)has low cost of time,carbon fiber conductor is expensive.But the carbon fiber conductor has many advantages, including high conductivity,low sag,and light weight.With the cost reduction of materials,the carbon fiber conductor could have wide application in coal enterprises.

mine;carbon fiber conductor;practical analysis

TM752;TM244.2

A

1672-5050（2015）03-0083-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.029

（編輯：劉新光）

2015-01-28

劉樂毅（1982-），男，山西太原人，大學本科，工程師，從事煤礦機電自動化研究及應用。