碳纖維復合芯導線的應用研究-技術報告(江蘇)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 60～ 90MPa 范圍內，鋁線強度沒有明顯的提高。 導線微風振動疲勞試驗 試驗目的：評估線路的振動疲勞性能。 試驗結果：通過耐 振疲勞試驗 。 3 根試樣分別經過 3x107次連續振動疲勞試驗后，對懸垂線夾處的導線進行拆股觀察，未見有任何開裂斷股現象。 導線的電 暈及無線電干擾試驗 試驗目的：測試 ACCC/TW 導線的電暈熄滅電壓和無線電干擾電壓；比較型線與圓線在電暈及無線電干擾的水平。 13 試驗結果： 復合芯梯形單線同芯層鋁導線 ACCC/TW 與鋼芯鋁絞線 LGJ 的可見電暈和無線電干擾電壓試驗結果 基本一致，鋼芯鋁絞線略優于復合芯梯形單線同芯層鋁導線，兩者均滿足 220kV 輸電線路的運行要求。 導線 運行調試 試驗 加負荷 試驗方式下 現場的 接線 為 掌握 實際運行中的 ACCC 導線載流性能和弧垂特性，擬將電網按以下形式改接，臨時接入 110kV 湖塘變，試驗結束后再斷開。 預計最大負荷 約 15 萬 kW 左右 。 試驗時間： 冬季 2020 年 12 月 20 日 ； 夏季 2020 年 8 月 15 日 。 圖 負荷 試驗方式下現場 接線 圖 148 m 11 8 10 常州變出線電纜 385 m 1389 m ACCC Lin431 LGJ185 ACCC 常白線 27 （跳線搭頭接通） 滆湖線 22 （跳線搭頭接通） 至滆湖變 至湖塘變 LGJ185 至采菱變 LGJ300 至工業園變 LGJ300 14 線路巡視復查 為保證調試成功，運行單位線路工區組織一次特殊巡視，對 110kV 常白線主線段各處的導線、絕緣子、桿塔狀況、通道情況、交叉跨越情況等再做一次復查，及時消除不安全因素。 為保證兩條線路搭接順利，線路工區負責對 110kV 常白線 1～ 27～原 36 段相位進行現場復核，武進供電公司負責對 110kV 滆湖線 22～湖塘變～滆湖變段相位進行現場 復核，確保線路接通時相位一致。 運行方式調整過程 ⑴、 8： 30 110kV 常白 7550 線 、滆 湖 7731 線 臨時搭通工作結束后，線路工區梁整民向調度匯報： 110kV 常白 7550 線 、滆 湖 7731 線 已臨時搭通，保證相位正確，線路可以送電。 ⑵、拆除 110kV 常白 7550 線 、滆 湖 7731 線 各側接地線。 ⑶、常州變：常白線 713 開關轉為副母運行。 ⑷、調度通知測試現場指揮： 110kV 常白 7550 線 準備帶負荷。 ⑸、采菱變：由芳采線合環調常白線供電，芳采線 712 開關轉為熱備用（自投啟用）。 ⑹、武調： ① 工業園變：合環調常白線供電，遙工線轉為備用 （自投啟用）。 ② 湖塘變：合環調滆湖線供電，武湖線轉為備用（自投啟用）。 ⑺、調度通知測試現場指揮： 110kV 常白 7550 線 已帶全部負荷 ⑻、測試工作結束后由現場指揮向調度匯報： 110kV 常白 7550 線 帶負荷測試工作結束， 110kV 常白 7550 線 、滆 湖 7731 線 可以停電，拆開臨時搭頭線。 ⑼、線路搭頭拆開后，調度恢復正常運行方式。 現場測試工作 測試時間 冬季 試驗： 2020 年 12 月 20 日 ， 上午 9： 00 ～ 下午 16： 00。 夏季 試驗 ： 2020 年 8 月 15 日 ， 上午 9： 00 ～ 下午 16： 00。 現場測量內容 選定代表性兩檔 ，按照不同時間段負荷和電流的變化情況，進行 ACCC/TW 導線弧垂 和溫度的跟蹤 測量 。 第 1 檔： 5～ 6， 檔距 289 米； 15 第 2 檔： 9～ 10；檔距 195 米 。 測溫設備：紅外熱像儀。 測高 設備：全站儀、激光測高儀。 另外，對 以下 附件相應 進行 測溫 ，以觀測附件的溫升變化 ： A 處： 5 塔導線懸垂線夾 ； B 處： 10 支接塔 ， 主線 ACCC 耐張 線夾 、 工業園側 LGJ300/25 導線 耐張 線夾 、采菱側 LGJ185 導線 耐張 線夾 ； C 處： 1 終端 塔， 電纜 接線端子 、 LGJ185 導線 。 相關 測試 記錄 舉例 例： 測量檔 號： 5 ～ 6。 （ 1）冬季 試驗： 測量檔距 289 米；環境氣溫：上午陰 5℃，下午陰 10℃。 表 冬季 試驗 現場監測記錄 時 間 電流值 (A) 導線 溫度 (℃ ) 弧垂值 (m) 10:10 10:20 10:30 10:45 10:55 11:05 11:15 13:00 13:10 13:30 14:10 14:45 15:10 15:15 15:30 16:00 0 0 （ 2）夏季 試驗： 測量檔距 289 米；環境氣溫：上午陰 28℃，下午晴 32℃。 表 夏季 試驗 現場監測記錄 16 時 間 電流值 (A) 導線 溫度 (℃ ) 弧垂值 (m) 9:30 10:00 10:30 10:50 11:00 11:15 11:30 13:00 13:30 13:50 14:20 14:45 15:05 15:30 16:00 經復核線路斷面， 溫度變化 下 現有的各種 交叉跨越 設施均滿足安全限距的要求。 17 4 研究 成果 和效益 導線 機械 性 能 的 研究 碳纖維復合芯導線（ ACCC），采用高性能 碳 纖維復合材料作為導線 芯材來代替鋼芯，與鋼芯鋁絞線相比，在相同的外徑時，復合芯 鋁絞線 允許纏繞超過 20%的導電鋁線。機械性能上具有以下 一些 特點 。 強度高 用碳纖維復合芯替代傳統的鋼芯，抗拉強度 可達到 2399MPa， 是一般鋼絲（ 1240MPa） 的 倍 。 抗拉強度 的提高允許提高桿塔間的跨距，以降低工程成本。 線膨脹系數小， 弧垂 小 復 合材料芯 的線膨脹系數為 10 6（ 1/℃ ）。 鋼芯鋁絞線一般為 20 106。 經過熱膨脹試驗 （試樣長度 50 米） ， 測試出 ACCC/TW 導線的 線膨脹系數 α ： ? 拐點溫度（ 80℃ 左右）以下為 10 6（ 1/℃ ） ； ? 拐點溫度 （ 80℃ 左右） 以上為 106（ 1/℃） 。 由于復合芯的熱膨脹系數比外層軟鋁線的熱膨脹系數小的多， 在一定的溫度 （即拐點溫度 ） 以上 ， 導線的所有機械張力都將由 碳纖維復合芯 來承受 ， 此溫度時鋁導體部分的應力變為零 。 鋁線由于熱膨脹伸長量很大，基本不承受拉力， 整根 導 線的熱膨脹和彈性伸長 取決于 復合 芯的熱膨脹和伸長率。 所以整個導線的熱膨脹很小，線長變化很小，隨著溫度的上升，弧垂增加得很小。 下 圖 是 另一規格的 ACCC/TWDrake1020導線 與直徑相近的 LGJ400/35導線進行高溫 弧垂 ─溫升比較試驗的曲線圖 （測試檔距 50 米） 。 18 圖 兩種絞線弧垂─溫升曲線比較圖 可以分析出， 在相同的實驗條件下， 溫度從 50℃ 上升到 130℃ ， LGJ400/35 導線弧垂從 190mm 增加到 620mm， 提高了 倍； ACCC/TWDrake 導線弧垂從 175mm 增加到 245mm，提高了 倍 。 ACCC/TW 導線 的 弧垂 變化量僅為常規 鋼芯鋁絞線 的 1/6。溫度越往上 升 ， ACCC/TW 導線 的弧垂 變化量 越小 ，基本不增加 。 可見， 碳纖維復合芯導線 與 常規 鋼芯鋁絞線 相比具有顯著 的低弧垂特性。 能減少架空線走廊的交跨絕緣距離，提高運行安全和可靠性。 重量輕 復合材料芯比重 僅 ， 為傳統鋼芯的 1/4。 本次選擇的 Lin431 型的碳纖維復合芯導線，直徑 ，與原 LGJ185鋼芯鋁絞線 接近，單位長度重量 653kg/km，小于原 LGJ185 導線 774kg/km。但鋁面積達 218mm2，與原 LGJ185 導線（鋁面積 ）相比， 單位鋁截面積對應導線重量為常規 鋼芯鋁絞線 的 70%。 自重的減輕可使導線荷載減少約 25%。 重量輕 和低 弧垂的特性可以降低桿塔高度，減輕鐵塔結構強度要求，節省線路綜合造價。 碳纖維復合芯導線單絲性能表 單絲性能 符號 碳纖維合成芯導線 鋁線 碳纖維芯 直 徑 mm 強 度 N 805 70000 導 電 率 ％ IACS 63 0 延 伸 率 ％ 20~30 線密度 kg/dm3 線膨 脹 系數 106/℃ 23 (0200℃ ) (15200℃ ) 碳纖維合成芯 導線參數表 序號 參 數 符 號 導線 1 規格 Lin 431kcmil 2 標稱截面 mm2 218 3 鋁線數量 16 19 碳纖維芯數量 1 4 計算截面 mm2 鋁線 mm2 碳纖維芯 mm2 28 5 碳纖維芯直徑 mm 整根導線直徑 mm 6 導線質量 kg/km 655 芯質量 kg/km 52 鋁質量 kg/km 603 7 額定強度 kN 8 彈性模量 MPa 66300 (拐點溫度以下 ) 12932 (拐點溫度以上 ) 9 線膨脹系數 106 1/℃ 13 (拐點溫度以下 ) (拐點溫度以上 ) 10 塑性及蠕變伸長 104 （ 25%RTS） 11 最小彎曲半徑 mm 549 ACCC/TW 導線的應力 — 應變特性 根據 應力 — 應變特性試驗的結果，測試出： ? 導線的最終彈性模數平均值為 GPa； ? 碳纖維復合芯的最終彈性模數平均值為 。 繪制出導線應力 — 應變曲線見下圖。 圖 ACCC/TW 導線應力 — 應變曲線圖 20 ACCC/TW 導線的蠕變特性 蠕變 試驗的 結果 ， 得出 以下 蠕變方程式 : ε 101000 = T （ 15%RTS） ε 101000 = T （ 25%RTS） ε 101000 = T （ 35%RTS） 式中：ε — 單位長度伸長量（ mm/km）； T — 時間（ h） 按上面的蠕變方程式可推算出 10 年（ 87600 小時）后的蠕變量 。 表 ACCC/TW 導線 10 年后的蠕變量 初始張力／破壞張力 百分比 15% 25% 35% 蠕變量（ mm/km） 306 512 1018 繪制出蠕變曲線 見下圖 。 蠕變曲線101001000100001 10 100 1000 10000 100000時間 (h)蠕變量 (mm/km)15%RTS25%RTS35%RTS 圖 ACCC/TW 導線 蠕變 曲線圖 對導線架設后的塑性伸長，仍可采用降溫法來補償。 考慮補償初伸長的等效溫度 用公式 Δt e = ε e ／ α 近似計算，降溫值 為 25～ 30℃ 。 導線 耐熱性能 的 研究 ACCC/TW 導線 外層鋁導體為耐高溫退火鋁， 200℃下能有效運行，常規 鋼芯鋁絞 21 線 使用 溫度 極限 最 大 100℃。 對 碳纖維復合芯的耐熱性能檢