碳纖維復合芯導線在線路增容工程中的應用

沈圣煒　曹　琦

摘要 本文通過一條220kV線路增容改造的實際案例,闡述了碳纖維復合芯導線的基本特性、

配套金具選用、施工中的注意事項、運行中的難點討論等,希望能讓大家對這種新型導線實際應

用的各個方面有一定的客觀了解。

關鍵詞 碳纖維復合芯;導線;線路增容

中圖分類號 TM75文獻標識碼 A文章編號 1674-6708(2009)05-0068-02

1 引入碳纖維復合芯導線解決線路增容問題

1.1問題提出

220kV汾湖-嘉善同塔雙回線路作為嘉興地區220kV電網網架的主要線路,連接著500kV汾湖變和220kV嘉善變,導線采用LGJ-400/35,建成投運于1997年。隨著嘉善地區供電需求的增長,尤其在迎峰渡夏和冬季用電高峰期,這兩條線路的輸送容量已不能滿足需求。為保證安全可靠供電,經測算,220kV汾湖-嘉善單回輸電線路的輸送容量需達到475MVA左右,即相當于2*LGJ-400/35導線93.87%的輸送容量(環境溫度35℃,最高允許溫度70℃)。因此,220kV汾湖-嘉善同塔雙回線路需要進行增容改造。

1.2客觀環境

1)嘉善地區屬于經濟發達地區,地方較小,線路走廊資源極其有限,新開線路走廊將占用新的土地資源,而且原路徑走廊資源也得不到很好利用;

2)采用原線路路徑進行大規模改造,即原塔拆除、新立桿塔并架設2×LGJ-400/35導線,則原線路停電時間較長,會大大增加嘉善地區電網網架的運行壓力和安全風險;

3)原路徑大規模新立桿塔改造,原單根導線需更換為架設雙分裂導線,塔基占用的土地面積會有所增加;

4)嘉善地區桿塔基礎施工的政策處理難度大。

1.3解決措施

利用原線路桿塔,采用碳纖維復合芯導線更換原LGJ-400/35導線。通過計算匹配,可采用型號為ACCC/TW-413的碳纖維復合芯導線進行更換。

該導線與普通鋼芯鋁絞線相比,具有以下優點:

1)極高的載流能力:相同截面下輸送容量提高了近1倍,為普通鋼芯鋁絞線的1.97倍,可以滿足線路增容要求;

2)良好的張力特性:由于碳纖維芯的溫度膨脹系數為鋼絞線芯的1/7,故導線的伸長隨溫度的變化很小,經驗算,同樣條件下導線弧垂小于原LGJ-400/35導線弧垂;

3)熱穩定性好:可以在線溫150℃時長期運行;

4)施工安裝方法與普通鋼芯鋁絞線基本相同。

因此,采用碳纖維復合芯導線更換原導線,既有效避免了客觀環境不利的風險,又滿足了線路增容的要求。

2 碳纖維復合芯導線的基本結構與特性

2.1碳纖維復合芯導線的基本結構

碳纖維復合芯導線的芯線采用碳纖維和玻璃纖維組成,其中芯線內部由上萬根直徑7μm左右的碳纖維與熱固性改性環氧樹脂粘合而成,芯線外部由玻璃纖維和熱固性改性環氧樹脂粘合而成。碳纖維復合芯導線的外層由高純度軟鋁線組成,這是導線的導電載體,呈梯形絞成二層分布(如圖1所示)。

2.2碳纖維復合芯導線的基本特性

1)重量輕:碳纖維復合芯的密度只有1.95g/cm3,僅為鋼的1/4左右,其重量比鋼芯鋁絞線輕15~20%。

2)抗拉強度大:碳纖維抗拉強度超過3 000MPa,試驗結果表明,其拉斷力是相同截面鋼芯鋁絞線的1.22倍。

3)耐高溫:試驗結果表明,碳纖維復合芯導線能在150℃溫度下長期有效地運行,短時溫度可達180℃。

4)載流量大:試驗結果表明,在環境溫度達到40℃時,碳纖維復合芯導線傳輸載流量約是普通鋼芯鋁絞線的2倍,如果環境溫度達到30℃時,載流量則可達到普通鋼芯鋁絞線的2.5倍左右。

5)線損低:碳纖維復合芯導線的導體部分采用軟鋁,其導電率相比硬鋁提高3.3%,而且梯形排列結構緊湊填充系數高;復合芯是非鐵磁性材料,當交流電流通過時,不會產生磁滯損耗和渦流損耗。

6)弧垂小:碳纖維復合芯導線的熱膨脹系數為1.6×10-6/℃,僅為鋼的1/7。當導線載流溫度升高以后,外層軟鋁承受張力越來越小,當溫度高于遷移點溫度后,所有張力均由復合芯承受,導線的熱膨脹系數即為芯線的熱膨脹系數,所以弧垂小。

3 碳纖維復合芯導線金具的選用

3.1金具選用基本原則

碳纖維復合芯導線在正常運行中,導線溫度可以達到150℃,短時運行溫度最高可達180℃,這就需要其配套使用的金具,特別是耐張壓接管、直線壓接管等導線連接金具也能夠承受高溫度的要求。而對于其它類別的金具,如防振錘、聯板、掛板等非導線連接金具,可選用與普通導線所采用的金具一樣,沒有特殊要求。

對耐張壓接管、直線壓接管、懸垂線夾、預絞絲護線條等導線金具,應選用高溫導線金具,而且在使用之前需進行一些相關試驗,如接續耐張熱循環及高溫握力、耐張線夾高溫握力、全張力接續條高溫握力及溫升電阻、懸垂線夾高溫握力試驗等。

3.2耐張壓接管配件

碳纖維復合芯導線的芯線不同于普通鋼芯鋁絞線的鋼芯,不能承受側向較大壓力,即芯線不能被壓接,因此碳纖維復合芯導線配套用耐張壓接管的配件與普通耐張壓接管有較大區別,其包括如下配件:耐張線夾聯接套、聯接環、楔型夾、楔型夾座、內襯管(如圖2所示)。

3.3直線壓接管配件

同耐張壓接管一樣,碳纖維復合芯導線配套采用的直線壓接管配件包括:外壓接管、內襯管、楔型夾座、楔型夾、聯結器(如圖3所示)。

4 碳纖維復合芯導線施工中的注意事項

4.1 總體布置及工藝方面注意事項

1)放線盤、張力機主輪和第一個放線輪,三者盡量保持直線,且第一放線輪越大越好;

2)張力機主輪到第一個鐵塔的距離,應該為放線滑車高度的3倍;

3)塔上過線宜使用雙滑輪,避免牽引角度過大造成線芯受損;

4)選用尺寸合適的網套并且網套一端需配有卡具,以保證拉繩過程中導線不會旋轉。在網套與導線聯結端,用兩個金屬夾片夾住導線,然后再用膠帶纏住夾片,以確保過線導輪輪槽內的橡膠不被損壞;

5)蛇皮套與導線的對接工藝是非常關鍵的,因為導線受張力后外鋁層不斷延展,導致碳纖維芯相對收縮,如果采用常規方法連接導線,一旦碳纖維芯收縮到一定程度甚至跑到不受力的蛇皮套外,那么蛇皮套抓住的僅僅就是外鋁層了,就會發生跑線事故。所以,導線與蛇皮套對接工藝是關鍵環節。主要程序如下:先固定好待連接的導線頭,將其鋁層鋸除約300mm,即碳纖維芯露出約300mm,再將專用的單頭蛇皮套套進,注意須將剝離出的碳纖維芯露在蛇皮套外,使用特制的卡具將碳纖維芯固定,使碳纖維芯直接受力。導線頭散股部分扎好,將導線頭套入蛇皮套并鎖緊。蛇皮套夾持導線的長度不得少于導線直徑的30倍。距蛇皮套尾端20mm往導線盤側用#10鐵絲綁扎,綁扎不得少于30匝(如圖4所示)。

4.2 導線保護方面注意事項

1)放線過程中,導線表面要避免接觸地面;

2)由于碳纖維復合芯導線的外層鋁絞線為右向的,在張力機和線盤的放線過程中,導線要從張力機的左邊纏入、右邊放出,即“左進右出”的原則聯接到第一個放線輪上。

4.3 相關設備選用方面注意事項

1)張力機主輪的輪徑應是導線直徑的40倍;

2)放線過程中,過線滑輪的滑輪槽應采用橡膠條襯好,以保護導線表面在安裝過程中不受損傷;

3)過線滑輪的直徑,應大于導線直徑的20倍(注意:尺寸從滑輪槽底算起);

4)對接用的蛇皮套長度應大于3m。

5 碳纖維復合芯導線的線路運行難點

5.1 標準規范不健全

碳纖維復合芯導線在我國輸電線路上使用還處于起步階段,目前國內相關的標準、規范還是空白狀態,這為線路的驗收、運行等工作帶來了根本性的難度。

5.2 導線受外力破壞的修補問題

因為相關標準、規范不健全,如果在線路在運行中受到外力破壞,造成了外層軟鋁線斷股或損傷,該采取什么措施進行修補?是采用補修條修補、采用接續管修補還是割斷重接?是否可以依據現行運行規范判定修補措施?而且割斷重接的施工工藝較普通鋼芯鋁絞線要復雜。這都可能會增加搶修難度和延長搶修時間,也就說這個問題是線路運行中的一大難點。

5.3 紅外測溫的缺陷判定問題

線路運行中的紅外測溫問題,相關規范不健全,特別是遇到測溫結果有異常情況下如何判定是否缺陷?是否可以采用現行規范中的相對比較法?比較判定的界限標準如何取?這些也增加了線路運行的難度。

參考文獻

[1] 黃國飛,季世澤,蔣華君.碳纖維芯軟鋁導線的特性研究與應用[D],2008年架空導線論文集,

[2] Y.ohki,et al.新型碳纖維加強的鋁導線[J].IEEE Electrical Insulation Magazine ,July/August 2003.

[3] 龍永傳.架空輸電線新型復合材料合成導線的研究開發[J].電力建設,2005,11.