碳纖維復合芯鋁絞線在線路改造中的應用分析

顧俊杰，袁 奇

（上海市電力公司檢修公司輸電檢修中心，上海 200063）

隨著我國經濟的快速發展，上海電能的需求量也在迅速增長。為了充分利用現有輸電線路走廊和線路設施，盡可能地提高輸電線路的輸送容量，自2008年2月起，上海首次在220 k V吳都2294／2295線和閔都2285／2287線路增容改造工程中，使用碳纖維復合芯鋁絞線（ACCC），有效緩解了閔行南部地區電網載流量的瓶頸問題。

1 碳纖維復合芯鋁絞線概況

1.1 主要技術參數

ACCC的結構較為新穎，有利于提高直線管、耐張線夾與導線的壓接強度；芯棒與鋁股之間不存在接觸電位差，能夠保護鋁導體免受電腐蝕；由梯形截面形成的外表面，遠比鋼芯鋁絞線表面光滑，有利于提高導線的電暈起始電壓，減少電暈損失、降低電暈噪聲和無線電干擾水平。

1）導線結構 ACCC的芯線是由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的單根芯棒，外層與鄰外層鋁線股為梯形截面。

2）技術參數 采用ACCC線路輸送大負荷時，由于承受絕大部分張力的芯線采用碳纖維材料，在溫度快速上升時，芯線不會隨著溫度的上升而伸長，弧垂幾乎不會發生變化，確保了交叉跨越線路的安全距離［1］。例如：碳纖維復合芯鋁絞線（ACCC／TW-1020）的截面為516.7 mm2，外徑為28.14 mm，計算拉斷力為182 245 N，碳芯直徑為9.50 mm，單位重量為1 556 kg／km，綜合彈性系數拐點溫度前為40 338 N／mm2，拐點溫度后為12 932 N／mm2，最大使用應力為36 450 N，在20℃下直流電阻不大于0.054 0Ω／km［2］。

1.2 主要技術特點

1）導電率高 ACCC不存在類似鋼絲導線引起的磁損和熱效應，在輸送相同負荷的條件下，運行溫度低，可以減少輸電損失約6%。

2）抗拉性好 ACCC的碳纖維混合固化芯棒，是普通鋼絲抗拉強度的2倍。

3）重量輕 ACCC的比重是鋼絲導線的1／4，在等同外徑下的鋁截面積是常規導線的1.29倍，單位長度重量要比常規導線輕10%～20%。

4）耐腐蝕 ACCC與環境親和，避免了運行時鋁線與鍍鋅鋼線間的電腐蝕現象，有效延緩了導線的老化，使用壽命高于普通導線2倍。

5）弧垂低 ACCC與普通鋼芯鋁絞線相比，具有明顯的弧垂控制特性。在高溫條件下弧垂不到鋼芯鋁絞線的1／2，可以有效減少架空線的空間走廊，提高線路運行的安全性和可靠性。

6）價格偏高 ACCC的價格大約是普通鋼芯鋁絞線的5倍，同樣容量的線路成本高于普通鋼芯鋁絞線。

2 增容改造中的應用

2.1 工程案例

利用原有輸電走廊和桿塔，采用ACCC替代原有400 mm2普通鋼芯鋁絞線，達到改造后的輸電容量在原有基礎上翻一番，避免前期線路改造工作的困難和減少對周邊環境的影響。

1）吳都2294／2295線路增容工程 2008年2月至3月期間，擬將當時的220 k V金都站至吳涇電廠2294／2295單導線（A2至A21號塔，400 mm2），更換為單根碳纖維復合芯鋁絞線（ACCC／TW-1020）。該兩條線路為同桿雙回合桿線路，全長為6.992 km，有23基基礎。

2）閔都2285／2287線路增容工程 2008年3月至4月期間，擬將當時的220 k V金都站至閔行電廠2285／2287單導線（400 mm2），更換為單根碳纖維復合芯導線（ACCC／TW-1020）。該兩條線路為同桿雙回合桿線路，全長為16.403 km，有52基基礎。

2.2 施工關鍵點

與傳統輸電導線相比，由于ACCC重量輕、強度高、線損低、弧垂小、耐高溫、耐腐蝕等優點，其特殊的材質與結構特點，在線路增容改造中，更換導線時要采取相配套的特殊施工工藝。

1）導線展放采用張力放線 在吳都2294／2295線路和閔都2285／2287線路增容改造工程中，遇到路徑沿線重要跨越多，加上ACCC／TW-1020型導線表面采用軟鋁材質，內芯較脆、彎曲半徑不能過小等約束，因此在施工時要避讓障礙物，避免與地面摩擦，防止ACCC表面損傷，如圖1所示。現場施工時采用舊導線連接ACCC的張力放線方式。采用該方式，既可保證施工期間導線對跨越物的安全距離，又可有效保護導線，并能提高放線效率，縮短工期，減少停電時間，提高供電可靠性。

圖1 ACCC表面被磨損

在牽張場布置時，要盡量避免新線展放過程中過45°以上轉角，因為復合芯碳棒過大轉角時極易斷裂，一旦斷裂，重新壓接，工藝較為復雜。由此可見，張力放線可以消除展放導線時的一些隱患，但是張力放線長度受到一定限制，影響放線的效率，需要在實際施工中加以提前考慮。

雖然在畜牧業的不斷發展中，為能跟上時代的腳步，在基層防疫部門建立了一些獸醫實驗室，但由于技術人員不到位等多種原因給實驗室的發展和進步帶來一些問題。這些問題成為阻礙實驗室發展的最基本因素，如果不及早解決就會對實驗室的長久性產生影響。

2）張力機主輪的選型及布置 由于ACCC內芯采用碳纖維復合材料，造成內芯的抗彎曲強度較弱，彎曲半徑不能過小，否則極易開裂，所以張力機主輪的盤徑至少是導線直徑的40倍。在布置張力機時，主輪到第一個鐵塔的距離，應該是放線滑車高度的3倍。另外，由于ACCC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，從右邊放出，再連接到第一個放線輪上。

3）使用特制滑輪組 由于ACCC內芯碳棒的特殊性，導線在放線滑車上的包絡角不能大于25°，曲率半徑必須得到有效控制，特別是遇到大轉角鐵塔時，必須使用特制的滑輪組。為此，針對直線桿及耐張桿的施工要求，采用特制的滑輪組，放線時導線滑車采用單排7滑輪組，如圖2所示。滑輪組由7個小滑輪組成，各滑輪按一大半徑的圓弧等距排列。新型滑輪很好地控制了導線的彎曲半徑，使得導線在小滑輪上的包絡角很小，有效控制了滑車的摩阻系數，而且提高了放線的速度和質量。

圖2 特制七滑輪組

4）耐張管壓接 在放線過程中耐張線夾壓接后，ACCC頭部可能會出現形似“燈籠”的起殼現象，如圖3所示。依據ACCC內芯的特點，此處碳芯保護層的老化速度可能會加快。該問題雖經廠家派駐的外籍技術人員確認為正常，但因緊線后ACCC受力將恢復常態，因此仍建議廠家能從導線的生產工藝角度進行改進［3］。

圖3 壓接后出現起殼現象

圖4 鋼管連接器的螺紋爆裂

5）直線管壓接 直線壓接管連接器在連接時較難控制，主要是鋼管金具的螺紋較細，施工中經常出現螺紋爆裂現象，給施工帶來不便，如圖4所示。

6）預絞絲緊線金具 由于ACCC外層與鄰外層鋁線股采用軟鋁，所以不能承受鉗壓。倘若在緊線和錨線時使用常規的卡線器，勢必會對導線表面造成損傷。為了保護碳纖維導線，必須使用預絞絲緊線金具進行緊線，如圖5所示。

圖5 預絞絲緊線金具

7）防繞鋼絲繩 由于新舊導線的扭力不同，即使加裝了旋轉連接器，連接后的鋼絲繩仍可能出現散股現象，所以在耐張塔處連接舊導線和錨線等導線，需要用防繞鋼絲繩連接。

圖6 網套緊固夾

3 線路運行分析

ACCC在220 k V吳都2294／2295和閔都2285／2287輸電線路上運行4年多，積累了一定的線路運行經驗。

3.1 兩種鋁絞線的性能比較

對具有相同直徑（約為28.1 mm）的ACCC的各種參數與普通鋼芯鋁絞線的相應數據進行比較與分析。

1）線芯性能 ACCC的線芯材料抗拉強度大、彈性模量小、線芯比重輕、芯線熱膨脹系數小，在整體機械性能上要比普通鋼芯鋁絞線優異［4］，如表1所示。

表1 兩種鋁絞線線芯比較

2）鋁線性能 ACCC與普通鋼芯鋁絞線的鋁線性能比較，如表2所示。與普通鋼芯鋁絞線相比，ACCC采用梯形截面的軟鋁絞線，提高了有效截面積和導電率，雖然鋁線抗拉強度下降許多，但由于其特殊的設計機理和運行方式，沒能破壞導線整體的機械性能［1］。

表2 兩種鋁絞線性能比較

3.2 ACCC凈空距離的理想效果

ACCC與普通導線凈空距離對比效果顯著［6］，如圖7所示。

圖7 ACCC與普通導線凈空距離對比

由圖7可知，在理論條件下，ACCC具有極好的確保足夠交跨距離的優勢。當使用ACCC對原有線路進行增容升級時，比同等直徑的普通鋼芯鋁絞線的載流量要約2倍［5］，并且可沿用原有線路的桿塔和基礎，不需要增建新的電力桿塔，從而大大節省土地等資源成本，而且安裝簡單、快速，對環境幾乎沒有影響。可見ACCC的這些特點對于環境敏感區域、人口密集區域以及大跨越地區的線路增容升級或線路新建來說尤為重要。

3.3 ACCC大負荷運行

2009年11月1日，因兩棟民房位于閔都2285／2287線2—3檔弧垂中心，為判斷凈空距離是否滿足安全運行要求，對其進行測量，該檔檔距為339 m，代表檔距為370 m，環境溫度為24℃。第一棟民宅處，實測導線對地為13.95 m，換算到40℃，導線對地為13.72 m，房屋高8.60 m，房屋對導線距離為5.12 m；第二棟民宅處，導線對地距離為14.67 m，換算到40℃，導線對地距離為14.48 m，房屋高也為8.60 m，房屋對導線距離為5.88 m。根據兩處實測結果，線路雖然仍可安全運并對下方房屋不造成影響，但已小于運行規程規定的6 m最小垂直距離要求。

2010年8月10日再次復測，環境溫度為36℃，第一棟民宅處，導線對地距離為13.56 m，換算到40℃，導線對地距離為13.50 m；房屋高為8.60 m，房屋對導線距離為4.90 m；第二棟民宅處，導線對地距離為14.43 m，換算到40℃，導線對地距離為14.38 m；房屋高為8.60 m，房屋對導線距離為5.78 m。實測結果仍小于運行規程規定的6 m最小垂直距離要求。

表3 導線跨越民宅實測距離比較

由表3可知，使用ACCC后，相比原來普通鋼芯鋁絞線的跨越距離確實有一定的提高，但是碳纖維導線的特優效果并非十分明顯；跨越高度雖然不影響線路的安全運行并對下方房屋不造成影響，但是仍小于標準的規定值6 m。

4 結語

ACCC的載流量約是普通鋼芯鋁絞線的2倍，因其自身的工藝結構和物理特性，能在一定程度上提高載流量，提高線路輸送能力，加之可以沿用原有線路的桿塔和基礎，不需要增建新的電力桿塔，從而大大節省了土地等資源成本，而且安裝簡單、快速，對環境幾乎沒有影響［3］。

ACCC的上述特點，對于環境敏感區域、人口密集區域以及大跨越地區的線路增容升級或新建線路來說，具有較大優勢。但是，在實際應用中發現，其大負荷下的弧垂控制并未達到理想效果［6］，若線路走廊發生較大變化，安全距離不足時，仍然需要對桿塔進行升高，才能徹底消除距離不足的隱患，加之單價遠高于普通鋼芯鋁絞線數倍，所以在選擇使用ACCC碳纖維復合芯鋁絞線時，需要進行綜合考慮。

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