碳纖維導(dǎo)線在煤礦業(yè)的實(shí)際應(yīng)用

劉樂毅

（1.太原理工大學(xué)電力學(xué)院，太原 030024；2.華潤煤業(yè)集團(tuán)，太原 030006）

碳纖維導(dǎo)線在煤礦業(yè)的實(shí)際應(yīng)用

劉樂毅1，2

（1.太原理工大學(xué)電力學(xué)院，太原 030024；2.華潤煤業(yè)集團(tuán)，太原 030006）

煤礦供電線路使用傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線時(shí)間造價(jià)低；而用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線時(shí)的優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)電高、弧垂低、重量輕等，但是造價(jià)不菲。若其材料成本降低后，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在煤礦企業(yè)會(huì)有很大應(yīng)用空間。

煤礦；碳纖維導(dǎo)線；實(shí)用分析

1 課題背景概況

1）長期以來，架空輸電線路導(dǎo)線主要采用鋼芯鋁絞線及相關(guān)產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代末，人們開始試用復(fù)合材料制作導(dǎo)線，改善導(dǎo)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(dǎo)電率，以達(dá)到提高線路輸送容量的目的。碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線隨之設(shè)計(jì)并制造出來。碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線的型號為JLRX/T（J-架空導(dǎo)線，LR-軟鋁，X-型線，T-碳纖維復(fù)合材料）。由于復(fù)合芯的強(qiáng)度足夠高，不再需鋁承擔(dān)受力，導(dǎo)電的鋁就可用退火狀態(tài)的軟鋁，其導(dǎo)電率可超過63%IACS；軟鋁的截面設(shè)計(jì)成瓦型，大幅減小導(dǎo)線外徑。

2）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的優(yōu)越性能如下：a.導(dǎo)線的重量輕、強(qiáng)度高，在相同的運(yùn)行應(yīng)力時(shí)弧垂小。b.導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)小，在最低溫到最高溫的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)弛度小。c.導(dǎo)線的外徑小，導(dǎo)線運(yùn)行時(shí)的風(fēng)偏及覆冰載荷小。d.導(dǎo)線的直流電阻和交流電阻小，線路運(yùn)行時(shí)線損低。e.導(dǎo)線允許運(yùn)行溫度180℃，可大幅度增容。f.導(dǎo)線耐腐蝕，使用壽命長。g.導(dǎo)線表面緊湊、光滑，電暈損耗小。h.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)特性均優(yōu)于傳統(tǒng)導(dǎo)線，綜合解決了架空輸電領(lǐng)域多各項(xiàng)技術(shù)瓶頸，可廣泛用于老線路增容改造、新線路建設(shè)、電站母線，并可用于大跨越、大落差、重冰區(qū)、高污染等特殊氣候和地理場合的線路。因此，碳纖維導(dǎo)線具有明顯經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

2 原相煤礦的實(shí)際應(yīng)用分析

華潤煤業(yè)集團(tuán)太原華潤煤業(yè)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(dǎo)線容量不夠，舊桿塔承載力不夠，投資總數(shù)限制等因素），現(xiàn)對原相煤礦兩回送電線路提出更換碳纖維導(dǎo)線的方案；并從舊有線路更換導(dǎo)線的方案說明、相關(guān)線路載流量、電壓降、短路熱穩(wěn)定、桿塔荷載校驗(yàn)計(jì)算書等方面進(jìn)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(xiāng)，主供原相煤礦地面及井下生產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)狀周圍已經(jīng)被居民區(qū)包圍，線路出線需跨越居民房，因占地及跨越問題經(jīng)多方協(xié)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(xiàn)有的架空線路出線方案。利用合寶線路段為0.65 km。b.現(xiàn)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(shè)計(jì)10 kV降壓運(yùn)行，為減少投資和縮短工期，建設(shè)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(dǎo)線已運(yùn)行多年，根據(jù)原桿塔承載力等因素分析，現(xiàn)考慮架設(shè)線路采用鋼芯鋁絞線更換為碳纖維導(dǎo)線。

2.2 輸電線路基本情況：

1）古交-原相：總?cè)萘?2 500 kVA，線路全長15.85 km。新建架空線路11.4 km，導(dǎo)線為LGJ-240/ 30；利用合寶線路徑長度0.65 km，現(xiàn)狀導(dǎo)線為LGJ-150/25；利用嶺河-原相原有線路3.8 km，現(xiàn)狀導(dǎo)線LGJ-120/25。更換導(dǎo)線段總長4.45 km。

2）邢家社-原相：總?cè)萘?2 500 kVA，線路全長10.87 km。新建架空線路7.37 km，現(xiàn)狀導(dǎo)線LGJ-240/30；利用常安-原相原有線路3.5 km，現(xiàn)狀導(dǎo)線LGJ-120/25。更換導(dǎo)線段總長3.5 km。

2.3 計(jì)算內(nèi)容

計(jì)算導(dǎo)線型號分別為LGJ-240/30、碳纖維導(dǎo)線JLRX/T150/30，參數(shù)均采用國家標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線型號參數(shù)。

1）計(jì)算一：古交站/邢家社-原相煤礦單回35 kV送電線路載流量計(jì)算。

結(jié)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(jì)算二：古交站/邢家社-原相煤礦單回35kV送電線路電壓降計(jì)算。

a.古交-原相35 kV線路電壓降計(jì)算：

已知負(fù)荷容量：S=12 500 kVA，功率因數(shù)：cosθ=0.9，線路長度：L=15.85 km，電壓等級：U1=35 kV，經(jīng)濟(jì)電流密度：J1=0.9.

計(jì)算負(fù)荷電流：

有功功率：P=S·cosθ=1.125×104；

電壓降計(jì)算

LGJ-240導(dǎo)線參數(shù)：

導(dǎo)線電阻：r0=0.131，導(dǎo)線感抗：x0=0.378，長度L0=11.4.

JLRX/T150/30導(dǎo)線參數(shù)：

導(dǎo)線電阻：r1=0.231，導(dǎo)線感抗：x1=0.4，長度L1= 4.45.

電壓降為：

結(jié)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(jì)算：

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

計(jì)算負(fù)荷電流：

電壓降計(jì)算

LGJ-240導(dǎo)線參數(shù)：

導(dǎo)線電阻：r0=0.131；導(dǎo)線感抗：x0=0.378；長度L0=7.37.

JLRX/T150/30導(dǎo)線參數(shù)：

導(dǎo)線電阻：r1=0.231；導(dǎo)線感抗：x1=0.4；長度L1= 3.5.

電壓降為：

結(jié)論：電壓降小于5%，滿足要求。

3）計(jì)算三：按照短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)導(dǎo)體的截面。

本線路為35 kV架空輸電線路，無需做動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)及電暈條件的校驗(yàn)，按短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)導(dǎo)線的截面：

式中：S為導(dǎo)體的載流截面，mm2；Qd為短路電流的熱效應(yīng)，（A2·s）；C為與導(dǎo)體材料及發(fā)熱溫度有關(guān)的系數(shù)，查《電氣工程電氣設(shè)計(jì)手冊—電氣一次部分》表8-8短路前導(dǎo)體溫度為+70℃時(shí)的熱穩(wěn)定系數(shù)C值，取87。

由于短路電流在導(dǎo)體和電器中引起的熱效應(yīng)Qd=Qz+Qf，其中Qz為短路電流周期分量引起的熱效應(yīng)，kA2·s；Qf為短路電流非周期分量引起的熱效應(yīng)，kA2·s；Izt為短路電流周期分量的有效值，kA；本次計(jì)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(bào)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(diǎn)（古交和邢家社站的35 kV母線）較遠(yuǎn)，短路電流周期分量有效值將更小，因此，本次校驗(yàn)統(tǒng)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(jì)算假設(shè)短路的周期分量不衰減，故Izt/2=Izt=I″=16 kA。T為短路持續(xù)時(shí)間；考慮保護(hù)反應(yīng)時(shí)間及機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)限，本次計(jì)算取t=0.15 s，（一般持續(xù)時(shí)間0.1 s左右，為了保險(xiǎn)起見，本次校驗(yàn)計(jì)算取值較大）。T為非周期分量等效時(shí)間；查《電氣工程電氣設(shè)計(jì)手冊—電氣一次部分》表4-21，可知T=0.05 s。計(jì)算短路電流周期分量引起的熱效應(yīng)：

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

因此，Qd=Qz+Qf=5.12×107（A2·s）.

結(jié)論：顯然，經(jīng)熱穩(wěn)定校驗(yàn)，導(dǎo)線截面只要大于82 mm2即可滿足短路情況下的熱穩(wěn)定。本次選擇導(dǎo)線最小型號為JLRX/T150/30，滿足要求。

4）計(jì)算四：按導(dǎo)線單重和外徑校驗(yàn)桿塔荷載。如表1和表2所示。

表1 JLRX/T碳纖維導(dǎo)線參數(shù)

表2 LGJ-120/25、LGJ-150/25、LGJ-240/30導(dǎo)線參數(shù)

5）更換導(dǎo)線費(fèi)用估算，如表3所示。

表3 導(dǎo)線費(fèi)用單價(jià)表

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

進(jìn)行導(dǎo)線更換的線路共7.95 km，故需碳纖維導(dǎo)線費(fèi)用49.29萬元。再考慮更換導(dǎo)線的相關(guān)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(fèi)總共約190萬元，施工費(fèi)約50萬元，合計(jì)費(fèi)用約240萬元。

3 結(jié)束語

目前，煤礦供電線路主要還是使用傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線，材料造價(jià)低，雖然碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線有其自身優(yōu)點(diǎn)（導(dǎo)電高、弧垂低、重量輕、強(qiáng)度大、低線損、弛度小等），但是新型材料造價(jià)不菲。煤礦企業(yè)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(yīng)用僅限于特定情況，還沒廣泛應(yīng)用。待新型材料成本降低后，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在煤礦等企業(yè)會(huì)有很大應(yīng)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(xué)本科，工程師，從事煤礦機(jī)電自動(dòng)化研究及應(yīng)用。