碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在線路增容工程中的應(yīng)用

沈圣煒　曹　琦

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

配套金具選用、施工中的注意事項(xiàng)、運(yùn)行中的難點(diǎn)討論等,希望能讓大家對這種新型導(dǎo)線實(shí)際應(yīng)

用的各個方面有一定的客觀了解。

關(guān)鍵詞 碳纖維復(fù)合芯;導(dǎo)線;線路增容

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

1 引入碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)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(qū)220kV電網(wǎng)網(wǎng)架的主要線路,連接著500kV汾湖變和220kV嘉善變,導(dǎo)線采用LGJ-400/35,建成投運(yùn)于1997年。隨著嘉善地區(qū)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(jīng)測算,220kV汾湖-嘉善單回輸電線路的輸送容量需達(dá)到475MVA左右,即相當(dāng)于2*LGJ-400/35導(dǎo)線93.87%的輸送容量(環(huán)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(jìn)行增容改造。

1.2客觀環(huán)境

1)嘉善地區(qū)屬于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),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(jìn)行大規(guī)模改造,即原塔拆除、新立桿塔并架設(shè)2×LGJ-400/35導(dǎo)線,則原線路停電時間較長,會大大增加嘉善地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架的運(yùn)行壓力和安全風(fēng)險;

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

4)嘉善地區(qū)桿塔基礎(chǔ)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(fù)合芯導(dǎo)線更換原LGJ-400/35導(dǎo)線。通過計(jì)算匹配,可采用型號為ACCC/TW-413的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線進(jìn)行更換。

該導(dǎo)線與普通鋼芯鋁絞線相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):

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(shù)為鋼絞線芯的1/7,故導(dǎo)線的伸長隨溫度的變化很小,經(jīng)驗(yàn)算,同樣條件下導(dǎo)線弧垂小于原LGJ-400/35導(dǎo)線弧垂;

3)熱穩(wěn)定性好:可以在線溫150℃時長期運(yùn)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(fù)合芯導(dǎo)線更換原導(dǎo)線,既有效避免了客觀環(huán)境不利的風(fēng)險,又滿足了線路增容的要求。

2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的基本結(jié)構(gòu)與特性

2.1碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的基本結(jié)構(gòu)

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

2.2碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的基本特性

1)重量輕:碳纖維復(fù)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(qiáng)度大:碳纖維抗拉強(qiáng)度超過3 000MPa,試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果表明,碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線能在150℃溫度下長期有效地運(yùn)行,短時溫度可達(dá)180℃。

4)載流量大:試驗(yàn)結(jié)果表明,在環(huán)境溫度達(dá)到40℃時,碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線傳輸載流量約是普通鋼芯鋁絞線的2倍,如果環(huán)境溫度達(dá)到30℃時,載流量則可達(dá)到普通鋼芯鋁絞線的2.5倍左右。

5)線損低:碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的導(dǎo)體部分采用軟鋁,其導(dǎo)電率相比硬鋁提高3.3%,而且梯形排列結(jié)構(gòu)緊湊填充系數(shù)高;復(fù)合芯是非鐵磁性材料,當(dāng)交流電流通過時,不會產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗。

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

3 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線金具的選用

3.1金具選用基本原則

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在正常運(yùn)行中,導(dǎo)線溫度可以達(dá)到150℃,短時運(yùn)行溫度最高可達(dá)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(dǎo)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(lián)板、掛板等非導(dǎo)線連接金具,可選用與普通導(dǎo)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(yù)絞絲護(hù)線條等導(dǎo)線金具,應(yīng)選用高溫導(dǎo)線金具,而且在使用之前需進(jìn)行一些相關(guān)試驗(yàn),如接續(xù)耐張熱循環(huán)及高溫握力、耐張線夾高溫握力、全張力接續(xù)條高溫握力及溫升電阻、懸垂線夾高溫握力試驗(yàn)等。

3.2耐張壓接管配件

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的芯線不同于普通鋼芯鋁絞線的鋼芯,不能承受側(cè)向較大壓力,即芯線不能被壓接,因此碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套用耐張壓接管的配件與普通耐張壓接管有較大區(qū)別,其包括如下配件:耐張線夾聯(lián)接套、聯(lián)接環(huán)、楔型夾、楔型夾座、內(nèi)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(fù)合芯導(dǎo)線配套采用的直線壓接管配件包括:外壓接管、內(nèi)襯管、楔型夾座、楔型夾、聯(lián)結(jié)器(如圖3所示)。

4 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線施工中的注意事項(xiàng)

4.1 總體布置及工藝方面注意事項(xiàng)

1)放線盤、張力機(jī)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(jī)主輪到第一個鐵塔的距離,應(yīng)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(wǎng)套并且網(wǎng)套一端需配有卡具,以保證拉繩過程中導(dǎo)線不會旋轉(zhuǎn)。在網(wǎng)套與導(dǎo)線聯(lián)結(jié)端,用兩個金屬夾片夾住導(dǎo)線,然后再用膠帶纏住夾片,以確保過線導(dǎo)輪輪槽內(nèi)的橡膠不被損壞;

5)蛇皮套與導(dǎo)線的對接工藝是非常關(guān)鍵的,因?yàn)閷?dǎo)線受張力后外鋁層不斷延展,導(dǎo)致碳纖維芯相對收縮,如果采用常規(guī)方法連接導(dǎo)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(fā)生跑線事故。所以,導(dǎo)線與蛇皮套對接工藝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要程序如下:先固定好待連接的導(dǎo)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(jìn),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(dǎo)線頭散股部分扎好,將導(dǎo)線頭套入蛇皮套并鎖緊。蛇皮套夾持導(dǎo)線的長度不得少于導(dǎo)線直徑的30倍。距蛇皮套尾端20mm往導(dǎo)線盤側(cè)用#10鐵絲綁扎,綁扎不得少于30匝(如圖4所示)。

4.2 導(dǎo)線保護(hù)方面注意事項(xiàng)

1)放線過程中,導(dǎo)線表面要避免接觸地面;

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

4.3 相關(guān)設(shè)備選用方面注意事項(xiàng)

1)張力機(jī)主輪的輪徑應(yīng)是導(dǎo)線直徑的40倍;

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

3)過線滑輪的直徑,應(yīng)大于導(dǎo)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(yīng)大于3m。

5 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的線路運(yùn)行難點(diǎn)

5.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不健全

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在我國輸電線路上使用還處于起步階段,目前國內(nèi)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范還是空白狀態(tài),這為線路的驗(yàn)收、運(yùn)行等工作帶來了根本性的難度。

5.2 導(dǎo)線受外力破壞的修補(bǔ)問題

因?yàn)橄嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不健全,如果在線路在運(yùn)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(jìn)行修補(bǔ)?是采用補(bǔ)修條修補(bǔ)、采用接續(xù)管修補(bǔ)還是割斷重接?是否可以依據(jù)現(xiàn)行運(yùn)行規(guī)范判定修補(bǔ)措施?而且割斷重接的施工工藝較普通鋼芯鋁絞線要復(fù)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(yùn)行中的一大難點(diǎn)。

5.3 紅外測溫的缺陷判定問題

線路運(yùn)行中的紅外測溫問題,相關(guān)規(guī)范不健全,特別是遇到測溫結(jié)果有異常情況下如何判定是否缺陷?是否可以采用現(xiàn)行規(guī)范中的相對比較法?比較判定的界限標(biāo)準(zhǔn)如何取?這些也增加了線路運(yùn)行的難度。

參考文獻(xiàn)

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

[2] Y.ohki,et al.新型碳纖維加強(qiáng)的鋁導(dǎo)線[J].IEEE Electrical Insulation Magazine ,July/August 2003.

[3] 龍永傳.架空輸電線新型復(fù)合材料合成導(dǎo)線的研究開發(fā)[J].電力建設(shè),2005,11.