碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的特性及應(yīng)用

魏國彬

摘 要：文章主要論述了碳纖維導(dǎo)線的特性及在老線路改造工程中的應(yīng)用。希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)行業(yè)的發(fā)展提供一些借鑒，并且為保護(hù)環(huán)境，節(jié)能減排，改善人類生態(tài)環(huán)境等方面做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：碳纖維導(dǎo)線；特性；線路增容；ACCC/TW

引言

長(zhǎng)期以來，架空輸電線路導(dǎo)線主要采用鋼芯鋁絞線以及相關(guān)產(chǎn)品，電力工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)架空輸電線路導(dǎo)線提出了更高的要求，促使各國科技人員研發(fā)各種新型導(dǎo)線。上世紀(jì)90年代末，人們開始嘗試用復(fù)合材料代替金屬材料來制作導(dǎo)線的承載部件，改善導(dǎo)線的弧垂特性，采用軟鋁型線代替硬鋁圓單絲，提高填充率和導(dǎo)電率，以達(dá)到提高線路輸送容量的目的。遠(yuǎn)東控股集團(tuán)于2002年開始跟蹤和研究導(dǎo)線領(lǐng)域這一新發(fā)展，并于2006年成功專門從事復(fù)合芯軟鋁絞線的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，經(jīng)過近幾年的產(chǎn)品質(zhì)量提升及市場(chǎng)化。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在電力行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線的型號(hào)為JRLX/T（J-架空導(dǎo)線，RL-軟鋁，X-型線，T-碳纖維復(fù)合材料），規(guī)格用軟鋁型線標(biāo)稱截面和復(fù)合芯標(biāo)稱截面表示；國際上的通用型號(hào)為ACCC/TW（Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal wire）。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由于復(fù)合芯的強(qiáng)度足夠高，不再需要鋁承擔(dān)受力作用，導(dǎo)電的鋁就可以采用退火狀態(tài)的軟鋁，軟鋁的截面設(shè)計(jì)成瓦型，可大幅減少導(dǎo)線的外徑。

隨著我國各行業(yè)電力需求的不斷增長(zhǎng)，部分老舊輸電線路輸送能力不足，面臨增容改造的壓力。線路改造中，投資最大的項(xiàng)目是桿塔的更換，最棘手的問題是村民的土地問題，一種新型的導(dǎo)線“碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線”的產(chǎn)生，使老線路在不更換桿塔的前提下達(dá)到增容的目的。從節(jié)能、降低成本、增加輸送容量、提高電網(wǎng)安全運(yùn)行等方面綜合看，推廣應(yīng)用具有很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。有助于構(gòu)造安全，經(jīng)濟(jì)，環(huán)保，高效輸電網(wǎng)絡(luò)。

1 碳纖維導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)

碳纖維導(dǎo)線ACCC/TW的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，內(nèi)部是一根由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的復(fù)合芯，外層由一系列呈梯形截面的軟鋁線絞合而成。碳纖維復(fù)核芯承擔(dān)導(dǎo)線總的力學(xué)性能，具有強(qiáng)度高、密度小、膨脹系數(shù)小、耐腐蝕等特點(diǎn)。外層軟鋁具有導(dǎo)電率高、電阻小、自阻尼性能強(qiáng)的特點(diǎn)。碳纖維復(fù)合芯與軟鋁線絞制而成的導(dǎo)線，便具有優(yōu)良的性能：導(dǎo)線重量輕，電阻小，表面光滑不易舞動(dòng)，拉力質(zhì)量比大，弧垂隨溫度的變化小等。因此，可作為電力部門老舊線路改造、電力增容導(dǎo)線使用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 碳纖維導(dǎo)線的優(yōu)越特性

（1）導(dǎo)線的重量輕、強(qiáng)度大、在相同的運(yùn)行應(yīng)力時(shí)弧垂小；碳纖維復(fù)合芯材料的密度?。?.9g/cm3），約為普通鋼芯密度（7.8g/cm3）的1/4，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線中使用的鋼芯絞合后強(qiáng)度為1244N/mm2，而碳纖維導(dǎo)線ACCC/TW的復(fù)合芯抗拉強(qiáng)度最小值可以達(dá)到2150N/mm2，為前者的1.73倍。例如，直徑9.53mm的復(fù)合芯抗拉強(qiáng)度達(dá)到2414N/mm2，是鋼芯鋁絞線中鋼芯強(qiáng)度的1.94倍。

（2）導(dǎo)線的直流電阻和交流電阻小，線路運(yùn)行時(shí)線損低；導(dǎo)線導(dǎo)電率高，載流量大允許運(yùn)行溫度180℃，可大幅度增容。

（3）導(dǎo)線的膨脹系數(shù)小，復(fù)合材料芯線膨脹系數(shù)僅為鋼芯的1/8。在最低溫到最高的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)弛度小。

（4）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。

（5）導(dǎo)線耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)；ACCC導(dǎo)線的復(fù)合芯由玻璃纖維材料制成，具有較高的耐腐蝕性能，與鋁線接觸不存在電腐蝕問題，可以解決長(zhǎng)期運(yùn)行中的腐蝕問題。

（6）導(dǎo)線表面緊湊、光滑，電暈損耗小。

3 碳纖維復(fù)合導(dǎo)線的主要技術(shù)要求

3.1 鋁線

根據(jù)目前的制造技術(shù)水平和工程的實(shí)際應(yīng)用情況，提出了架空導(dǎo)線用軟鋁型線的主要技術(shù)要求：

（1）尺寸及尺寸偏差。軟鋁型線的尺寸應(yīng)符合絞線的結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)要求：同一絞合層軟鋁型線應(yīng)用相同的標(biāo)稱截面積，并且截面積的偏差應(yīng)在2%的范圍內(nèi)；不同絞合層的軟鋁型線應(yīng)用相同標(biāo)稱厚度，并且最大標(biāo)稱截面與最小標(biāo)稱截面的比值應(yīng)不大于1.2。

（2）表面質(zhì)量。軟鋁型線表面應(yīng)光潔，并不得有良好商品不相稱的任何缺陷。

（3）抗拉強(qiáng)度。軟鋁型線的抗拉強(qiáng)度應(yīng)在（60-95）MPa范圍內(nèi)。

3.2 碳纖維復(fù)合芯

碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低韌性的特點(diǎn)，而強(qiáng)度和韌性是一對(duì)矛盾。為了保證碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的適應(yīng)性，進(jìn)行復(fù)合芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和確定碳纖維復(fù)合芯的合理強(qiáng)度是十分重要的。

碳纖維復(fù)合芯除了自身具有高強(qiáng)度、比重小、線膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)外，還應(yīng)具有優(yōu)秀的高、低溫特性，優(yōu)秀的卷繞、扭轉(zhuǎn)特性、優(yōu)秀的耐候性、耐腐蝕性、耐震動(dòng)疲勞性，滿意的長(zhǎng)期熱老化壽命。

碳纖維復(fù)合芯的主要技術(shù)要求：

（1）表面質(zhì)量。復(fù)合芯表面應(yīng)光潔，并不得有良好商品不相稱的任何缺陷。

（2）接頭。所有增強(qiáng)纖維不允許成束插接，成品復(fù)合芯不允許有接頭。

（3）抗拉強(qiáng)度。復(fù)合芯的抗拉強(qiáng)度，常溫時(shí)應(yīng)達(dá)到2150MPa，180℃。*168h時(shí)應(yīng)達(dá)到2000MPa。

（4）纏繞及扭曲性能。復(fù)合芯以不超過5轉(zhuǎn)/min的速度，在50倍復(fù)合芯直徑的芯軸上纏繞2圈，不應(yīng)有裂紋，并能通過常溫強(qiáng)拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

（5）線膨脹系數(shù)。復(fù)合芯的線膨脹系數(shù)應(yīng)不大于1.7*10-6/℃。

（6）密度。復(fù)合芯的密度應(yīng)不大于1.9g/cm3。

（7）抗紫外線。對(duì)復(fù)合芯在波長(zhǎng)340nm、輻照度1.55W/m2*nm的紫外線條件下暴露1008h，表面應(yīng)不開裂，并且抗拉強(qiáng)度不小于2000MPa。

4 工程應(yīng)用

華晉公司沙曲礦將由300萬噸/年改擴(kuò)建為800萬噸/年，110kV變電所主變由2×25MVA增容至2×63MVA，原線路柳電-華晉3公里110kV線路，華晉110kV變電站一華晉35kV變電站5.6公里35kV線路，線路都為雙線LGJ-150型鋼芯鋁絞線，原有的導(dǎo)線難以滿足安全供電的要求，增容后需改為L(zhǎng)GJ-300鋼芯鋁絞線，但由于主要線路已運(yùn)行20多年，通道復(fù)雜，線下房屋密集，原通道改造桿塔的承載力不足，需更換桿塔及塔基，重新涉及村民征地問題，工程難度及費(fèi)用很大，此時(shí)最佳的選擇是利用原有桿塔而另換輸送容量大的導(dǎo)線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在不增加原有桿塔的受力和導(dǎo)線弧垂的條件下，代替原有的普通鋼芯鋁絞線增加容量已被廣泛應(yīng)用，在經(jīng)線路設(shè)計(jì)部門驗(yàn)算后，確定采用ACCC-185/25型碳纖維復(fù)合芯耐熱導(dǎo)線替換原有導(dǎo)線能夠滿足改擴(kuò)建后的用電需求，ACCC-185/25型碳纖維復(fù)合芯耐熱導(dǎo)線所允許的長(zhǎng)期運(yùn)行溫度為160℃，載流量為851A，變電所最大負(fù)荷時(shí)，線路電壓降約0.4U%，經(jīng)驗(yàn)算，ACCC-185型碳纖維復(fù)合芯耐熱導(dǎo)線能夠滿足華晉110kV變電所改擴(kuò)建后安全用電的需求，而工程費(fèi)用及工期大為節(jié)省。

ACCC-185型碳纖維復(fù)合芯耐熱導(dǎo)線與LGJ-150鋼芯鋁絞線的參數(shù)詳見表1。線路改造后繼續(xù)利用原有的鐵塔和避雷線，將原有導(dǎo)線和金具替換為ACCC-185型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線和配套的耐熱型金具。

5 結(jié)束語

華晉公司線路增容改造工程已于2014年底完工，運(yùn)行狀況良好，增容效果明顯，該工程的成功投入運(yùn)行，獲得了山西焦煤集團(tuán)、地方電力、施工、監(jiān)理等單位的一致好評(píng)和同行們的贊譽(yù)，為今后老舊線路需改造擴(kuò)容的工程，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。由此，我們認(rèn)識(shí)到碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是一種全新結(jié)構(gòu)的節(jié)能型增容導(dǎo)線，具有低比重、低馳度、高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率、倍容量等特性，同時(shí)降低了工程造價(jià)，優(yōu)化了路徑方案，縮短施工工期。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(chǎng)合的線路。特別是復(fù)合芯外表為絕緣體的玻璃纖維層，碳芯與鋁層之間不存在接觸電位差，可以保護(hù)鋁導(dǎo)體免受電腐蝕，其使用壽命是傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線的2倍，是一種“環(huán)境友好型輸電線路用導(dǎo)線”。從保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排、改善人類生態(tài)環(huán)境方面來說，具有劃時(shí)代的現(xiàn)實(shí)意義。

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