碳纤维导线的特性及应用.docx

碳纤维复合芯导线的特性及应用魏国彬(华晋焦煤公司 山西 吕梁033000)摘要：主要论述了碳纤维导线的特性及在老线路改造工程中的应用。关键词：碳纤维导线特性线路增容、ACCC/TWProperties and Applications of Aluminum Conductor Composite CoreWei Guo-bin(Huajin Coking Coal Co.,Ltd.,Luliang 033000,Shanxi Province,China)Abstract： This paper discusses the characteristics of Aluminum Conductor Composite Core and the transformation of the old-line engineeringKeywords： Aluminum Conductor Composite Core Features Line-compatibilizing ACCC/TW0.引言长期以来，架空输电线路导线主要采用钢芯铝绞线以及相关产品，电力工业的飞速发 展对架空输电线路导线提出了更高的要求，促使各国科技人员研发各种新型导线。上世纪 90年代末，人们开始尝试用复合材料代替金属材料来制作导线的承载部件，改善导线的弧 垂特性，采用软铝型线代替硬铝圆单丝，提高填充率和导电率，以到达提高线路输送容量的 目的。远东控股集团于2002年开始跟踪和研究导线领域这一新开展，并于2006年成功专门 从事复合芯软铝绞线的研发、生产和销售，经过近几年的产品质量提升及市场化。碳纤维复 合芯导线在电力行业中得到了广泛的应用。碳纤维复合芯软铝绞线的型号为JRLX/T(J-架空导线，RL-软铝，X-型线，T-碳纤维复 合材料)，规格用软铝型线标称截面和复合芯标称截面表示；国际上的通用型号为ACCC/TW (Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal wire)。碳纤维复合芯导线由于复合芯的强度足够高，不再需要铝承当受力作用，导电的铝就 可以采用退火状态的软铝，软铝的截面设计成瓦型，可大幅减少导线的外径。随着我国各行业电力需求的不断增长，局部老旧输电线路输送能力缺乏，面临增容改造 的压力。线路改造中，投资最大的工程是杆塔的更换，最棘手的问题是村民的土地问题，一 种新型的导线“碳纤维复合芯导线”的产生，使老线路在不更换杆塔的前提下到达增容的目 的。从节能、降低本钱、增加输送容量、提高电网平安运行等方面综合看，推广应用具有很 大的经济和社会效益。有助于构造平安，经济，环保，高效输电网络。1 .碳纤维导线的结构碳纤维导线ACCC/TW的结构独特，内部是一根由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的 复合芯，外层由一系列呈梯形截面的软铝线绞合而成。碳纤维复核芯承当导线总的力学性能, 具有强度高、密度小、膨胀系数小、耐腐蚀等特点。外层软铝具有导电率高、电阻小、自阻 尼性能强的特点。碳纤维复合芯与软铝线绞制而成的导线，便具有优良的性能:导线重量轻， 电阻小，外表光滑不易舞动，拉力质量比大，弧垂随温度的变化小等。因此，可作为电力部 门老旧线路改造、电力增容导线使用。其结构如图1-1所示。外层软铝碳纤维复核芯图IT碳纤维导线结构2、碳纤维导线的优越特性1.1 导线的重量轻、强度大、在相同的运行应力时弧垂小；碳纤维复合芯材料的密度 小（L9g/cn?）,约为普通钢芯密度（7. 8g/cm3）的1/4,标准导线中使用的钢芯绞合后强度 为1244N/min2,而碳纤维导线ACCC/TW的复合芯抗拉强度最小值可以到达ZMON/miA为前者 的1.73倍。例如,直径9.53mm的复合芯抗拉强度到达2414N/mm2,是钢芯铝绞线中钢芯强 度的L94倍；2. 2导线的直流电阻和交流电阻小，线路运行时线损低；导线导电率高，载流量大允 许运行温度180,可大幅度增容；2. 3导线的膨胀系数小，复合材料芯线膨胀系数仅为钢芯的1/8。在最低温到最高的运 行温度范围内弛度小；2. 4导线的外径小，导线运行时的风偏及覆冰载荷小；2. 5导线耐腐蚀,使用寿命长;ACCC导线的复合芯由玻璃纤维材料制成,具有较高的耐腐 蚀性能，与铝线接触不存在电腐蚀问题，可以解决长期运行中的腐蚀问题；3. 6导线外表紧凑、光滑，电晕损耗小；3、碳纤维复合导线的主要技术要求3.1 铝线：根据目前的制造技术水平和工程的实际应用情况，提出了架空导线用软铝型 线的主要技术要求：3.1.1 尺寸及尺寸偏差软铝型线的尺寸应符合绞线的结构技术设计要求：同一绞合层软铝型线应用相同的标称 截面积，并且截面积的偏差应在2%的范围内；不同绞合层的软铝型线应用相同标称厚度， 并且最大标称截面与最小标称截面的比值应不大于12。4. 1.2外表质量软铝型线外表应光洁，并不得有良好商品不相称的任何缺陷。2. 1.3抗拉强度软铝型线的抗拉强度应在（60-95） Mpa范围内。3. 2碳纤维复合芯碳纤维复合材料具有高强度、低韧性的特点，而强度和韧性是一对矛盾。为了保证碳纤 维复合芯导线的适应性，进行复合芯结构的优化设计和确定碳纤维复合芯的合理强度是十分 重要的。钢芯铝线常用规格的钢铝面积比是17%、13%、7%,对应的拉力重量比分别是9. 3-10. 8. 1-9. 7.4-8；对于碳纤维复合芯软铝导线，经计算可知：当芯铝面积比分别是14%、13%、 11%,谈，碳纤维复合芯强度是2150Mpa时，拉力重量比分别到达12、11、10,可以满足输 电线路的各种气象影响条件，并且平安系数也大幅提高。当需要更大的导线拉重比时，还可 以提高导线的芯铝面积比。对于型线绞合的导线，铝面积是可以连续变化的，而不象圆线绞 合时，面积的变化要受“绞合规律”的制约。碳纤维复合芯除了自身具有高强度、比重小、线膨胀系数小的特点外，还应具有优秀的 高、低温特性，优秀的卷绕、扭转特性、优秀的耐候性、耐腐蚀性、耐震动疲劳性，满意的 长期热老化寿命。碳纤维复合芯的主要技术要求：3. 2. 1外表质量复合芯外表应光洁，并不得有良好商品不相称的任何缺陷。接头所有增强纤维不允许成束插接，成品复合芯不允许有接头。3. 2. 3抗拉强度复合芯的抗拉强度，常温时应到达2150Mpa, 180o *168h时应到达2000Mpa。缠绕及扭曲性能复合芯以不超过5转/min的速度，在50倍复合芯直径的芯轴上缠绕2圈，不应有裂纹， 并能通过常温强拉强度试验。3. 2. 5线膨胀系数复合芯的线膨胀系数应不大于1. 7*10-6/1. 2. .6密度复合芯的密度应不大于1. 9g/cm3o3. 2. 7抗紫外线对复合芯在波长340nm辐照度1. 55W/m2*nm的紫外线条件下暴露1008h,外表应不开 裂，并且抗拉强度不小于2000Mpa。4、工程应用华晋公司沙曲矿将由300万吨/年改扩建为800万吨/年，110kV变电所主变由2X 25MVA增容至2X63MVA,原线路柳电一华晋3公里110KV线路，华晋110KV变电站 一华晋35KV变电站5.6公里35KV线路,线路都为双线LGJ-150型钢芯铝绞线，原有的 导线难以满足平安供电的要求，增容后需改为LGJ-300钢芯铝绞线，但由于主要线路已 运行20多年，通道复杂，线下房屋密集，原通道改造杆塔的承载力缺乏，需更换杆塔及 塔基，重新涉及村民征地问题，工程难度及费用很大，此时最正确的选择是利用原有杆塔 而另换输送容量大的导线，碳纤维复合芯导线在不增加原有杆塔的受力和导线弧垂的条 件下，代替原有的普通钢芯铝绞线增加容量已被广泛应用，在经线路设计部门验算后，确 定采用ACCC-185/25型碳纤维复合芯耐热导线替换原有导线能够满足改扩建后的用电需 求，ACCC-185/25型碳纤维复合芯耐热导线所允许的长期运行温度为160,载流量为 851A,变电所最大负荷时，线路电压降约0.4U%,经验算，ACCC-185型碳纤维复合芯 耐热导线能够满足华晋UOkV变电所改扩建后平安用电的需求，而工程费用及工期大为 节省。ACCC-185型碳纤维复合芯耐热导线与LGJ-150钢芯铝绞线的参数详见表8-1-1。线 路改造后继续利用原有的铁塔和避雷线，将原有导线和金具替换为ACCC-185型碳纤维 复合芯导线和配套的耐热型金具。表8-1-1碳纤维复合芯导线和钢芯铝绞线参数对照表5、结语标称截面 (mm2)计算重量 (kg/km)计算额定 拉断力 (kN)20 直流电阻(ohm/km)载流量(环境温度40)70 100160180ACCC-185/2556368.50.1568462A591A851A919ALGJ-150/25601540.1939360A华晋公司线路增容改造工程已于2014年底完工，运行状况良好，增容效果明显，该 工程的成功投入运行，获得了山西焦煤集团、地方电力、施工、监理等单位的一致好评 和同行们的赞誉，为今后老旧线路需改造扩容的工程，积累了珍贵经验。由此，我们认 识到碳纤维复合芯导线是一种全新结构的节能型增容导线，具有低比重、低驰度、高强 度、高导电率、倍容量等特性，同时降低了工程造价，优化了路径方案，缩短施工工期。 并可用于大跨越、大落差、重冰区、高污染等特殊气候和地理场合的线路。特别是复合 芯外表为绝缘体的玻璃纤维层，碳芯与铝层之间不存在接触电位差，可以保护铝导体免 受电腐蚀，其使用寿命是传统钢芯铝绞线的2倍，是一种“环境友好型输电线路用导线”。 从保护环境、节能减排、改善人类生态环境方面来说，具有划时代的现实意义。参考文献：1 .毛庆传，碳纤维复合芯导线的特性研究及标准化开展趋势，上海电缆研究所，2010.JRLX/T(ACCC)碳纤维导线产品样本，远东复合技术，2009。2 .冯卫民，碳纤维复合芯导线架设施工交流材料，福建省第二电力建设公司，20104、刘卫国，工矿供电技术，中国矿业大学出版社，2012作者简介：魏国彬( 1970-),男，山西矿业学院电气工程系毕业，电气工程师，从事供 配电及电气控制工作。