电线电缆Elc
2024-10-18
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2007年第4期 NO.4 20o7 电线电缆 EleclIic ire&Ca1)ltJ 2007年8月 Aug.,2007 碳纤维芯软铝绞线的特性研究与应用 黄国飞 , 季世泽 , 蒋华君 (1.上海电缆研究昕,1.海200093;2.逛尔复合技术有限公州, 苏宜兴214257) 摘要:碳纤维芯软铝绞线是一种新型的架空输电线,与钢芯铝绞线相比具有重量轻、强度大、耐腐蚀、大容量、 低弧垂等优点 本文根据上海电缆研究所架空线实验室对碳纤维软铝绞线的试验研究成果,综合分析碳纤维 软铝绞线推广应用的价值及其前景 关键词:碳纤维芯软铝绞线;复合材料;架空输电线;弧垂 中图分类号:TM244.2 文献标识码:A 文章编号:1672—6901(2007)04—0010—05 Investigation of the Characteristics of Soft Aluminium Conductor Carbon Fiber Reinforced and its Application HUA G GUO—fei.et al (Shanghai Electrical Ca1)le Resear ̄ 11 Institute,Shanghai 200093,China) Abstract:Soft aluminium conductor carbon filter reinfoI ted(SACCFR)is a new type of overhead transmission conductor. Compared with ACSR.SACCFR has the alh,antages ot light weigll1.high strength,eon'osion resistance and low sag.Based on the results of the study on SACCFR hy SECRI Overhead Conductor LaboratoU,this paper analysed the values and prospect of the popularization of SACCFR. Key words:soft aluminium conductor carbon fiber reinforced;conlposite material;uverhead transmission conductor;sag 0 引 言 随着我国国民经济的高速发展,对电力的需求 也在迅速的增长。虽然近几年建设并投产厂一大批 发电机组,但是输电瓶颈问题一直没有得到很好的 解决,特别是城市供电矛盾尤为突出,这其中一个重 耐腐蚀、低弧垂等优点。 1 碳纤维复合芯铝绞线及金具 碳纤维复合芯铝绞线的芯线由碳纤维和玻璃纤 维组成,其中芯线内部由上万根直径7 m左右的 PAN系碳纤维丝与热固型改性环氧树脂粘合而成, 芯线外部由玻璃纤维和热固型改性环氧树脂粘合而 成,两层结构要求有很好的同心度。外层作为输电 载体的铝线为梯形(也可以为z型)截面。图1所示 为碳纤维复合芯铝绞线,即DRAKE ACCC/TW (Aluminum Conductor Composite Core/Trapeziform 要的原因是城市及周边的电网建设受到土地供应和 线路走廓的限制开工不足,无法满足快速增长的城 市用电需求。为了提高输电线路的输送容量,利用 现有线路走廓尽可能多的输送电力,各国的相关科 技人员一直在努力探索新型输电导线,包括耐热铝 合金导线、殷钢芯或铝包殷钢芯导线、钢芯软铝导线 Wires)产品照片图及其截面示意图,其结构为一根 直径9.5 mm的碳纤维复合芯棒作为加强芯,外部同 心层绞两层梯形软铝型线,内层铝型线8根,等效直 以及复合加强芯导线等。 从上个世纪9O年代开始,美国和日本的科技人 员开始研究用有机复合材料代替传统导线的钢芯 到目前为止,美国CTC公司和3M公司分别开发了 碳纤维复合芯铝绞线和陶瓷纤维芯铝绞线。2005 径(与同截面圆线等效)5.42 mm,外层铝型线14根, 等效直径5.56 mm。 碳纤维复合芯铝绞线的金具与钢芯铝绞线金具 有一定的差异,即将原传统的钢锚改为由楔型线夹 所代替(如图2所示),但是外部铝套管和跳线端子 年8月始,上海电缆研究所对碳纤维复合芯铝绞线 进行了系统的试验研究,研究表明碳纤维复合芯铝 绞线充分发挥了有机复合材料的优良特性,与钢芯 铝绞线相比,具有重量轻、强度大、高载流、低线损、 收稿日期:2006—12—20 仍采用与钢芯铝绞线一致的金具(如图3所示)。由 于楔型线夹的安装比较方便,外层铝套管的压接也 与钢芯铝绞线相同,因此施工工艺方面不存在新的 问题 作者简介:黄国飞(1980一),男,浙江常山人, 程师 作者地址:上海市军工路1000号[200093 . 2007年第4 I9j No.4 2007 电 电缆 f: J)JP 2007 8 H EJPf·,¨r、、 f AI1 ..2007 1 碳纤维复合芯 绞线及救面乐意【 图2碳纤维复合芯导线用楔型耐张线夹 图3碳纤维复合芯铝绞线用铝套管 2碳纤维复合芯铝绞线的特·I生及应用 2.1重量轻 碳纤维复/\芯的密度为1.95 g/cm ,仅为钢的 1/4 、以普通铡芯铝绞线DRAKE为例,钢芯结构的 导线单位长度重量为1624 kg/km,如果用 9.5的碳 纤维复合芯代替钢芯,DRAKE ACCC/TW导线的单 长度重量为1217 kg/km、因此,DRAKE ACCC/TW 导线的单位长度重量仪为普通钢 芷=结构DRAKE导 线的75(/r 导线自重的减小呵以降低线路杆塔造 价和施工周期,可以节省线路的综合造价。 2.2抗拉强度大 碳纤维是一种抗拉强度极高的材料,一股的抗 托灶度超过3 000 MPa。}:海电缆研究所对DRAKE ACCC/TW导线 9.5的碳纤维芯线进行了测试,结 果表明 线的抗拉强度在2 200 MPa以上,而且其 懂力一心 曲线呈现弹性体的特征(如图4所示) 圈4碳纤维复合 庸/J.膻变[1f1线 表l以DRAKE ACCC/TW导线与DRAKE导线 为例,对其主要性能进行对比。由此可见,碳纤维复 合芯铝绞线在常温条件下的拉断力是相同直径钢芯 铝纹线的122.3%,即使在高温运行条件下,外层梯 形(或z型)软铝线不承载张力,所有张力全部由碳 纤维复合芯线承担,其拉断力仍达到102.9%,远远 优于钢芯铝绞线。 表1 DRAKE ACCC/TW与DRAKE导线的性能对比 项目 DRAKE A(:CC/TW DRAKE 绞线结构 I/9.5+8/5 42+14/5.56 7/3.45+26/4 44 芯线截面积/r/lnl1 70.9 65.4 铝截面积/mm 5l7.0 402.6 外径/mm 28.14 28.14 单位长度重量/(k km) j2】7 l624 芯线拉断力/kN l53.】 84.4 绞线拉断力(常温)/kN l82.f) l48 8 2007年第4期 No.4 2007 Ele('tri( Wi1e&Ca}}I 2007年8月 Aug.,2007 2.3耐高温 钢芯铝绞线外层铝线一般为硬铝线,在线路运 行过程中需要承载相当的张力,但是硬铝线退火温 要性能参数对比,丧3、表4、表5、表6分别为这两 种导线在不同条件下的载流量数据 表2 DRAKE ACCC/TW与LGJ.400/50主要性能参数 项目 DRAKE ACCC/TⅥ r (:I一400/50 度很低,如果钢芯铝绞线长期使用在高温条件下,硬 铝线会出现退火效应,强度显著下降,这就限制了普 通钢芯铝绞线使用温度。目前钢芯铝绞线的设计长 绞线结构 直径/mn1 铝截嘶积/mtn: 总截面积/nIII1 2()℃绞线直流电 l/9.5+8/5 42+14/5.56 28.14 517.0 587.9 7/3.07+54/3.07 27.63 399.72 451.54 期使用温度为70℃(也有国家为80℃),短时允许过 载工作温度为100℃。 碳纤维复合芯铝绞线外层铝线是软铝线,因此 线路的允许长期使用温度取决于碳纤维加强芯的最 高允许使用温度。试验表明碳纤维复合加强芯经 150℃,1 000 h的高温试验其抗拉强度没有明显的 变化。根据CTC提供的试验数据,碳纤维复合芯铝 绞线的最高使用温度可以达到180℃,甚至更高 由于考虑到线路的经济运行等因素,目前在国内试 挂的数条线路其设计使用温度为120℃。 2.4载流量大 我们选择型号为LGJ一400/50的钢芯铝绞线与 0 05410 0.【)7232 阻/(n/kn1) 2.4.1 环境条件l下的载流量数据 环境条件l(国内常用计算参数): 风速 0.5 m/s 日照强度 导体表面吸收系数导体辐射系数环境温度 1 000 W/m 0、9 0.9 20~45℃ DRAKE ACCC/TW导线作对比,分析具有相近直 的两种导线其载流能力的差异 表2是两种导线的 导体工作温度 70~200_℃ 表3环境条件I下的1 020 kcmil DRAKE ACCC/TW(22 wire)的载流量 环境温度/ : 导体温度/℃ 20 70 1【x】 15O 2【x】 (单位:A) 交直流 电阻比 1.O16 1.Ol3 1.OlO 1.【x】8 直流电阻 40 697 l】26 1552 1863 交流电阻 /(n/km) 0.0662 0.0728 0 0839 0.095l 25 955 1286 1656 1939 30 878 l235 l622 19】4 35 793 l】82 1588 1889 45 585 1O67 1516 1 837 /(n/km) O.O652 0.()719 0 0831 0.0943 1027 1335 1688 l963 ①导线截面积为1020 kcmil+即1020千圆密耳(1 emil=5.0671 X 10 。m );22 wire表示该结构导线外层的铝型线(单线)的根数为22根.以 下各表相同 表4环境条件I下的LGJ.400/50钢芯铝绞线载流量 环境温度/℃ 直流电阻 40 604 750 862 (单位:A) 交流电阻 /(n/km) 0.08701 0.O9O9l 0.09532 交直流 电阻比 1.Ol6 1.027 1.043 导体温度/℃ 20 70 80 90 25 827 931 l0l6 30 760 875 968 35 687 8l5 9l6 45 508 678 803 /(n/km) O.O8564 0.08852 0.09l39 889 984 lO63 l【x】 l13O 1088 l045 looO 953 903 0.09426 O.1【x】0l 1.06l 2.4.2环境条件Ⅱ下的载流量数据 导体表面吸收系数 导体辐射系数 环境温度 0.5 0.6 环境条件Ⅱ(1EC 61597—1995推荐的计算参数) 风速 日照强度 1.0 m/s 900 W/m 20~45℃ 70~200℃ 导体工作温度 2007 第4 NI).4 2007 电线电缆 Electric Wire&Cable 2007年8月 Ang.,2007 表5环境条件Ⅱ下的1 020 kcmil DRAKE ACCC/TW(22 wire)的载流量 导体湍度/ . (单位:A) 交直流 电阻比 l 0l6 1.0l3 1.Ol0 1.oo8 20 l25l l535 l845 2067 25 Il77 l48l 1807 2037 30 环境温度/ —— 直流电阻 40 923 l 308 交流电阻 /(n/km) 0.(1662 0.0728 0 0839 35 45 822 l246 l648 l9l7 /(n/km) 0()652 0.07l9 0.083l 70 l00 150 2oo l099 l0l4 l368 l729 l978 l425 l768 2oo8 l689 l948 0.o943 0.095l 表6环境条件Ⅱ下的LGJ.400/50钢芯铝绞线载流量 导体温度/ 20 70 1083 (单位:A) 交流电阻 /(n/km) 0.0870I 25 l0I9 环境温度/℃ —— 3() 35 直流电阻 40 799 交直流 电阻比 1.0l6 45 7l2 /(n/kn1) 0.08564 95l 878 80 9() l()0 ll70 l240 1299 lI I3 ll90 l 153 l054 ll37 992 1083 Il57 926 l026 ¨07 855 965 l054 0.08852 0 09l 39 0.0909I 0.O9532 0.10001 f I.027 1.043 l2o6 0 09426 .1.06l 通过表3 表4对比口『以看出,在环境条件I 下,DRAKE ACCC/T ̄ 在导体温度为150。(:,和环境 温度为4O 时的载流量为1552 A,而LGJ一400/50在 导体温度为70%和环境温度为40℃的载流量为 604A,前者是后者的2.57倍;从表5与丧6可以看 损耗(见表7)。 表7碳纤维复合芯铝绞线与钢芯铝绞线的损耗比较 项目 运行温度/℃ DR K}: C(:(:门 、、 70 Lf —400/50 70 载流量/、 容量/k碍 损耗/kW 损耗/功率/% 项日 697 265585 l9296 7 27 DRAK E ACCC/T 604 23Ol48 l9046 8.28 LCJ一400/50 出,在环境条件“下,DRAKE ACCC/TW在导体温度 为150%和环境温度为4O℃时的载流量为1689 A, 而I GJ一400/50在导体温度为70℃和环境温度为 40%时的载流量为799 A,前背是后者的2.1l倍、 综上所述,使用碳纤维复合芯铝绞线作为线路增容 改造的线种,效果非常显著。 2.5线路损耗低 运行温度/℃ 载流量/A loo ll26 loo 953 容量/kW 42905l 363l3l 线路损耗~一直以来都是输电线路设计、运行单 位最关心的问题,直接影响到电力系统的经济效益。 碳纤维复合芯铝绞线与钢芯铝绞线相比可以大大降 低线路的损耗,主要有如下三个因素: 损耗/kw 损耗/功率/% 5538l l2.9 54498 l5.0 注:电 等级220 kV,线路长腰2(x】km,环境条件:环境条件I 通过表7可以得到,在相同的运行温度下,采用 第一,碳纤维复合芯铝绞线外层铝线采用导电 率63%IACS的软铝线,与硬铝线(6l%IACS)相比导 碳纤维复合芯铝绞线的架空输电线路与采用普通钢 芯铝绞线的线路相比,碳纤维复合芯铝绞线输送容 量更大,更节能。 2.6耐环境腐蚀 电率提高3.3%。 第二,碳纤维复合加强芯是非铁磁性材料,当导 线通过交流电流时不会产生磁滞损耗和涡流损耗, 也就是说,碳纤维复合芯与相同结构的钢芯铝绞线 相比具有更小交流电阻。 碳纤维复合芯线外层使用的玻璃纤维和环氧树 脂都是耐环境耐腐蚀的材料。上海电缆研究所对碳 纤维芯线进行了盐雾腐蚀试验,经过一个周期360 h 的试验,通过称量和显微镜观察未发现有任何的腐 蚀或开裂现象。 美国CTC公司通过有限元法分析,对碳纤维复 合铝绞线及其金具的使用寿命进行评估,评估结果 认为,在一般情况条件下该导线及其金具的使用寿 命均大于30年的线路设计寿命。 第三,碳纤维复合芯铝绞线外层铝线采用型线 绞合,结构紧凑,填充系数高,与同直径钢芯铝绞线 相比具有更大的载流截面。 我们以钢芯铝绞线LGJ.400/50与DRAKE ACCC/TW导线为例,根据表3、表4的载流量计算结 果,测算碳纤维复合芯铝绞线与钢芯铝绞线的线路 2007年第4期 No.4 2007 电线【乜缆 H tl,i(,Wil·e&Cable 2007年8月 Aug.,2007 2.7低弧垂 缓,但是仍非常显著 对于实际使用的架空线路,碳 纤维复合芯铝绞线的使用在降低线路弧垂方面作用 十分突出,也为线路在N一1时提供丫足够的扩容空 间,有利于提高输电的安全性和可靠性。 钢芯铝绞线的热膨胀系数为11.5×10 ~23.0 ×10 /℃,具体取决于铝钢比,就一般而言,普通钢 芯铝绞线的热膨胀系数为20×10 /℃左右,这对于 工作温度在70℃左右,档距数百米的架空线路而言 由此引起的弧垂是相当明显的。碳纤维复合芯线最 大的优点就是热膨胀系数特别小,其热嘭胀系数为 3 结束语 (1)碳纤维复合: 铝绞线与普通钢芯铝绞线相 比,具有弧垂小、载流大、线损低、重量轻、耐高温、耐 腐蚀等优点,而且线路施工方便,具有良好的推广应 1.6×10 /℃,仅为钢的1/7,、碳纤维复合芯铝绞线 外层采用梯形软铝线,导线载流后温度升高,外层铝 线由于热膨胀系数(铝的热膨胀系数为23.0× 用前景一 l0 /℃)远远大于芯线,因此,随着温度的升高,字吕 (2)从增加线路输送容量、提高电网供电可靠 线承受的张力越来越小,当温度高于迁移点温度后, 性、节能等方面看,碳纤维复合芯铝绞线的推广应用 所有张力全部由芯线承载,碳纤维复合 铝绞线的 具有一定的经济效益和社会效应 热膨胀系数即为 芭:线的热膨胀系数,昕以导线弧垂 (3)碳纤维复合铝绞线日前的价格还非常昂 随温度变化不明显。 贵,而且碳纤维芯线仍依赖进口,这些都限制了其在 上海电缆研究所对碳纤维复合芯铝绞线 国内大规模的推广使用 DRAKE ACCC/TW与钢芯铝绞线LGJ一400/50在同一 (4)碳纤维复合芯铝绞线虽已经在实验室条件 条件下做弧垂一温升试验(试验条件:档距49 8 131,初 下进行了大量的研究试验,但是实际运行的试验线 始张力25%UTS),试验表明普通钢 :铝绞线辽移 路很少而且运行时间不长,线路的安全可靠性评估 点温度在120 oC左右,而碳纤维复合芯铝绞线的迁 需要进一步的实际线路试验验证. .移点温度在80℃左右(如图5昕示)j (5)从长远考虑,对碳纤维芯线我们要立足自 由图5还可以得到,碳纤维复合芯铝绞线在迁 主研发,结合我国在国防、航空航天领域的碳纤维研 移点温度以上的弧垂变化非常的缓慢,而普通钢芯 究成果,多单位跨行业相互协作,逐步实现碳纤维的 铝绞线在迁移点上方的弧垂变化虽然变化速度变 国产化。 参考文献 E 量 1: Ohki Y.等新颖碳纤维加强的铝导线:J].IEEE Electrical Insluation Magazine July/August,2003,19(4):67—69. 景 2: 尤传永架空输电线新型复合材料合成导线的研究开发[J].电 力建设,2005,(11):1—6. [3 黄崇祺,李文浩,黄国飞,等.架空电力线路大容量导线[A .第 四届全国现代电力技术学术研讨会论文集 C].2004. 4] 印永福,主编.电线电缆手册(第3册) M].北京;机械工业出 图5 DRAKE ACCC/TW与LG.I一400/50弧垂一温升曲线 版社,2002 欢迎广大读者为本刊撰写稿件! 欢 欢 ,