碳纤维复合芯导线的应用研究-技术报告(江苏)

碳纤维复合芯导线的应用研究-技术报告(江苏)内容摘要：

60～ 90MPa 范围内，铝线强度没有明显的提高。 导线微风振动疲劳试验 试验目的：评估线路的振动疲劳性能。 试验结果：通过耐 振疲劳试验。 3 根试样分别经过 3x107次连续振动疲劳试验后，对悬垂线夹处的导线进行拆股观察，未见有任何开裂断股现象。 导线的电 晕及无线电干扰试验 试验目的：测试 ACCC/TW 导线的电晕熄灭电压和无线电干扰电压；比较型线与圆线在电晕及无线电干扰的水平。 13 试验结果： 复合芯梯形单线同芯层铝导线 ACCC/TW 与钢芯铝绞线 LGJ 的可见电晕和无线电干扰电压试验结果 基本一致，钢芯铝绞线略优于复合芯梯形单线同芯层铝导线，两者均满足 220kV 输电线路的运行要求。 导线 运行调试 试验 加负荷 试验方式下 现场的 接线 为 掌握 实际运行中的 ACCC 导线载流性能和弧垂特性，拟将电网按以下形式改接，临时接入 110kV 湖塘变，试验结束后再断开。 预计最大负荷 约 15 万 kW 左右。 试验时间： 冬季 2020 年 12 月 20 日 ； 夏季 2020 年 8 月 15 日。 图 负荷 试验方式下现场 接线 图 148 m 11 8 10 常州变出线电缆 385 m 1389 m ACCC Lin431 LGJ185 ACCC 常白线 27 （跳线搭头接通） 滆湖线 22 （跳线搭头接通） 至滆湖变 至湖塘变 LGJ185 至采菱变 LGJ300 至工业园变 LGJ300 14 线路巡视复查 为保证调试成功，运行单位线路工区组织一次特殊巡视，对 110kV 常白线主线段各处的导线、绝缘子、杆塔状况、通道情况、交叉跨越情况等再做一次复查，及时消除不安全因素。 为保证两条线路搭接顺利，线路工区负责对 110kV 常白线 1～ 27～原 36 段相位进行现场复核，武进供电公司负责对 110kV 滆湖线 22～湖塘变～滆湖变段相位进行现场 复核，确保线路接通时相位一致。 运行方式调整过程 ⑴、 8： 30 110kV 常白 7550 线 、滆 湖 7731 线 临时搭通工作结束后，线路工区梁整民向调度汇报： 110kV 常白 7550 线 、滆 湖 7731 线 已临时搭通，保证相位正确，线路可以送电。 ⑵、拆除 110kV 常白 7550 线 、滆 湖 7731 线 各侧接地线。 ⑶、常州变：常白线 713 开关转为副母运行。 ⑷、调度通知测试现场指挥： 110kV 常白 7550 线 准备带负荷。 ⑸、采菱变：由芳采线合环调常白线供电，芳采线 712 开关转为热备用（自投启用）。 ⑹、武调： ① 工业园变：合环调常白线供电，遥工线转为备用 （自投启用）。 ② 湖塘变：合环调滆湖线供电，武湖线转为备用（自投启用）。 ⑺、调度通知测试现场指挥： 110kV 常白 7550 线 已带全部负荷 ⑻、测试工作结束后由现场指挥向调度汇报： 110kV 常白 7550 线 带负荷测试工作结束， 110kV 常白 7550 线 、滆 湖 7731 线 可以停电，拆开临时搭头线。 ⑼、线路搭头拆开后，调度恢复正常运行方式。 现场测试工作 测试时间 冬季 试验： 2020 年 12 月 20 日 ， 上午 9： 00 ～ 下午 16： 00。 夏季 试验 ： 2020 年 8 月 15 日 ， 上午 9： 00 ～ 下午 16： 00。 现场测量内容 选定代表性两档 ，按照不同时间段负荷和电流的变化情况，进行 ACCC/TW 导线弧垂 和温度的跟踪 测量。 第 1 档： 5～ 6， 档距 289 米； 15 第 2 档： 9～ 10；档距 195 米。 测温设备：红外热像仪。 测高 设备：全站仪、激光测高仪。 另外，对 以下 附件相应 进行 测温 ，以观测附件的温升变化 ： A 处： 5 塔导线悬垂线夹 ； B 处： 10 支接塔 ， 主线 ACCC 耐张 线夹 、 工业园侧 LGJ300/25 导线 耐张 线夹 、采菱侧 LGJ185 导线 耐张 线夹 ； C 处： 1 终端 塔， 电缆 接线端子 、 LGJ185 导线。 相关 测试 记录 举例 例： 测量档 号： 5 ～ 6。 （ 1）冬季 试验： 测量档距 289 米；环境气温：上午阴 5℃，下午阴 10℃。 表 冬季 试验 现场监测记录 时 间 电流值 (A) 导线 温度 (℃ ) 弧垂值 (m) 10:10 10:20 10:30 10:45 10:55 11:05 11:15 13:00 13:10 13:30 14:10 14:45 15:10 15:15 15:30 16:00 0 0 （ 2）夏季 试验： 测量档距 289 米；环境气温：上午阴 28℃，下午晴 32℃。 表 夏季 试验 现场监测记录 16 时 间 电流值 (A) 导线 温度 (℃ ) 弧垂值 (m) 9:30 10:00 10:30 10:50 11:00 11:15 11:30 13:00 13:30 13:50 14:20 14:45 15:05 15:30 16:00 经复核线路断面， 温度变化 下 现有的各种 交叉跨越 设施均满足安全限距的要求。 17 4 研究 成果 和效益 导线 机械 性 能 的 研究 碳纤维复合芯导线（ ACCC），采用高性能 碳 纤维复合材料作为导线 芯材来代替钢芯，与钢芯铝绞线相比，在相同的外径时，复合芯 铝绞线 允许缠绕超过 20%的导电铝线。 机械性能上具有以下 一些 特点。 强度高 用碳纤维复合芯替代传统的钢芯，抗拉强度 可达到 2399MPa， 是一般钢丝（ 1240MPa） 的 倍。 抗拉强度 的提高允许提高杆塔间的跨距，以降低工程成本。 线膨胀系数小， 弧垂 小 复 合材料芯 的线膨胀系数为 10 6（ 1/℃ ）。 钢芯铝绞线一般为 20 106。 经过热膨胀试验 （试样长度 50 米） ， 测试出 ACCC/TW 导线的 线膨胀系数 α ： ? 拐点温度（ 80℃ 左右）以下为 10 6（ 1/℃ ） ； ? 拐点温度 （ 80℃ 左右） 以上为 106（ 1/℃）。 由于复合芯的热膨胀系数比外层软铝线的热膨胀系数小的多， 在一定的温度 （即拐点温度 ） 以上 ， 导线的所有机械张力都将由 碳纤维复合芯 来承受 ， 此温度时铝导体部分的应力变为零。 铝线由于热膨胀伸长量很大，基本不承受拉力， 整根 导 线的热膨胀和弹性伸长 取决于 复合 芯的热膨胀和伸长率。 所以整个导线的热膨胀很小，线长变化很小，随着温度的上升，弧垂增加得很小。 下 图 是 另一规格的 ACCC/TWDrake1020导线 与直径相近的 LGJ400/35导线进行高温 弧垂 ─温升比较试验的曲线图 （测试档距 50 米）。 18 图 两种绞线弧垂─温升曲线比较图 可以分析出， 在相同的实验条件下， 温度从 50℃ 上升到 130℃ ， LGJ400/35 导线弧垂从 190mm 增加到 620mm， 提高了 倍； ACCC/TWDrake 导线弧垂从 175mm 增加到 245mm，提高了 倍。 ACCC/TW 导线 的 弧垂 变化量仅为常规 钢芯铝绞线 的 1/6。 温度越往上 升 ， ACCC/TW 导线 的弧垂 变化量 越小 ，基本不增加。 可见， 碳纤维复合芯导线 与 常规 钢芯铝绞线 相比具有显著 的低弧垂特性。 能减少架空线走廊的交跨绝缘距离，提高运行安全和可靠性。 重量轻 复合材料芯比重 仅 ， 为传统钢芯的 1/4。 本次选择的 Lin431 型的碳纤维复合芯导线，直径 ，与原 LGJ185钢芯铝绞线 接近，单位长度重量 653kg/km，小于原 LGJ185 导线 774kg/km。 但铝面积达 218mm2，与原 LGJ185 导线（铝面积 ）相比， 单位铝截面积对应导线重量为常规 钢芯铝绞线 的 70%。 自重的减轻可使导线荷载减少约 25%。 重量轻 和低 弧垂的特性可以降低杆塔高度，减轻铁塔结构强度要求，节省线路综合造价。 碳纤维复合芯导线单丝性能表 单丝性能 符号 碳纤维合成芯导线 铝线 碳纤维芯 直 径 mm 强 度 N 805 70000 导 电 率 ％ IACS 63 0 延 伸 率 ％ 20~30 线密度 kg/dm3 线膨 胀 系数 106/℃ 23 (0200℃ ) (15200℃ ) 碳纤维合成芯 导线参数表 序号 参 数 符 号 导线 1 规格 Lin 431kcmil 2 标称截面 mm2 218 3 铝线数量 16 19 碳纤维芯数量 1 4 计算截面 mm2 铝线 mm2 碳纤维芯 mm2 28 5 碳纤维芯直径 mm 整根导线直径 mm 6 导线质量 kg/km 655 芯质量 kg/km 52 铝质量 kg/km 603 7 额定强度 kN 8 弹性模量 MPa 66300 (拐点温度以下 ) 12932 (拐点温度以上 ) 9 线膨胀系数 106 1/℃ 13 (拐点温度以下 ) (拐点温度以上 ) 10 塑性及蠕变伸长 104 （ 25%RTS） 11 最小弯曲半径 mm 549 ACCC/TW 导线的应力 — 应变特性 根据 应力 — 应变特性试验的结果，测试出： ? 导线的最终弹性模数平均值为 GPa； ? 碳纤维复合芯的最终弹性模数平均值为。 绘制出导线应力 — 应变曲线见下图。 图 ACCC/TW 导线应力 — 应变曲线图 20 ACCC/TW 导线的蠕变特性 蠕变 试验的 结果 ， 得出 以下 蠕变方程式 : ε 101000 = T （ 15%RTS） ε 101000 = T （ 25%RTS） ε 101000 = T （ 35%RTS） 式中：ε — 单位长度伸长量（ mm/km）； T — 时间（ h） 按上面的蠕变方程式可推算出 10 年（ 87600 小时）后的蠕变量。 表 ACCC/TW 导线 10 年后的蠕变量 初始张力／破坏张力 百分比 15% 25% 35% 蠕变量（ mm/km） 306 512 1018 绘制出蠕变曲线 见下图。 蠕变曲线101001000100001 10 100 1000 10000 100000时间 (h)蠕变量 (mm/km)15%RTS25%RTS35%RTS 图 ACCC/TW 导线 蠕变 曲线图 对导线架设后的塑性伸长，仍可采用降温法来补偿。 考虑补偿初伸长的等效温度 用公式 Δt e = ε e ／ α 近似计算，降温值 为 25～ 30℃。 导线 耐热性能 的 研究 ACCC/TW 导线 外层铝导体为耐高温退火铝， 200℃下能有效运行，常规 钢芯铝绞 21 线 使用 温度 极限 最 大 100℃。 对 碳纤维复合芯的耐热性能检。