绞合型碳纤维复合芯导线在大跨越增容线路中的应用研究

0引言

随着经济的快速发展,近年电力建设也在大规模投入,但新建线路占用土地资源较多,特别是临近供电端的高压线路,离城市较近,土地资源紧张,故需利用己建线路增容来优化网架。但运行多年的旧线路,由于社会经济的发展,周边往往房屋密集,推倒重建难度极大,且投资较高。对大跨越输电线路而言,杆塔的改造受到通航河流等因素的制约,通过仅更换导线来达到增容目标,是增容的理想方案。如维持原杆塔和基础不变,增容导线的直径、单位重量和增容后的弧垂均需小于原导线[1]。常见的增容导线主要有铝包钢芯成型耐热铝合金导线、铝包殷钢芯耐热铝合金导线、碳纤维复合芯导线等。

目前应用的碳纤维复合芯导线可分为棒型和绞合型碳纤维复合芯两类,均具有重量轻、强度大、弛度低、耐高温、抗腐蚀、载流量大的共同优点。两者相比,前者存在导线柔软性较差、配套金具复杂、施工工艺要求较高等缺点;后者克服了该不足,是未来碳纤维复合芯导线的发展趋势[2]。胡雨婷等人[3]对碳纤维复合芯导线应用于特高压大跨越线路的脱冰工况进行了仿真研究;张辉[4]从碳纤维导线自身参数性能出发,总结了碳纤维导线应用于大跨越线路的工程意义,包括降低工程造价,减少线路检修成本等;杜雪松等人[5]对碳纤维导线的结构组成进行了分析,认为大跨越线路应用碳纤维导线时需采用一种利用楔形自锁原理的耐张线夹和接续管,以此避免在施工放线过程中碳纤维导线折断。以上研究主要集中在碳纤维复合芯导线应用于大跨越线路的工程意义、施工要点及脱冰运行工况下是否符合安全运行要求,但缺乏与 目前常用大跨越导线增容特性的对比研究,及同为碳纤维导线,通流部分的软铝和碳纤维芯的配比对弧垂特性的影响研究,本文重点对上述方面的研究进行阐述。

1大跨越工程增容导线的选择

大跨越段的导线截面必须与其相连的陆上线路导线截面的输送容量相匹配,不能成为整条输电线路的“瓶颈”。因此,大跨越导线截面宜按允许载流量选择[1]。

大跨越导线的机械特性要求拉力重量比T/W要大,即导线弧垂要小,以降低跨越塔的高度。拉力重量比T/W大,则要求导线的额定抗拉强度T要大、导线单位长度的质量要小,而这些正是碳纤维复合芯导线的特点[1]。

2绞合型与棒型复合芯导线比较

与棒型复合芯软铝导线相比,绞合型复合芯软铝导线采用绞合型碳纤维复合材料芯作为导线的承力体,具有以下优势:

1)柔软性和弹性较好。传统钢芯铝绞线、棒型和绞合型碳纤维复合芯导线的弯 曲半径分别约为20倍、40倍和25~30倍导线直径。绞合型碳纤维复合芯导线在弯曲和 自转时都具有较好的柔软性和弹性,和棒型复合芯导线相比优势较明显,可减少施工过程中弯曲半径不满足要求导致碳纤维复合芯受损的情况发生。

2)安全可靠性较高。绞合型碳纤维复合线芯由多股碳芯线绞制而成,每股线芯承受的拉力一般仅为整根复合芯的1/7、1/19和1/37,即使1~2股线芯断裂对导线张力的影响也较小。而棒型碳纤维复合芯一旦生产过程中存在瑕疵或施工过程造成了微小裂痕,在运行过程中受微风振动影响,均有可能扩散至整根芯棒,造成导线断裂,如图1所示。

3)抗疲劳性能较优。绞合型复合芯是绞线结构,相互间摩擦能分散外力或振动能量,较单棒型芯,绞合型的抗疲劳性能更优。

鉴于上述因素,本工程重点研究论述绞合型复合芯软铝导线。

3大跨越典型档距中的张力弧垂特性

3.1输送能力

大跨越段导线型号为2×KTACSR/EST—720特强钢芯耐热铝合金导线,现状输送容量仅为3050MW,已不能适应电网发展要求,为此需对其进行增容改造,以尽可能提高输送容量。按照电网的发展规划,输送容量需达到4 330 MW以上的水平,即输送电流为5000 A。

3.2计算条件选取

本文采用国内典型气象条件(表1),并选用以下几种截面积类似的导线进行对比分析:KTACSR/EST— 720(原导线)、KTACSR/EST—1000、JLRX1/JTF1C—960/240、JLRX1/JTF1C—1030/185,导线参数如表2所示。

跨越档距为500 m—1500 m—500 m,耐张段全长为2500 m,代表档距为1204 m。根据上述条件计算比较各种导线的弧垂特性。

3.3 拐点温度变化

由两种材质组成的导线,当两者的温度膨胀系数相差较大且导线运行温度较高时,就会出现拐点温度和拐点应力的计算问题。碳纤维导线由于芯棒的温度膨胀系数约为铝的1/10,当导线温度升到一定值时,铝部承受张力就会全部转移到芯棒上,铝部应力变为零,这个温度称之为拐点温度。实际上目前大量使用的普通钢芯铝绞线也存在拐点温度,但由于其拐点温度较高(一般在110℃),而设计允许使用温度在70~90℃ ,因此“拐点温度”的概念一般并不被熟知,但在碳纤维导线出现后,这一概念开始逐渐被了解。从图2可以看出,特强钢芯耐热铝合金导线KTACSR/EST—720在代表档距1 200 m时,拐点温度达到204℃ ,远大于其允许运行温度150℃ ,且特强钢芯耐热铝合金导线的拐点温度随代表档距的增大而明显变化。碳纤维导线的拐点温度在130℃左右,远小于其允许运行温度180℃ ,也远小于特强钢芯耐热铝合金导线,此特性表明碳纤维导线能较大地发挥其碳棒的低弧垂特性,能够在更大的温度范围内限制弧垂的增长。

3.4 弧垂特性分析

3.4.1温度—弧垂特性

通过图3可以看到,在相同温度下,绞合型碳纤维导线的弧垂比特强钢芯耐热铝合金导线的弧垂小约几十米,故仅通过增加特强钢芯耐热铝合金线的截面增容,由于弧垂增幅明显,难以满足增容需求。而绞合型碳纤维导线的弧垂较小,能满足增容的需求。JLRX1/JTF1C—960/240导线弧垂比JLRX1/JTF1C—1030/185约小15 m,两者的导线直径相同,前者软铝截面较小,碳纤维芯截面较大。同等导线直径条件下,铝和碳纤维芯的配比直接影响碳纤维导线的弧垂大小。铝截面减小,碳纤维芯可增大,张力增大可减小弧垂;但是同等输送容量条件下,导线运行温度需要提高,又引起弧垂增大,故铝和碳纤维芯的配比在具体工程中要根据输送容量的需求具体研究计算,以取得更好的弧垂特性。

特强钢芯耐热铝合金线的温度—弧垂曲线在整个温度范围内基本呈线性关系[6],而碳纤维导线在拐点温度以下的温度—弧垂特性与特强钢芯耐热铝合金线类似,但在拐点温度以上,弧垂增长有限。在大跨越线路中,绞合型碳纤维导线由于允许运行温度较高,可提高线路输送容量;又具有较小的低弧垂特性,故可不升高杆塔,保持原有杆塔和基础,故在增容工程中具有较好的应用前景。

3.4.2档距—弧垂特性

导线的弧垂主要由运行温度和档距控制,本章节在相同的增容输送容量(4 330 MVA)下,计算出各导线的运行温度,再比较不同的档距下与原输送容量的弧垂差异。档距—弧垂特性曲线如图4所示,从数据可知,在相同的输送容量下,绞合型碳纤维导线的弧垂一直小于原导线弧垂,且随着档距的增大,两者的弧垂差也逐渐加大。大跨越常用导线KTACSR/EST—1000弧垂始终大于原导线弧垂。例如,档距为1500 m时,原导线KTACSR/EST—720弧垂为104.0 m(未增容时),KTACSR/EST—1000增容后的弧垂为116.5m,JLRX1/JTF1C—960/240增容后的弧垂为82.0m,JLRX1/JTF1C—1030/185 增 容 后的 弧 垂 为99.0m。同为绞合型碳纤维导线 ,JLRX1/JTF1C—960/240和JLRX1/JTF1C—1030/185的弧垂差也达到了17 m,由此可知,为保证杆塔的风荷载,在导线直径相等的情况下,铝部和碳纤维复合芯的配比直接影响弧垂特性,从而影响工程的造价,故在具体的大跨越工程中,需重点研究相关内容。由于大跨越常用的特强钢芯耐热铝合金导线在大跨越增容中弧垂增长较大,而绞合型碳纤维导线具有较好的低弧垂特性,明显小于原导线弧垂,故适用于大跨越增容。

3.4.3载流量—弧垂特性

上两章节论述了各种导线弧垂与温度和档距的关系,显示了绞合型碳纤维导线的低弧垂优势。但在具体增容工程中选用何种增容导线,对相同载流量下的不同导线弧垂进行研究才更为直观。因此,本章节详细计算了各种导线在不同载流量情况下的弧垂特性。

KTACSR/EST—720导线在载流量为3600 MVA时,导线运行温度已达150℃ ,而特强钢芯耐热铝合金的最高允许运行温度为150℃ ,故即使在不考虑弧垂特性的情况下,KTACSR/EST—720导线的极限输送容量也就3 600 MVA,无法进一步增容。进一步增加导线截面,如采用KTACSR/EST—910和KTACSR/EST—1000导线增容容量可进一步提升,但也无法满足倍容的需求,且导线弧垂增加明显(图5),将导致原杆塔无法满足工程安全运行的要求。JLRX1/JTF1C—960/240和JLRX1/JTF1C—1030/185导线在输送容量大于4100 MVA左右后出现拐点,即使输送容量进一步增大,导线弧垂增幅亦趋于平稳,且远小于原导线弧垂,如图5所示。

输送容量为5045MVA时,JLRX1/JTF1C—960/240和JLRX1/JTF1C—1030/185导线运行温度分别为179.6 ℃和169.92 ℃ ,小于其最高连续工作温度180℃的要求。通过上述分析可见,通过增加常用大跨越特强钢芯耐热铝合金导线的截面积,增容效果有限,且弧垂增长较快;而绞合型碳纤维导线的增容效果明显,弧垂可比原导线小,甚至可实现倍容。

4碳纤维复合芯部分失效情况下的张力弧垂验算

本文绞合型碳纤维复合线芯由37股碳芯线绞制而成,每股线芯承受的拉力仅为整根复合芯的1/37,即使几股线芯断裂对导线弧垂的影响也较小。而棒型碳纤维复合芯一旦生产过程中存在瑕疵或施工过程造成了微小裂痕,运行过程中长期承受微风振动影响即可导致整根芯棒断裂,进而对弧垂造成较大影响。测算分析当复合芯出现断股时,剩余碳纤维复合芯的应力值如表3所示。

根据测算结果,当37股芯线分别断1股和5股时,剩余碳纤维复合芯承受的应力与最小抗拉强度的比值分别为45.19%~45.68%和50.84%~51.39%;当37股芯线断21股及以上时,剩余碳纤维复合芯承受的应力将超过其最小抗拉强度。

从图6的计算结果可以看出,部分芯棒失效后,导线的弧垂增大并不十分明显,特别是JLRX1/JTF1C—960/240导线,即使断股后弧垂仍小于KTACSR/EST—720,即使断10股后两者弧垂仍接近,这保证了部分芯棒失效后导线弧垂仍能满足安全距离的要求。

通过上述比较可知,部分芯棒失效后,剩余碳纤维复合芯承受的应力仍较小,保证了导线的安全运行;且导线的弧垂仍较原导线小,可以满足安全运行距离的要求。

5 导体材质的选择

上述论述的碳纤维导线的通流部分为软铝,强度约为60 Mpa;虽然其强度较低,但即使升温后,其强度也较为稳定,能保持其原有强度基本不变。耐热铝合金既具有较好的通流能力,又有较强的机械特性,故广泛运用于大跨越导线的通流部分。耐热铝合金的强度可达160 Mpa,在其允许的运行温度内,强度稳定;但一旦超过允许的运行温度,其强度将逐步下降。通过计算,在1500 m档距和同截面情况下,耐热铝合金碳纤维导线弧垂比软铝碳纤维导线小约6.3m(1030截面)和3.6 m(960截面),具体如图7所示。故弧垂机械特性上,耐热铝合金较软铝更具优势,且已在220 kv南京燕子矶大跨越中运用 (碳棒型,非绞合型)。一般线路中,耐热铝合金绞合型碳纤维导线已在部分工程中运用;后续在大跨越工程中,可从配套金具、架线施工和运行维护等方面进行全方位比较论证。

6 结论

1)碳纤维导线的拐点温度在130℃左右,远小于其允许运行温度180℃ ,且也小于大跨越常用的特强钢芯耐热铝合金导线150℃的允许运行温度,此特性表明碳纤维导线能较大地发挥其碳棒的低弧垂特性,能够在较大的温度范围内保持低弧垂特性。

2)在相同温度下,绞合型碳纤维导线的弧垂远小于特强钢芯耐热铝合金导线,且绞合型碳纤维导线的拐点温度较低,可在更大的温度范围内限制弧垂的增长。

3)通过增加常用大跨越特强钢芯耐热铝合金导线的截面积增容效果有限,且弧垂增长较快;而绞合型碳纤维导线的增容效果明显,弧垂可比原导线小,甚至可实现倍容。

4)相同外径的绞合型碳纤维导线,由于通流部分的软铝和碳纤维芯的配比不同,仍可引起较大的弧垂差异。故在具体工程中,应根据输送容量的需求,具体研究软铝和碳纤维芯的配比,以取得更好的弧垂特性。

5)绞合型碳纤维复合线芯即使存在瑕疵或部分断裂,部分芯棒失效后,剩余碳纤维复合芯承受的应力仍较小,保证了导线的安全运行;且导线的弧垂仍较原导线小,满足安全运行距离的要求。

6)同截面情况下,耐热铝合金碳纤维导线弧垂比软铝碳纤维导线小3.6~6.3m,后续可从配套金具、架线施工和运行维护等方面进一步进行全方位比较论证,以便推进耐热铝合金绞合型碳纤维导线在大跨越增容工程中的运用。

7)在大跨越线路中,绞合型碳纤维导线既能在较高温度下运行,提高线路输送容量;又由于拐点温度低,且芯棒的温度膨胀系数约为铝的1/10,因而低弧垂特性显著。保持现有杆塔和基础不变,维持原路径,通过更换导线实现增容,不仅可降低工程造价,还能减少建设任务,故绞合型碳纤维导线在增容工程中具有较好的运用前景。

[参考文献]

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[2]麻闽政,潘春平.绞合型碳纤维复合芯导线在新建线路中的应用研究[J].南方能源建设,2017,4(4):82-87.

[3] 胡雨婷,王黎明,尹芳辉.碳纤维复合芯导线应用于特高压大跨越线路的脱冰工况仿真[J].高电压技术,2023,49(5):1967-1974.

[4]张辉.碳纤维复合芯导线在大跨越线路中的应用探讨[J].湖北电力,2006(增刊2):3-4.

[5]杜雪松,隋高山,牛雪松.碳纤维复合芯导线在大跨越输电线路增容改造工程中的应用[J].电工材料,2014(4):43-46.

[6]沈楚莹,尹芳辉,燕秀,等.绞合型碳纤维复合芯导线的弧垂特性研究[J].电网技术,2021,45(12):4964-4970.

《机电信息》2025年第22期第2篇