《碳纤维复合芯导线的应用研究》报告

《碳纤维复合芯导线的应用研究》报告

1 项目概述和技术原理

1.1 项目背景

针对目前电网中部分输电线路输送能力不足、部分老旧线路技术改造困难的情况下，为有效利用目前电网的输电线路，考虑应用新型碳纤维复合芯导线，提高电网的输送能力。

1.2 国内外技术现状

我国是个缺电的国家，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”，各国均在研究新型架空输电路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线。

目前世界上只有美国、日本、韩国开发出新型殷钢芯倍容量导线和新型合成导线，国内的产品研制和应用开始起步。碳纤维合成芯导线在国外的应用不长，美国CTC公司生产的ACCC碳纤维合成导线于2004年8月开始试用和运行，国内运行经验还较少。

1.3 项目主要研究内容

结合常州电网现状，分析一些老线路的公司技改、基建和业扩工程，选择在现有导线截面小且需增容的线路上试用新型碳纤维合成芯导线，在不改变现有路径、通道的情况下，既要大幅度提高线路输送容量，又要确保线路的安全运行。同时进行相关经济比较，用较少的投资取得理想的效益。

从节能、降低成本、增加输送容量、提高电网安全运行等方面综合看，推广应用具有很大的经济和社会效益。有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。

1.4 项目技术原理

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，具有强度高、重量轻、膨胀系数小、耐腐蚀和耐高温等特点。

(1)强度高。用碳纤维复合芯替代传统的钢芯，抗拉强度是一般钢丝的1.9倍，允许提高杆塔间的跨距，以降低工程成本。

(2)线膨胀系数小，弧垂小。复合材料芯线膨胀系数仅为钢芯的1/8。在相同的实验条件下，随着温度的上升，导线弧垂变化量仅为常规钢芯铝绞线的9.6%，高温下弧垂增量不到钢芯铝绞线的1/10，减少架空线交跨距离。

(3)重量轻。复合材料芯比重为传统钢芯的1/4，ACCC导线单位长度重量约为常规钢芯铝绞线的60～80%，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。

(4)导电率高，载流量大，运行温度高。

ACCC导线的合成碳纤维芯是非铁磁性材料，不存在磁损和涡流损耗。与钢芯铝绞线相比，在相同外径时，复合芯铝绞线允许缠绕超过28%截面积的铝线。ACCC导线外层采用导电率不小于63%IACS的铝线，铝导体为耐高温退火铝，200℃下能有效运行，常规钢芯铝绞线使用温度极限最大100℃。

由于铝截面增大和提高导线工作温度，导线的综合载流量理论上可提高至2倍。

图1.4.4 ACCC导线与钢芯铝绞线的断面比较图

(5)耐腐蚀性能好。

ACCC导线的复合芯由玻璃纤维绝缘材料制成，具有较高的耐腐蚀性能，与铝线之间接触也不存在电腐蚀问题，可以解决长期运行中的腐蚀问题。

1.5 项目研究目标

应用新型合成导线，能够利用现有杆塔等设施，成倍地大幅度提高传输容量，减少传输中电力的损耗，同时可以减少土地资源、有色金属资源等消耗。

为研究其特性，积累使用和运行经验，本项目开展碳纤维合成芯导线的应用和研究。

2 研究方法和技术方案

2.1 项目研究方法

对常州电网中部分输送能力不足、改造困难的线路，应用碳纤维复合芯导线。

选择在现有导线截面小且需增容的线路上试用碳纤维合成芯导线，在不改变现有路径、通道的情况下，既要大幅度提高线路输送容量，又要确保线路的安全运行。同时进行相关经济比较，用较少的投资取得理想的效益。

项目的研究拟通过以下几个方面来开展：

(1) 研究导线的机械力学特性，重新校核线路平断面，保证安全距离;

(2) 研究导线的载流特性，确定线路的最大允许工作电流，核算线路在电网各种特殊运行方式下的过负荷能力;

(3) 分析导线的弧垂与温度、应力、代表档距的对应变化关系;

(4) 导线架线施工和安装的特殊工艺;

(5) 研究各种特殊金具的配置;

(6) 进行带负荷运行调试，分析线路运行特殊要求;

(7) 进行相关经济比较。

2.2 项目应用实施方案

根据电网规划及运行情况，选定现有导线截面小且需增容的线路之一“110kV常白线”上试用，在不改变现有路径通道、不对杆塔进行改造的情况下，更换为ACCC碳纤维复合芯导线。

常白线上现状接2个110kV变电所，分别是：110kV采菱变，2x50MVA主变;110kV工业园变，2x50MVA主变。另原先还接有110kV湖塘变(2x40MVA)，因输送容量不足，现已临时断开。

图2.2 改造前110kV常白线接线图

原LGJ-185导线只能满足带一个变电所2台主变的要求，遇故障或检修，带3台50MVA 主变，需输送787A，LGJ-185导线就已不能承担。导线输送容量的限制给电网运行方式的灵活调整带来困难。

主线段线路已运行有20多年，通道复杂，线下房屋密集，原通道改造(换塔换大导线)很困难。该现状很适合应用碳纤维复合芯导线。

原线路导线均为LGJ-185。按最高允许温度+70℃、基准环境温度+25℃时，长期允许载流量510A，按照常州地区最高环境温度+40℃校正后为435A，允许输送容量为82900kW。

表2.2.1 现状线路输送容量

表2.2.2 改造后拟达到输送容量

增容改造实施：将常州变出线前段架空线的主线原LGJ-185导线更换为ACCC导线，长度1.8km。

2.3 项目实施成果

1、完成110kV常白线更换ACCC导线的设计和安装;

2、对所选的ACCC导线进行各项机械和电气性能试验;

3、进行线路运行加负荷调试试验;

4、开展ACCC导线耐高温、大载流量、低弧垂等方面性能的研究。

3 项目研究和实施过程