碳纤维复合芯导线的应用研究-技术报告(江苏)

1、江苏省电力公司碳纤维复合芯导线的应用研究项目技术报告江苏省电力公司常州供电公司二八年一月目 录1 项目概述和技术原理21.1 项目背景21.2 国内外技术现状21.3 项目主要研究内容21.4 项目技术原理22 研究方法和技术方案42.1 项目研究方法42.2 项目应用实施方案42.3项目实施成果53 项目研究和实施过程63.1 线路前期设计阶段63.2 安装施工阶段83.3 导线性能试验103.4 导线运行调试试验134 研究成果和效益174.1 导线机械性能的研究174.2 导线耐热性能的研究204.3 导线载流特性的研究214.4 导线弧垂与温度、代表档距的对应关系分析254.5 导线施

2、工和安装的特殊工艺284.6 各种特殊金具的配置374.7 带负荷运行调试，分析线路运行特殊要求384.8 项目效益分析比较404.9 项目查新报告405 结论411 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、

3、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

4、、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6080%，自重的减轻可使

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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 现状线路输送容量导线型式长期允许载流量(A)允许负荷(MVA)变电所/主变台数负荷容量(MVA)满载电流(A)线路负载率LGJ-185435831/2100525120%2/3150787180%2/42001050-表2.2.2 改造后拟达到输送容量导线型式长期允许载流量(A)允许负荷(MVA)运行方式变电所/主变台数负荷容量(MVA)满载电流(A)ACCC-218525(90)100正常小方式1/2100525787(140)150正常大

10、方式2/31507871050(200)200故障短时2/42001050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3.1 线路前期设计阶段3.1.1 收集碳纤维复合芯导线的技术资料，研究其机械特性、电气特性。部分规格的导线已由上海电缆研究所进行了试验，现有资料的部分参数参考美国CTC公司提供的数据。

11、本项目选定型号的ACCC/TW导线另外进行多项机械及电气性能试验。3.1.2 结合原线路资料，重新测定线路平断面，掌握交叉跨越情况。110kV常白线主线段从220kV常州变常白线采菱支接塔，长度1.8公里，杆塔均为双回路（与110kV遥常线同杆架设），10基杆塔，为钢管杆和铁塔混合线路。全线平均档距210米，最大档距289米。设计时，全线重新测量了平断面，详细掌握各类交叉跨越情况。线路经过地区现为城区，下面房屋较多，交跨复杂，线路交叉跨越建筑物、电力线、通信线、城市道路等共42次。3.1.3 确定导线的型式截面、安全系数及应力、弧垂计算。根据原杆塔设计条件和线路交跨情况，初步确定导线的选型和截

12、面匹配，确定合适的安全系数、最大使用张力。拟选择Linnet431型（218mm2）截面的碳纤维复合芯导线，直径（18.29mm）和单位长度重量（653kg/km）均不大于原LGJ-185导线的直径（19.02mm）和单位长度重量（774kg/km）。导线的安全系数取3.5，最大使用张力20.7kN，不超过现有杆塔使用条件（23.0kN）。导地线安全系数、最大使用应力及平均使用应力见下表。表3.1.3.1 导地线安全系数及设计张力型 号最大使用张力平均运行张力安全系数原LGJ-18520953 N15715 N3.0ACCC/TW-Linnet43120703 N15941 N（22%RTS）

13、3.5新架导线的弧垂最高气温时不超过原导线弧垂，确保现有的各种交叉跨越设施均满足安全限距的要求。这些条件保证主线段所有杆塔均不需进行改造，得以充分利用。碳纤维复合芯导线的铝面积218mm2，大于原LGJ-185导线182.4mm2的铝面积，载流能力大大增加。下表反映了本次选定的碳纤维复合芯导线与原导线参数的对比情况。表3.1.3.2 碳纤维复合芯导线与原导线参数对比表项 目ACCC/TW-Linnet431LGJ-185 单丝根数(芯铝)1 167 28直 径 (mm)18.2919.02单位重量 (kg/m)655774综合截面 (mm2)246.6216.76铝截面(mm2)218.418

14、2.4计算拉断力 (kN)72.4661.6设计安全系数3.53最大使用张力(kN)20.7020.95平均运行张力(kN)15.9415.7220直流电阻(/km)0.1280.163最高允许温度()20070根据导线的线膨胀系数与温度、应力的对应变化关系，分析导线机械特性，进行应力、弧垂计算，架线施工张力弧垂计算。3.1.4 配合适的金具、附件本工程ACCC/TW导线所用耐张线夹，为专用配套的耐热型线夹，内层不锈钢，外层铝合金。根据导线发热特性，选择专用的ACCC/TW导线配套耐热型耐张线夹。配置合适的悬垂金具和耐热型预绞丝护线条，合理组合附件安装。导线的耐张线夹、引流板为ACCC/TW导

15、线配套的专用线夹，预绞丝护线条、T接线夹等有南京线路器材厂专门设计。3.2 安装施工阶段3.2.1 施工技术准备本线路采用张力展放导线。架线前检查各施工段的平断面图、明细表等,认真对施工场地进行调查、熟悉交叉跨越情况。合理布置张力场和牵引场的位置。对导、地线连接管及耐张管进行检验性压接试验。架线作业指导书经审批，架线前进行技术交底。进行牵、张场预选，本工程分为二牵，从110kV常白线G1电缆终端塔G8支接塔为第一牵，从G8支接塔G10支接塔的架空主线部分为第二牵。表3.2.1 牵、张场预选表序号牵、张场现场桩号控制桩号放线段长度（m）导线盘长（m）1牵引场G1电缆终端塔G1G814101510

16、张力场G8支接塔2牵引场G10支接塔G8G10390420张力场G8支接塔3.2.2 架线架线前调查清楚沿线的交叉跨越等障碍物，进行线路通道清理。根据现场情况搭设跨越架,安装防磨滚筒。选择和布置牵张场。采用一台牵引机、一台张力机进行导线展放施工，一牵一展放方式。为了避免ACCC导线与原线路旧导线之间的磨碰。本工程利用原线路LGJ-185导线作为牵引绳张力展放ACCC导线。下面是几张现场安装图片。图片3.2.2.1 导线张力展放 图片3.2.2.2 预绞丝型装置紧线图片3.2.2.3 线芯清洁 图片3.2.2.4 安装套管及联接图片3.2.2.5 内外清洁涂油膏 图片3.2.2.6 耐张线夹的压

17、接3.2.3 其他安装进行紧线和挂线施工，弧垂调整，导、地线液压，附件安装，导线跳线安装等。于2006年11月完成110kV常白线增容改造ACCC导线的安装施工，并投入运行。3.3 导线性能试验3.3.1 专项性能试验对本项目采用的Linnet431规格ACCC/TW导线专门委托上海电缆研究所开展了以下8项性能试验。3.3.1.1 导线握力试验（常温）试验目的：测试ACCC/TW导线安装专用楔型线夹后的握着力。试验结果：无中间接续的试样，握力试验结果为81.4kN；有中间接续的试样，握力试验结果为81.0kN。证明ACCC/TW导线安装专用楔型线夹后的握力满足不小于90%计算拉断力（72.46

18、kN）的要求。3.3.1.2 导线高温（140200）拉力试验试验目的：测试ACCC/TW导线在高温条件下的总拉力。试验结果：ACCC/TW导线试样在140高温通电加热3小时后，直接做拉力试验，高温拉断力为74.6kN，与计算拉断力相比没有损失；160高温通电加热3小时后，高温拉断力下降为64.0kN，为计算拉断力（72.46kN）的88%；180高温通电加热3小时后，高温拉断力下降为56.8kN，为计算拉断力（72.46kN）的78%；在200高温通电加热38小时后，直接做拉力试验，高温拉断力下降为4850kN，约为计算拉断力（72.46kN）的66%69%。这个结果说明，ACCC/TW在1

19、60高温以上，拉断力距不小于90%计算拉断力的要求有一定的损失，随着温度上升，损失逐步加大。3.3.1.3 导线应力应变试验试验目的：测定ACCC/TW导线的应力应变特性。试验结果：导线的最终弹性模数平均值为66.3 GPa；碳纤维复合芯的最终弹性模数平均值为113.3 GPa；绘制出导线应力应变曲线图。3.3.1.4 导线热膨胀试验试验目的：测定ACCC/TW导线的热膨胀系数。试验结果：（试样长度50米）拐点温度（80左右）以下该导线实测线膨胀系数为13.0×10-6（1/）；拐点温度（80左右）以上该导线实测线膨胀系数为1.65×10-6（1/）。3.3.1.5 导线弧

20、垂特性试验试验目的：用以评估ACCC/TW导线在实验室条件下的高温弧垂特性。试验结果：测量导线弧垂和张力随温度变化的情况，分别绘制出该ACCC/TW导线在加载不同初始张力（15%RTS、25%RTS、35%RTS）下的弧垂温升曲线和张力温升曲线。3.3.1.6 导线蠕变试验试验目的：确定ACCC/TW导线的蠕变特性。试验结果：得出蠕变方程式；计算出在15%、25%和35%的张力下10年（87600小时）后的蠕变量；绘制出蠕变曲线。3.3.1.7 碳纤维复合芯耐热性能检验试验目的：测试碳纤维复合芯的耐热性能。试验结果：碳纤维复合芯经过不同加热温度和不同加热时间后的拉力结果，芯仍能保持合适的拉力（

21、未加热时的90%以上）。3.3.1.8 导线载流量测试及计算试验目的：测试ACCC/TW导线在实验室条件下的载流量；计算ACCC导线在不同环境条件下的载流量。试验结果：测出无风、无日照和自然对流条件的实验室测试数据；计算得出导线载流量的理论计算数据表（分别为在国内常用参数条件下和在IEC61597-1995推荐的参数条件下）。分析：与钢芯铝绞线相比，ACCC/TW导线得载流量有比较明显得提高，而且导线允许得使用温度更高（最高200）以及具有低弧垂的特性，因此，ACCC/TW导线载流能力有明显优势。3.3.2 借鉴的其他项目试验借鉴其他规格的ACCC/TW导线已进行的试验有以下一些。3.3.2.

22、1 导线高温（150）拉力试验试验目的：测试ACCC/TW导线在150温度下的拉断力。试验结果：在150温度下，ACCC/TW导线能够满足不小于计算拉断力的90%。分析：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150高温下，所有拉力都加载在复合芯上，铝线由于热膨胀伸长量很大，基本不承受拉力，所以高温下导线的拉力与复合芯的拉力基本一致。3.3.2.2 碳纤维复合芯盐雾腐蚀试验试验目的：通过在强腐蚀气氛的腐蚀试验，评估碳纤维在自然条件下的耐腐蚀性能。试验结果：试样表面完好，无可见腐蚀现象；试验前后试样重量基本没有变化。证明碳纤维复合芯在5%NaCl盐雾气氛下360h试样无腐蚀。3.

23、3.2.3 导线及复合芯压扁试验试验目的：测试ACCC/TW导线及碳纤维复合芯在一定的压力负荷作用下损坏程度；分别比较ACCC/TW导线与钢芯铝绞线和碳纤维复合芯与钢芯的抗压性能。试验结果：在受控制的压力负荷作用下有一定的变形，铝丝部分变形较大，碳纤维复合芯变形较小。证明了ACCC/TW导体承受压力而不会产生严重损坏的能力，这种压力在ACCC/TW导线的正常处理、安装或运行中均可能遇到。3.3.2.4 导线过滑轮试验试验目的：验证线路张力放线对ACCC/TW导线的影响，包括表面是否存在损伤，线股是否存在松股、起灯笼现象，以及铝线强度是否有明显变化等。试验结果：ACCC/TW导线未见起灯笼现象，

24、也未见明显松股，但软铝线表面有擦痕；过滑轮后铝单丝抗拉强度均在6090MPa范围内，铝线强度没有明显的提高。3.3.2.5 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。3.3.2.6 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。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

25、芯层铝导线，两者均满足220kV输电线路的运行要求。3.4 导线运行调试试验3.4.1 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2006年 12月 20 日；夏季2007年 8月15 日。148 m# 1-1# 8# 10常州变出线电缆385 m1389 mACCC Linnet431LGJ-185ACCC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LGJ-185至采菱变LGJ-300至工业园变LGJ-300图3.4

26、.1 负荷试验方式下现场接线图3.4.2 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。3.4.3 运行方式调整过程、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

27、可以送电。、拆除110kV常白7550线、滆湖7731线各侧接地线。、常州变：常白线713开关转为副母运行。、调度通知测试现场指挥：110kV常白7550线准备带负荷。、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）。、武调： 工业园变：合环调常白线供电，遥工线转为备用 （自投启用）。 湖塘变：合环调滆湖线供电，武湖线转为备用（自投启用）。、调度通知测试现场指挥：110kV常白7550线已带全部负荷、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。、线路搭头拆开后，调度恢

28、复正常运行方式。3.4.4 现场测试工作3.4.4.1 测试时间冬季试验：2006年 12月 20 日，上午9：00 下午16：00。夏季试验：2007年 8月15 日，上午9：00 下午16：00。3.4.4.2 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；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LGJ-300/25导线

29、耐张线夹、采菱侧LGJ-185导线耐张线夹；C处：#1终端塔，电缆接线端子、LGJ-185导线。3.4.4.3 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3.4.4.3-1 冬季试验现场监测记录时 间电流值(A)导线温度()弧垂值(m)10:1010:2010:3010:4510:5511:0511:1513:0013:1013:3014:1014:4515:1015:1515:3016:000274.2452.4505.7778.1732.4711.4744.7738.9737.7722.5718.4468.2296.

30、5213.905.06.17.914.932.530.835.646.746.948.744.140.421.617.512.19.24.064.284.445.176.556.496.626.846.856.866.826.806.025.754.624.16（2）夏季试验：测量档距 289 米；环境气温：上午阴28，下午晴32。表3.4.4.3-2 夏季试验现场监测记录时 间电流值(A)导线温度()弧垂值(m)9:3010:0010:3010:5011:0011:1511:3013:0013:3013:5014:2014:4515:0515:3016:00543.8560.8755.974

31、0.7708.4685.6646.3743.0765.8781.7788.1795.7421.3591.2282.432.032.249.849.351.851.147.449.451.456.056.456.838.642.430.56.596.626.886.856.926.876.756.876.886.966.976.986.636.706.55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。4 研究成果和效益4.1 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

32、绕超过20%的导电铝线。机械性能上具有以下一些特点。4.1.1 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1.9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。4.1.2 线膨胀系数小，弧垂小复合材料芯的线膨胀系数为1.6×10-6（1/）。钢芯铝绞线一般为20×10-6。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：ü 拐点温度（80左右）以下为13.0×10-6（1/）；ü 拐点温度（80左右）以上为1.65×10-6（1/）。由于复合芯的热膨

33、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/TW-Drake1020导线与直径相近的LGJ-400/35导线进行高温弧垂温升比较试验的曲线图（测试档距50米）。图4.1.3 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，LGJ-400/35导线弧垂从190mm增加到

34、620mm，提高了2.3倍；ACCC/TW-Drake导线弧垂从175mm增加到245mm，提高了0.4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。4.1.3 重量轻复合材料芯比重仅1.9/cm3，为传统钢芯的1/4。本次选择的Linnet431型的碳纤维复合芯导线，直径18.29mm，与原LGJ-185钢芯铝绞线19.02mm接近，单位长度重量653kg/km，小于原LGJ-185导线774kg/

35、km。但铝面积达218mm2，与原LGJ-185导线（铝面积182.4mm2）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。4.1.4 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mm4.165.97强 度N80570000导 电 率IACS630延 伸 率2030线密度kg/dm32.7031.935线膨胀系数10-6/23 (0-200)1.6 (15-200)4.1.5 碳纤维合成芯导线参数表序号参 数符 号导线1规格Linnet 431

36、kcmil2标称截面mm22183铝线数量16碳纤维芯数量1 4计算截面mm2246.4铝线mm2218.4碳纤维芯mm2285碳纤维芯直径mm5.97整根导线直径mm18.296导线质量kg/km655芯质量kg/km52铝质量kg/km6037额定强度kN72.468弹性模量MPa66300 (拐点温度以下)12932 (拐点温度以上)9线膨胀系数10-6 × 1/13 (拐点温度以下)1.65 (拐点温度以上)10塑性及蠕变伸长×10-4 5.12（25%RTS）11最小弯曲半径mm5494.1.6 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：

37、l 导线的最终弹性模数平均值为66.3 GPa；l 碳纤维复合芯的最终弹性模数平均值为113.3GPa。绘制出导线应力应变曲线见下图。图4.1.6 ACCC/TW导线应力应变曲线图4.1.7 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: 10-1000 = 22.05 T 0.231 （15%RTS） 10-1000 = 37.82 T 0.229 （25%RTS） 10-1000 = 70.25 T 0.235 （35%RTS）式中： 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4.1.7 ACCC/TW导线

38、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）3065121018绘制出蠕变曲线见下图。图4.1.7 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 t e = e 近似计算，降温值为2530。4.2 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，常规钢芯铝绞线使用温度极限最大100。对碳纤维复合芯的耐热性能检验，经热老化试验，芯的耐热性能如下表。表4.2.1 碳纤维复合芯热老化试验值表试验温度() 试验时间拉断力(kN)与计算拉断力百分比160400 h72.2100

39、%180400 h67.793%20050 h69.296%200200 h68.795%200400 h66.692%结果表明，碳纤维复合芯经过不同加热温度和不同加热时间后，恢复正常温度后，芯仍能保持不小于90%计算拉断力的拉力。根据前述，整根ACCC导线高温拉力试验的情况，ACCC导线在140高温下，能够保持不小于计算拉断力的拉力。表4.2.2 ACCC/TW导线高温下拉力试验值表试验温度() 试验时间拉断力(kN)与计算拉断力百分比1403 h74.6100%1603 h64.088%1803 h56.878%2003 h48.066%经分析，由于复合芯的热膨胀系数比外层软铝线的热膨胀系

40、数小的多，在140高温下，所有拉力都加载在复合芯上，所以高温下导线的拉力与复合芯的拉力基本一致。当温度达到160，ACCC导线高温拉断力下降为计算拉断力的88%，随着温度的进一步上升，拉断力下降得较多，核算高温运行时的导线安全系数是十分必要的，最重要的是恢复常温后仍能保持满足要求的拉断力，以确保气象控制条件下导线的安全系数。4.3 导线载流特性的研究4.3.1 载流截面分析碳纤维复合芯采用合成碳纤维，全部都是非铁磁性材料，而且不导电，所以不存在钢丝材料引起的磁损和涡流损耗，在输送相同负荷条件下，具有更低的运行温度，可减少输电损失约6%。外层采用导电率不小于63%IACS的铝线。本此采用的 AC

41、CC/TW-Linnet431型导线，外径18.29mm，比原LGJ-185钢芯铝绞线19.02mm还小，铝线绞制成梯型（如下图剖面图），增加了单位面积导电能力。碳纤维复合芯导线的铝面积218mm2，原LGJ-185导线的182.4mm2，载流铝截面前者比后者多20%，载流能力大大增加。图4.3.1 ACCC/TW- Linnet导线剖面图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。4.3.2 在无风、无日照和自然对流条件下，实验室测试数据见下表。表4.3.2 无风、无日照和自然对流条件下载流量试验数据导体温度()环境温度()载流量(A)40.061.180.090.

42、3100.6110.3119.4128.4141.4150.4160.1169.8181.3190.5198.314.714.414.414.614.715.015.315.315.515.715.715.716.016.016.23244465325686126506707207297688018308588808954.3.3 ACCC/TW导线载流量的理论计算（两种计算参数）4.3.3.1 环境条件（ 国内常用计算参数下）载流量计算值基准条件： 风速 0.5 m/s日照强度 1000 W/m2导体表面吸收系数 0.9导体辐射系数 0.9环境温度 2045 导体工作温度 70150 表4.

43、3.3.1 环境条件下ACCC/TW-Linnet431的载流量导体温度环境温度 直流电阻/km交流电阻/km交直流电阻比20 25 30 35 40 45708090100110120130140150160170180190200598 558 515 467 415 355661 626 590 550 508 462716 685 653 619 583 545765 737 708 678 646 613809 783 757 730 701 672848 825 801 776 751 724886 864 842 819 796 771920 900 880 858 837 81

44、4953 934 915 895 875 854984 966 948 930 911 8921014 997 980 963 945 9271043 1027 1011 994 978 9611070 1055 1040 1025 1009 9931098 1084 1069 1055 1040 10250.15220.15740.16270.16790.17320.17840.18370.18890.19410.19940.20460.20990.21510.22030.15270.15790.16300.16830.17350.17880.18400.18930.19450.19980.

45、20500.21030.21550.22061.0031.0031.0021.0021.0021.0021.0021.0021.0021.0021.0021.0021.0021.0014.3.3.2. 环境条件（IEC 61597-1995推荐计算参数下）载流量计算值基准条件： 风速 1.0 m/s日照强度 900 W/m2导体表面吸收系数 0.5导体辐射系数 0.6环境温度 2045 导体工作温度 70150 表4.3.3.2 环境条件下ACCC/TW-Linnet431的载流量导体温度环境温度 直流电阻/km交流电阻/km交直流电阻比20 25 30 35 40 4570809010011

46、0120130140150160170180190200725 683 638 590 538 481786 748 709 667 624 577838 804 769 732 694 654 883 852 820 787 753 717924 896 866 836 805 773961 934 907 879 850 821994 969 944 918 892 8641025 1001 978 953 929 9041053 1031 1009 986 963 9401080 1059 1038 1016 995 9721105 1085 1065 1045 1024 1003112

47、8 1109 1090 1071 1052 10321151 1133 1115 1096 1078 10591172 1155 1138 1121 1103 10850.15220.15740.16270.16790.17320.17840.18370.18890.19410.19940.20460.20990.21510.22030.15270.15790.16300.16830.17350.17880.18400.18930.19450.19980.20500.21030.21550.22061.0031.0031.0021.0021.0021.0021.0021.0021.0021.0

48、021.0021.0021.0021.0014.3.4 线路输送能力分析根据前面的耐热性能和载流特性的分析，本次应用的ACCC-Linnet431导线，长期允许工作温度宜控制在140，按夏季最高环境温度40，最大允许工作电流宜控制在837A，随季节变化，环境温度的降低，可适当提高最大允许工作电流，参考上表4.3.3.1。下表为ACCC/TW导线与原LGJ-185导线输送能力对照表。表4.3.4 ACCC/TW导线与原LGJ-185输送能力对照表导线型式导线温度()环境温度()输送电流(A)输送负荷(MW)LGJ-185704039575.3ACCC/TW-Linnet4311404083716

49、01604091117418040978186参考前面导线高温拉力试验的情况，当温度达到160后，导线高温拉断力开始下降，随着温度的进一步上升，拉断力下降得较多。因此，该碳纤维复合芯导线长期运行在140是比较合适的，对拉断力没有损失，此时输送电流已达到相同直径钢芯铝绞线的2倍以上。分析线路在电网检修、故障等各种特殊运行方式下，为增加输送容量，适当可超过140，短时允许的最高运行温度180，运行时间不宜超过3小时。4.4 导线弧垂与温度、代表档距的对应关系分析4.4.1 线膨胀系数的测试比较通过ACCC导线热膨胀试验，测出（试样长度50米）：拐点温度（80左右）以下该导线实测线膨胀系数为13.0

50、×10-6（1/），拐点温度（80左右）以上该导线实测线膨胀系数为1.65×10-6（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，在拐点温度以上，所有拉力都加载在复合芯上，铝线由于热膨胀伸长量很大，基本不承受拉力，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。4.4.2 ACCC导线与原LGJ-185导线弧垂计算值对比表4.4.2-1 原LGJ-185导线弧垂温度变化计算表档距(m)调试时气温（5）年平均气温（15）最高气温（40）最高允许温度（70）1000.6350.7591.1761.7191501.3641.5672.1522.8652002.3242.5973.3234.1862503.5183.8504.7025.6953005.1595.5456.5027.599表4.4.2-1 ACCC导线弧垂温度变化计算表档距(m)调试气温(5)年平气温(15）最高气温(40)导线运行温度701001201501801000.5130.6