输电线路用低弧垂碳纤维芯铝绞线的发展

1、CIgre21, rue dArtois, F-75008 Paris HYPERLINK 22-2032002全集CIGRE版权所有22-203输电线路用低弧垂碳纤维芯铝绞线（ACFR ）的发展佐藤文博东北电力株式会社：日本宫城县仙台市青叶区3 丁目一番町7-1东北电力株式会社：日本宫城县仙台市青叶区3 丁目一番町7-1号东北电力株式会社昭和电线和电缆公司（日本）1.摘要在电力市场中，非常重视对延长设备使用寿命和对设备剩余使用寿命的评估。在自由化的 竞争市场中，有效使用现有设备非常重要。根据我们过去的经验，很明显高架输电线路元件的使用寿命并非仅仅取决于降级的机械性 能，由于各种运行限制（例如

2、：传输热容量的不足以及其他制约因素等,）尽管现有设备性能良 好，仍要经常需要更换。对于高架输电线路设施来说，有关线路支撑结构的成本要比导线的成本高得多。如果在不 用新建或更改现有支撑结构的情况下，就能够解决输电线路上输电热容量增加以及导线离地高 度不足等问题，就可以在高效使用现有资产的同时，减少各种运行限制了。正因如此，我们将焦点集中到了非磁性高抗腐碳纤维上。与钢芯相比，碳纤维具有重量轻、 高温下延伸率小，而且拉力更为充分等优势。我们研制开发出了低弧垂碳纤维芯铝绞线（ACFR）， 该绞线采用由碳纤维和基体树脂（改性环氧树脂或双马来酸树月&）组成的复合电缆。关键词：传输线路-低弧垂-热膨胀系数-

3、弹性系数-钢芯铝绞线（ACSR）-碳纤维芯铝 绞线（ACFR）-碳纤维复合电缆（CFCC）2.概述碳纤维芯铝绞线（ACFR）是一新型低弧垂导线，采用了由碳纤维和树脂组成的复合电缆 （CFCC）。与传统镀锌钢绞线相比，碳纤维具有重量轻、高温下延伸率小的明显优势。3. CFCCCFCC主要由碳纤维（丝）和基体树脂组成。制造流程如下2:首先，将直径为7M m的12000根单丝绑扎成一束，将热固树脂（改性环氧树脂或双马来 酸树脂）渗入到线束中，然后再用有机纤维盖在表面上来制备条状材料，这样就制成了 ACSR线芯的股线，其外径与钢股相同。另外，一定数量的线股绞合在一起，再将树脂热固，就形成 了 CFCC

4、导线芯。表1和表2列出了碳纤维和基体树脂的基本物理性质，表 3则对CFCC和铝横截面积为 160mm2的导线钢绞线进行了对比。与传统 ACSR160mm2钢芯绞线相比，CFCC的重量只有其 1/5左右，热膨胀系数只有1/12左右，拉伸强度基本相同。表1碳纤维的基本物理性质项目基本物理性质原材料PAN碳纤维拉伸强度（N/mm2）3,630弹性系数（N/mm2）235,000断裂延展率（%）1.5表2树脂的基本物理性质项目基本物理性质耐热级别普通耐热树脂改性环氧树脂树脂拉伸强度（N/mm2）88拉伸强度（N/mm2）弹性系数（N/mm2）3,500弹性系数（N/mm2）断裂延展率（%）4.2断裂延

5、展率（%）表3 CFCC和钢绞线（160mm2）的特性对比项目特性类型CFCC钢芯绞线耐热级别普通耐热-绞线股数（数量/mm）7/2.67/2.6计算的横截面积（mm2）37.1637.16外径（mm）7.87.8重量（kg/km）61.0291.3拉伸负荷（kN）5744弹性系数（N/mm2）137,000206,000热膨胀系数（X 106/C）1.011.54. ACFR结构和导线特性在传统ACSR中，可采用钢绞线来增加拉伸强度，在芯周围布置铝线。 ACFR用重量轻热 膨胀系数小的CFCC来代替钢绞线。用ACFR在现有输电线路中重新布线，我们可以把 ACFR 的结构和外径制作的与各种尺寸

6、的传统 ACSR相同。因此我们研制开发了两类导线：（1）是在 CFCC周围采用硬铝导体（HAL）的普通型ACFR，其持续耐热温度为90C； （2）是耐热型铝 合金线（TAL），其持续耐热温度为150C。两类导线的区别在于基体树脂的耐热级别不同。（T） ACFR 160mm2 的外观如图 1 所示，（T）ACFR 160mm 2和（T）ACSR 160mm 2 的导体特性 比较如表4所示。虽然（T）ACFR的外径与（T）ACSR的相同，但与（T）ACSR相比，（T）ACFR的重 量则减少了 30%左右，热膨胀系数只有高温工作区的1/12，在高温工作区弧垂将是主要问题。 这就导致了压缩型导线弧垂问

7、题。就电流负荷量而言，（T） ACFR的铝横截面积与（T）ACSR相 同，因此两类导体的容许电流负荷量也相同。表4. (T)ACFR 160mm 2和(T)ACSR 160mm 2的导体特性的对比项目特性导线ACFRACSRT ACFRT ACSR标称横截面积160160160160工作温度(C)持续9090150150短时120120180180股数(股/mm)铝30/2.630/2.630/2.630/2.6心1/7.87/2.61/7.87/2.6直流电阻(20C) ( Q/km)0.1820.1820.1850.185持续电流负荷量(A)454454705705计算的横截面积(mm2)

8、196.5196.5196.5196.5外径(mm)18.2重量(kg/km )502.5732.8502.5732.8拉伸负荷(kN)68.968.468.968.4弹性系数(N/ mm2)过渡温度或之 下76,00089,10076,00089,100过渡温度之上137,000206,000137,000206,000热膨胀系数(X 106/C)过渡温度或之 下15.518.015.518.0过渡温度之上1.011.51.011.5横截面(T) ACSR(T) ACFR蜘铝*5. ACFR的弧垂和温度特性图2表示的是当导线在跨度为300米布线时(T)ACFR 160mm2和(T)ACSR

9、160mm2的弧垂/ 温度特性的对比。当与标准型导线可耐受的持续温度90C时的弧垂比较时，ACSR的弧垂为11.3 米，而ACRF的弧垂则为9.3m。因此，ACFR可降低弧垂约2米。当与耐热型导线可耐受的持 续温度150C时的弧垂比较时，TACSR的弧垂为12.3米，而TACFR的弧垂为9.4米，因此TACFR 的弧垂可降低约2.9米。，垂弧)，垂弧)J印-C】ISO2C3A comparison of the sag/temperature characteristics 度(C)(T)ACFR 160 mm2图2 (T)ACFR 160mm 2和(T)ACSR 160mm 2的弧垂/温度特

10、性的比较and (T)ACSR 160 mm2各种性能试验结果我们进行了各项性能评估试验，包括拉伸负荷（在环境温度、低温条件、热循环/热运转后）、 弧垂/温度特性、微风振动、冰凌的混线现象、耐腐蚀性、架线车通过以及长时间加热等等。试 验结果令人满意。下面将介绍拉伸特性、电弧电阻特性、耐腐蚀性和现场试验的情况。6.1拉伸特性在常温测量应力/伸展特性时，电缆断裂时的伸展率为1.6%，小于钢芯电缆的伸展率。弹 性体的特性很明显，在断裂前未观察到塑性变形现象。6.2抗电弧性为了了解ACFR的抗电弧特性，可在与ACSR试验同样的条件下进行电弧试验，在这项试 验中，首先确定从通电开始到电缆断裂的预放电时间

11、，然后再评估抗电弧特性。ACFR的预放电时间比ACSR长大约2.4倍。接下来在假设电弧损坏电缆的情况下再进行一次试验。在这项试验中，向电缆施加中小级 电弧电流，然后检测ACFR和ACSR在被损坏方面存在什么差别。因此，钢绞线和复合绞线在 铝线中的熔解损坏或剩余强度方面没有什么区别，并且对于可引起熔解损坏的电弧方面，ACFR 的性能等同于ACSR。因此，可以得出结论ACFR的抗电弧性等同于或好于ACSR。6.3抗腐蚀性与碳纤维复合电缆接触的内层铝线的腐蚀是一个需要面对的问题。我们用盐雾试验和 SO2 试验来检测ACFR的耐腐蚀性。在ACSR中，与钢芯接触的内层铝线的强度会降低，但在ACFR 中根

12、本没有检测到强度降低的现象。另外，假设因复合电缆损坏而导致碳纤维曝露在外，我们再来检测碳纤维和铝线之间接触 而导致的腐蚀情况。与在ACSR中铝线和钢线的接触相比，我们发现损坏的情况微乎其微，不 存在任何问题。6.4现场试验将CFCC芯导线架在实际钢塔上进行试验，来验证在自然环境中的拉伸强度变化情况、积 冰/雪情况以及与导线附件兼容性情况。为进行碳纤维复合电缆的验证试验，ACFR和TACFR在严峻的气象条件（在本州最北边附 近，大约北纬410东经1410）下架线，用两年的时间进行观察。架线条件如表 5所示，在现场 试验期间的气象条件和拉伸强度如表6所示，而试验后电缆的特性如表7所示。为碳纤维复合

13、 电缆新研制的压缩型空接线柱在试验中用作空接线柱。在架线的现场试验过程中，我们没有观察到碳纤维芯导线上因异常积雪/冰现象导致的波动 以及震动和过度蠕变延伸现象。另外，根据试验后的特性检验结果，我们证实了电缆的性能在 试验前后并没有发生明显变化。表5现场试验的架线条件导线ACFR160mm2TACFR160mm2跨度（m）297282最大工作拉力（kN）25.525.5附件双扭力阻尼器双扭力阻尼器，防雪环，平衡锤表6现场试验时的气象条件和拉伸强度项目观察结果温度最大（C）33.0最小（C）-13.1风速最大阵风（m/s）最大32.910分钟平均风速（m/s）最大20.3导线拉力最大（kN）ACF

14、R: 11.2、TACFR： 14.1最小（kN）ACFR: 6.1、TACFR: 6.3表7现场试验后的性能发现项目ACFRTACFR导线外观无异常无异常附件的断裂部分无异常无异常空接线柱内部无异常无异常铝导线的剩余强度*198.2%100.3%复合电缆的剩余强度104.7%103.5%*1剩余强度：是指在架线前与拉伸负荷之比。可以看出剩余强度的测量是分散在试验的精度限 值之内的。项目 导线、尺寸(mm)LAFE D dNTACFR160mm26914259548201840图3压缩型空接线柱配件和附件由于相对于钢芯导线来说，复合电缆的抗压载力的能力要弱一些，因此不能使用对钢芯部分压紧的附件

15、，如传统的空接线柱或 ACSR中使用的联合连接套管。7.1空接线柱当同时压缩复合电缆和铝线时要采用一个一体化的设计作为套管，以便降低对复合电缆的 压缩/挤压力。该套管的全长比 ACSR大270mm(691mm-421mm : ACFR-ACSR)，这就确保了 电流密度及抓力。图3给出了 ACFR压缩型空接线柱的一个例子。直线式联合连接套管的设计 也遵循同样的原则。7.2减振器我们在ACFR上附加了一个ACSR的减振器，进行一项受迫震动试验来确认附有减振器部 分的导线强度，经验证并未发现异常现象。但是，ACFR本身的震动吸能小于ACSR，因此必 须要分别考虑需安装的减振器数量。表8 CFCC的架

16、线条件项目条件架线拉力最大20%UTS架线块直径600mm 接线角最大300接线块通过数量最大20表9当安装ACSR线夹保护装置时的架线条件项目条件架线拉力最大20%UTS架线块直径450mm 接线角最大600接线块通过数量最大207.3其它附件可以使用ACSR悬挂线夹和铠装杆。施工过程中的注意事项8.1施工方法当采用传统导线架设方法时，考虑到线夹末端的导线会发生弯曲，因此必须要满足表 8中 列出的架线条件。另外，ACFR的架线夹是一个压缩型结构，与空接线柱一样，比 ACSR的线 夹要稍微大一点。当接线角超过300时，有可能要采用表9中列出的架线条件，ACSR上带有 一个保护装置(图4)。这些

17、条件与传统使用过程中的条件相同。主要部如n螺纹部分实心销pin! / 下水道drain后 中 L F前！段 段段ce一-Mil图4线夹保护装置(ACFR 160mm 2)8.2工具还可以使用ACSR上使用的普通紧线夹。弧垂拉力设计因为CFCC芯导线配置有一根热膨胀系数很小的复合电缆，作为加强芯，所以拉力可用该 复合电缆温度超过过渡点时的热膨胀系数和弹性系数来计算，在这种情况下，铝线部分分担的 应力为零。成本比较表10是一个在将现有输电线路（66kV、2cct、线长：10km、ACSR 160 mm2）的载流量从 454A提高到705A时的成本对比实例。进行比较的两种方法分别是（1）通过重建传统

18、钢架来 提高导线的大小；（2）用本研究中开发的TACFR重新架线。在本表中，对传统重建法与新开发的 ACFR电缆重新架设法的施工成本进行了比较。传统 方法的总成本设定为1.00。（A）列表示的是每一项与传统方法总成本的比值。（B）列表示的是 新方法的每一项的成本比值。右边（C）列则是两种方法的成本比（B/A:倍数）。比较结果显示，新导线的架设成本比传统导线高 1.6倍，但是，由于支撑结构的施工成本 大幅下降，因此与传统方法相比，新方法的总成本整体可以降低到48%。表10成本比较（66kV、2cct、线长：10km）项目（A）项目成本与传统 法总成本之比（B ）新方法(C)B/A(倍数)支撑结构的施工 成本0.700.000.00-材料0.090.000.00-合同工程0.610.000.00导线的架设成本0.300.481.60-材料0.070.294.14-合同工程3总成本1.000.480.4811.结论在本研究中研制的ACFR具备以下特征：11.1两种类型的导线一