碳纖維的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用技術(shù)原理
本文描寫了碳纖維在電網(wǎng)施工中的應(yīng)用。
摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)用電和生活用電激增，電網(wǎng)增容改造的需求逐漸增大。碳纖維導(dǎo)線代替原有桿塔上的導(dǎo)線既能達(dá)到增容的目的，又可避免由于容量增加使得架空輸電線路導(dǎo)線弧垂過大、對(duì)地距離不足的問題，提高輸電線路的安全穩(wěn)定性。因此，碳纖維導(dǎo)線在改擴(kuò)建電網(wǎng)線路中逐漸被廣泛應(yīng)用。本文介紹了碳纖維的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用技術(shù)原理，以具體的實(shí)例介紹了碳纖維導(dǎo)線在改擴(kuò)建電網(wǎng)線路施工中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：碳纖維導(dǎo)線,電網(wǎng),增容改建
前言：
隨著我國電力需求的不斷增長，許多電力線路面臨增容的壓力。線路增容最經(jīng)濟(jì)的辦法之一是利用原有桿塔只更換導(dǎo)線。而利用原有桿塔的前提條件是:更換的導(dǎo)線荷載不能超過原有桿塔的設(shè)計(jì)條件。為此，新更換的導(dǎo)線一般不能采用普通的鋼芯鋁絞線ACSR(AluminumConductorSteelReinforced),而需采用新型的增容導(dǎo)線。碳纖維復(fù)合導(dǎo)線就是一種全新結(jié)構(gòu)的節(jié)能型增容導(dǎo)線。與常規(guī)導(dǎo)線相比，它具有重量輕、抗拉強(qiáng)度大、耐熱性能好、熱膨脹系數(shù)小、高溫弧垂小、導(dǎo)電率高、線損低、載流量大、耐腐蝕性能好、不易覆冰等一系列優(yōu)點(diǎn)，綜合解決了架空輸電領(lǐng)域存在的各項(xiàng)技術(shù)瓶頸，代表了未來架空導(dǎo)線的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)，可廣泛用于老線路和電站母線增容改造、新線路建設(shè)，并可用于大跨越、大落差、重冰區(qū)、高污染等特殊氣候和地理場合的線路。應(yīng)用在新建線路中，可提高線路的單位輸送容量，確保電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)性，長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)性更好。應(yīng)用在大跨越線路中，可以大幅降低跨越塔的高度，從而有效減少桿塔和基礎(chǔ)的材料用量，達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。應(yīng)用在重覆冰區(qū)線路中，可以提高抗冰能力，提升線路的安全性。應(yīng)用在電網(wǎng)輸電線路的改造和增容擴(kuò)建項(xiàng)目中，能夠利用現(xiàn)有桿塔等設(shè)施，既成倍地大幅度提高傳輸容量，同時(shí)又可以節(jié)省通道資源，減少土地占用面積，節(jié)約投資，而且線路停電時(shí)間短、停電損失小。綜合來看，這是一種“環(huán)境友好型輸電線路用導(dǎo)線”，從保護(hù)環(huán)境、降低工程造價(jià)、節(jié)能減排方面來說，具有劃時(shí)代的現(xiàn)實(shí)意義。
一、碳纖維復(fù)合導(dǎo)線
碳纖維復(fù)合導(dǎo)線是（ACCC—AluminumConductorCompositeCore)最早由美國、日本等國家開發(fā)的一種新型導(dǎo)線，主要用于航天設(shè)備及空間站。它是一種高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合輸電導(dǎo)線，芯體和包裹在芯體外圍的環(huán)形導(dǎo)電層，芯體為碳纖維組成的導(dǎo)電芯體，還有以碳纖維為基組成的復(fù)合導(dǎo)電芯體，即由碳纖維與鋁或銅線絞合構(gòu)成。環(huán)形導(dǎo)電層由為銅、鋁、鋁合金線緊密包繞在芯體外圍構(gòu)成，還可在環(huán)形導(dǎo)電層外圍包覆絕緣層。
二、技術(shù)原理
(一)強(qiáng)度高
一般鋼絲的抗拉強(qiáng)度為1240Mpa，高強(qiáng)鋼絲為1410Mpa，而ACCC導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到2399Mpa，分別為前者1.93倍和1.7倍�？估瓘�(qiáng)度大，能夠使桿塔之間的跨距變大，從而降低工程成本。
(二)線膨脹系數(shù)小，弧垂小
復(fù)合材料芯線膨脹系數(shù)僅為鋼芯的1/8。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著溫度的上升，導(dǎo)線弧垂變化量僅為常規(guī)鋼芯鋁絞線的9.6%，高溫下弧垂增量不到鋼芯鋁絞線的1/10，減少架空線交跨距離。
(三)重量輕
復(fù)合材料芯比重為傳統(tǒng)鋼芯的1/4，ACCC導(dǎo)線單位長度重量約為常規(guī)鋼芯鋁絞線的60～80%，自重的減輕可使導(dǎo)線荷載減少約25%。重量輕和低弧垂的特性可以降低桿塔高度，減輕鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，節(jié)省線路綜合造價(jià)。
(四)導(dǎo)電率高，載流量大，運(yùn)行溫度高
ACCC導(dǎo)線的合成碳纖維芯是非鐵磁性材料，不存在磁損和渦流損耗。與鋼芯鋁絞線相比，在相同外徑時(shí)，復(fù)合芯鋁絞線允許纏繞超過28%截面積的鋁線。ACCC導(dǎo)線外層采用導(dǎo)電率不小于63%IACS的鋁線，鋁導(dǎo)體為耐高溫退火鋁，200℃下能有效運(yùn)行，常規(guī)鋼芯鋁絞線使用溫度極限達(dá)100℃。
由于鋁截面增大和提高導(dǎo)線工作溫度，導(dǎo)線的綜合載流量理論上可提高至2倍。
(五)耐腐蝕性能好
ACCC導(dǎo)線的復(fù)合芯由玻璃纖維絕緣材料制成，具有較高的耐腐蝕性能，與鋁線之間接觸也不存在電腐蝕問題，可以解決長期運(yùn)行中的腐蝕問題。
�。p少電磁輻射和電暈損失
ACCC導(dǎo)線的梯形截面形成的外表面遠(yuǎn)比ACS導(dǎo)線表面光滑有利于提高導(dǎo)線的電暈起始電壓，能夠減少電暈損失。
�。ㄆ撸┍阌趯�(dǎo)線展放和施工
ACC導(dǎo)線的放線安裝完全可按安裝常規(guī)ACSR的方法進(jìn)行，現(xiàn)有的桿塔等構(gòu)件不必改造。ACCC導(dǎo)線有較大的韌性，繞在內(nèi)筒徑符合標(biāo)準(zhǔn)彎曲半徑的線盤上，架線施工和安裝時(shí)不必?fù)?dān)心折斷復(fù)合芯。用于導(dǎo)線連接的線夾和接續(xù)管，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠以及現(xiàn)場施工方便等特點(diǎn)。ACCC導(dǎo)線的外層導(dǎo)電線路部分與常規(guī)的ACSR導(dǎo)線有相同直徑和螺旋狀結(jié)構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)安裝技術(shù)和設(shè)備，即可施工安裝。
施工工藝流程如圖
三、質(zhì)量控制措施
�。ㄒ唬┯捎谔祭w維復(fù)合芯導(dǎo)線外層鋁股為軟鋁，導(dǎo)線在張力放線全過程，應(yīng)注意保護(hù)碳纖維導(dǎo)線，避免接觸硬物，可以在地面上鋪彩條布或其他軟物，防止導(dǎo)線受損。
�。ǘ┨祭w維導(dǎo)線在同一處損傷、強(qiáng)度損失不超過總拉斷力的17%時(shí)，應(yīng)用專用預(yù)絞絲全張力補(bǔ)修條進(jìn)行補(bǔ)修，超過鋸斷接頭。
�。ㄈ榻鉀Q用普通導(dǎo)線的提線鉤容易造成碳纖維導(dǎo)線軟鋁層損傷，故在附件安裝時(shí)應(yīng)使用配套懸垂線夾代替提線鉤進(jìn)行附件安裝。
�。ㄋ模┨祭w維導(dǎo)線的碳纖維芯連接是采用裝配式連接方式，楔形線夾對(duì)碳纖維芯的握緊力
�。ㄎ澹┏鼍�安裝的操作臺(tái)應(yīng)使用不會(huì)刮傷導(dǎo)線的鋼管制作，導(dǎo)輪亦要用尼龍輪或其他軟制輪。
�。┣懈顚�(dǎo)線鋁股嚴(yán)禁傷及碳纖維，導(dǎo)線的連接部分不得有線股絞制不良、斷股、缺股等缺陷。
�。ㄆ撸⿺嗑�壓接應(yīng)嚴(yán)格按廠家提供的工藝要求進(jìn)行，壓接過程碳纖維芯必須保持干燥狀態(tài)，故雨天及大霧天氣不得進(jìn)行壓接作業(yè)。
（八）壓后對(duì)邊距不應(yīng)超過0.866*0.993*D+0.2(mm)標(biāo)準(zhǔn)，彎曲度不得大于2%；壓接時(shí)導(dǎo)線及壓接管等配件不得與地面直接接觸。
四、碳纖維擴(kuò)建增容的應(yīng)用實(shí)例
要求增容的輸電線路是常州地區(qū)常牛機(jī)械有限公司110kV線路工程。本工程將110kv運(yùn)奔線05#～29#老導(dǎo)線LGJ-185／25更換為相當(dāng)于LGJ-400／35導(dǎo)線通流容量的倍容量耐熱導(dǎo)線，僅局部更換桿塔。在此條件下，通過計(jì)算，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃，LGJ-400／35導(dǎo)線達(dá)到允許溫度70℃時(shí)，線路通流量為660A，該數(shù)據(jù)為線路要求增容的指標(biāo)。
倍容量導(dǎo)線選擇：為匹配原導(dǎo)線LGJ-185／25鋼芯鋁絞線并滿足輸送容量要求，經(jīng)計(jì)算，選用碳纖維-185型。具體比較參數(shù)如下表所示：
當(dāng)環(huán)境溫度為40℃，碳纖維-185型導(dǎo)線運(yùn)行達(dá)到120℃時(shí)，線路通流量可達(dá)到為692A。即選用該導(dǎo)線增容后使線路的載流量提高到692A＞660A，滿足要求。
該工程總計(jì)更換碳纖維-185型導(dǎo)線9.9噸�？⒐ず笠淹度脒\(yùn)行。運(yùn)行狀態(tài)良好。
結(jié)論：
碳纖維復(fù)合導(dǎo)線比相同規(guī)格的普通鋼芯鋁絞線的載流量高約一倍，在經(jīng)濟(jì)電流密度輸送下，導(dǎo)電率有顯助提高，可有效減少電力損耗，在輸變電線路中批量使用復(fù)合芯導(dǎo)線，節(jié)約電能相當(dāng)可觀。碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用到改擴(kuò)建電網(wǎng)線路施工中對(duì)節(jié)約電能、改善環(huán)境有著非常重要的意義。隨著碳纖維復(fù)合導(dǎo)線施工實(shí)踐的增多，施工工藝也不斷的改進(jìn)，未來碳纖維導(dǎo)線在電網(wǎng)中的使用必然會(huì)大范圍的推廣。
參考文獻(xiàn)：
【1】董國倫，龔堅(jiān)剛，余虹云，等，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線設(shè)計(jì)施工運(yùn)行與檢修[M].北京:中國電力出版社，2009年.
【2】JRLX/T(ACCC)碳纖維導(dǎo)線產(chǎn)品樣本，遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù)有限公司[z],2009.
【3】馬國棟，電線電纜載流量[M].北京:中國電力出版社，2003年.
朱愛鈞,尤志巍,張錦秀.碳纖維復(fù)合導(dǎo)線在上海電網(wǎng)應(yīng)用前景初探[J].華東電力,2007,35(10).
【4】魏晗興.碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線芯的制備及其特性研究[M].濟(jì)南:山東大學(xué),2010,7.
【5】尤傳永.架空輸電線路新型復(fù)合材料合成導(dǎo)線的開發(fā)研究[J].電力建設(shè),2004,25(11).
【6】熊織明,鈕永華,邵麗東.500kV江陰長江大橋大跨越工程施工關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(1).
【7】何州文,陳新,王秋玲,等.國內(nèi)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研究和應(yīng)用綜述[J].電力建設(shè),2010,31(4).
【8】楊小平,黃志彬,張志勇,等.實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào):綜述篇,2010,24(2).
