碳纤维复合芯导线在蒙西电网线路设计中的应用研究 47页

ｕ祈占：ｆ■ｉ：ａ叫．货：式－ｖ磯．‘ｖ户Ｘｉ．班：，；’．气．ｒ，．；－苗：＇．．兴Ｓｋ．＾．竿．争．．＇■．占．－－＇．．－：＊＇业ＩＩ论文蠻气定皆才＇＃作护＂，：．遍．ｔ．．．屯ｉ；．．，巧吉．接，＂‘讀；护：：．ｓ；Ｖ；＞．气‘Ｖ：：＂．．又．祥ｆ：：碳餘口職Ｉ蒙西扣网路计Ｖ．中娘麵究ｓｈｆＩ函細Ｉｃｗ扣ｄ＾＾＾：如ｉＩｒ诚ａ抑§Ｖ．－＂：．：：．．．ｖ．ｙ＇ｒ＼：＇‘．＇：茲：＇萬－帛＇Ｎ，、：ｔＶｖ兵许民．＼４起ＵＶ‘或｛．ｆ＼寶＇背接猶，＼葛Ａ＞苗节：冻：：．Ｉ月Ｖｃ蠢ｃ皆一又＇／＊；－雄．：Ｖ；挺片氏ｉ囊．１．＇駕．葬、Ｖ＾＆善伊＾藝￣＾４蕃哥？’叢 华北电力大学硕±学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕±学位论文《碳纤维复合芯导线在蒙西电网线路设计中的应用》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕±学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中Ｗ明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：曰期；＞０仪年月占曰６在Ｊ华北电力大学硕±学位论文使用授权书攻《碳許维复合芯导线在蒙西电网线路设计中的应用》系本人在华北电力大学读硕±学位期间在导师指导下完成的硕±学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得其它单位的名义发表。本人完全了解送华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部口交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授板华北电力大学，可Ｗ采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可公布论文的全部或部分内容。＂＂本学位论文属于（请在Ｗ上相应方框内打Ｖ）；保密□，年解密后适用本授权书‘＾不保密作者签名：夺爲Ｊ日期终《月（（日导师签名：曰期；年＾月＾曰 国内图书分类号：TM7学校代码：10079国际图书分类号：621.3密级：公开专业硕士学位论文碳纤维复合芯导线在蒙西电网线路设计中的应用研究硕士研究生：许利民导师：李慧奇刘刚企业导师：裴晓东高级工程师申请学位：工程硕士专业领域：电气工程培养方式：在职所在学院：电气与电子工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：华北电力大学 ClassifiedIndex:TM7U.D.C:621.3ThesisfortheMasterDegreeTheApplicationofAluminumConductorCompositeCoreInWestInnerMongoliaPowerGridCandidate：XuLiminSupervisor：LiHuiqi,LiuGangSchool：SchoolofElectricalandElectronicEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：NorthChinaElectricPowerUniversity 华北电力大学硕士学位论文摘要近年来，随着电网的不断发展，老旧线路已不能满足用户需求、线路改造难度大、新建线路可允许的路径走廊狭窄等问题已成为制约电网发展的一个重要因素。虽然蒙西电网区域地广人稀，线路走廊相对宽裕，但随着工农业发展以及畜牧业的大力发展，蒙西电网也遇到了上述问题。为了能够更好的提高线路输送能力，解决输送能力低、接待负荷增加快的问题，蒙西电网开始有计划的推广使用碳纤维复合芯导线。合理利用该导线强度高、重量轻、弹性模量高、线膨胀系数小，弛度小、线损小，载流量大、耐腐蚀等诸多特点。由于在以往的架空线路设计中，蒙西电网绝大部分都是以钢芯铝绞线作为线路导线，没有使用过碳纤维复合芯线作为导线，缺乏此种导线的设计经验，因此，展开碳纤维复合芯线作为导线的研究，对合理确定设计方案、积累设计经验是有重要意义的。文中首先介绍碳纤维复合芯线的发展，并概括特性。然后通过与钢芯铝绞线对比，分析该导线的物理、结构等特性，再经过设计方案经济参数对比，得出碳纤维复合芯导线的经济指标。结合特性分析，通过实例设计，总结在设计过程中碰到的确切问题以及解决方案。以此为基础，得出碳纤维复合芯导线设计中的指导结论，并通过特性分析以及经济分析得出碳纤维复合芯导线在蒙西电网中的应用范围以及注意事项。关键词：碳纤维复合芯导线，线路设计，特性分析，经济分析，实例设计I 华北电力大学硕士学位论文AbstractInrecentyears,manyfactorshavebeenrestrictingafurtherdevelopmentofthepowergrid.Forexample,theoldlinescannotmeetthedemandofusers,thenewlinescanonlyallownarrowlinecorridors,theoldlinesaredifficulttorebuild,etc.Withthedevelopmentofindustryandagricultureandthevigorousdevelopmentofanimalhusbandry,althoughWestInnerMongoliaPowerGridareaissparselypopulatedandthelinecorridorsarerelativelybounteous,WestInnerMongoliaPowerGridalsoencounterssimilarproblems.Inordertoimprovethetransportcapacity,forwhichweneedtosolvetheproblemoflowtransmissioncapacityandrapidincreaseofload,WestInnerMongoliaPowerGridbegantopromotetheuseofaluminumconductorcompositecore(ACCC).Thewirehasmassivefeatures,likehighstrength,lightweight,highelasticmodulus,smalllinearexpansioncoefficient,smallsag,smalllineloss,largecarryingcapacityandcorrosionresistance.Intheolderdesignofoverheadline,mostlinewiresaresteelcorealuminumstrand,whichleadstothelackoftheexperienceinACCCdesign.Therefore,theresearchofACCCisofgreatsignificanceintheconfirmationofreasonabledesignscheme,anddesignexperienceaccumulation.ThispaperfirstintroducesthedevelopmentandfeaturesofACCC.ThroughthecomparisonbetweenACCCandsteelcorealuminumstrandedwire,thereisanillustrationofphysicalandstructuralfeatures.ThentheeconomicindicatorsofACCCsurface,bycomparingtheeconomicparametersofthedesigns..CombinedwithCharacteristicanalysisandexampledesign,thepapersummarizestheexactproblemsencounteredintheprocessofdesignandthecorrespondingsolution.Onthatbasis,instructionalconclusionofACCCdesignisdrawn.What’smore,throughthecharacteristicanalysisandeconomicanalysis,theapplicationscopeofACCCinWestInnerMongoliaPowerGridaswellasthemattersneedingattentionaregiven.Keywords:aluminumconductorcompositecore,transmissionlinedesign,characteristicanalysis,economicanalysis,exampledesignII 华北电力大学硕士学位论文目录摘要.....................................................................................................................................IAbstract................................................................................................................................II目录.....................................................................................................................................1第1章绪论.......................................................................................................................31.1选题背景与研究意义...................................................................................................................31.2架空导线的发展现状...................................................................................................................31.3复合芯导线的国内外研究现状...................................................................................................41.4碳纤维复合芯导线概述...............................................................................................................61.5课题研究内容...............................................................................................................................8第2章ACCC导线的特性分析..........................................................................................92.1ACCC导线材质............................................................................................................................92.2ACCC导线机械性能..................................................................................................................102.3ACCC导线耐热性......................................................................................................................142.4ACCC导线的载流量..................................................................................................................152.5本章小结.....................................................................................................................................16第3章ACCC导线的经济分析........................................................................................183.1基本研究条件............................................................................................................................183.2备选导线方案............................................................................................................................183.3经济费用比较............................................................................................................................183.4导线方案经济分析和评价........................................................................................................213.5本章小结..................................................................................................................................24第4章ACCC导线在实际设计中的应用........................................................................254.1基本研究条件............................................................................................................................254.2导线方案.....................................................................................................................................264.3地线方案.....................................................................................................................................284.4导、地线安全系数的确定.........................................................................................................294.5塔头间隙.....................................................................................................................................314.6金具的选择.................................................................................................................................314.7施工放线.....................................................................................................................................324.8导线运行.....................................................................................................................................344.9本章小结.....................................................................................................................................351 华北电力大学硕士学位论文第五章总结与展望.............................................................................................................365.1结论.............................................................................................................................................365.2展望.............................................................................................................................................36参考文献..............................................................................................................................382 华北电力大学硕士学位论文第1章绪论1.1选题背景与研究意义近年来我国电力系统发展迅猛，截止到2014年底，全国发电装机容量为13.6亿千瓦，其中西部地区全社会用电量同比增长6.4%，用电增速仍持续领先于其他地区，用电量所占全国比重同比提高0.7个百分点，内蒙古用电量增速为10.8%。预计全国发电装机到2020年需要19.6亿千瓦左右，2030年需要30.2亿千瓦左右，2050年需要39.8亿千瓦左右。在全国电力系统快速发展的背景下，如何提高蒙西电网输送能力，成为了电网发展亟待解决的问题。在架空输电线路中，导线作为电能输送的主要载体是极为重要的一环。长久以来，架空线路主要采用钢芯铝绞线作为导线，随着电力系统的不断发展，老旧输电线路已经严重制约电网的输送能力，架空线路无法满足输送容量扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电事故频频发生，线路输送能力成为制约电力系统发展的“瓶颈”。目前提高线路输送能力有三种方法：1.架设新线路，使用大截面导线，提高输送能力，但是建设周期长，占用土地需获得审批，征地困难。2.提高导线运行温度，允许在高温度下运行。导线运行温度升高，可以有效的提高导线载流量，但同时也会提高线路损耗，加快线路老化，降低机械强度，导线弧垂增加，部分线路对地安全距离减小，给线路下的人员日常生活带来极大的影响。3.老旧线路改造，利用原杆塔，仅更换导线。在满足杆塔荷载、保证导线对地安全距离的情况下，使用传输能力更强的导线。现阶段蒙西电网为提高线路输送能力正是采用架设新线路与老旧线路改造两种方法，但是见效慢，提高输送能力有限。为了能够更好的提高线路输送能力，解决输送能力低、接待负荷增加快的问题，蒙西电网开始有计划的推广使用碳纤维复合芯导线。1.2架空导线的发展现状架空导线作为电网输送电力的主要载体，在输电线路中占有极为重要的地位。我国的架空输电线路以钢芯铝绞线（ACSR）为主，在国际上，这类导线的应用历史已超过了100年。1877年，美国托马斯发明了铜线冷拉工艺，使铜线抗拉强度和导电率大幅提高，可用于架空导线。1882年，德国采用铜架空线输3 华北电力大学硕士学位论文送直流电。1886年，美国采用架空线传输交流电。1895年，美国首次制成铝架空线；1908年采用钢芯铝绞线，1915年首次生产铜包钢线。钢芯铝绞线（aluminiumconductorsteelreinforced，ACSR）在架空输电线路中被广泛应用，它是由单层或多层铝股线和镀锌钢线绞合而成的。其结构形式是中间采用钢芯作为主要受力体，外面则是由铝线通过绞合方式缠绕在钢芯周围，作为送电体：在这个结构中，钢芯保证了绞线的抗拉强度，铝绞线则起输送电能的作用。钢芯铝绞线具有制作工艺成熟、架设和维护方便、结构简单、有足够的机械强度、运行经验多等特点，可以满足多种情况的需要，很好的应对大跨越以及恶劣环境，因此被广泛的应用在各个电压等级的架空输配电线路中。随着科技的发展，为了能够更好的提高架空线路的电能输送能力，节约电能，各国科技工作者都在研发新型架空输电线路用导线，以取代传统导线。例如铝包钢芯铝绞线，这种导线是为了提高导线的防腐性能而研发，该类型导线在铝钢间形成一层铝钢结合渗透层。普通钢芯铝绞线易遭到电化学腐蚀，钢芯的镀锌层与铝绞线形成电化学腐蚀，由于电位差，造成镀锌层被腐蚀，钢芯与铝绞线接触并再次形成电化学腐蚀，使得铝线又遭到腐蚀，最终导致铝线断股。对于铝包钢芯铝绞线而言，经过良好的冶金结合，使得铝钢之间不存在金属之间的电化学腐蚀，而绞线中各单丝之间均为铝接触，避免了电化学腐蚀，从而延长导线的使用寿命。还有采用铝镁硅合金作为导体与钢芯组合，可以大大的加强导线的机械性能，有利于架空线路在大跨越、重冰区的使用。使用铝锆系列耐热铝合金作为导体，可以提高导线传输的温度，输送容量达普通导线的数倍。20世纪90年代，科技工作者们开始尝试采用有机复合材料制作导线的芯棒，以替代钢芯。这类导线充分发挥了有机复合材料的特长，大大提高了导线性能，避免了使用钢芯所带来的问题，其中在碳纤维复合芯导线方面研发成果最为明显。1.3复合芯导线的国内外研究现状碳纤维复合芯导线的芯线(AluminumConductorCompositeCore，简称ACCC)由碳纤维和玻璃纤维构成，芯线内部和外部分别由碳纤维丝、玻璃纤维与热固型改性环氧树脂粘合而成，外层的铝线为梯形截面、Z型截面或普通圆截面。对于新建、改造的输电工程，使用ACCC导线对电力工程有着重大的现实意义。在利用其技术优势和特点的同时，探索其对以往输变电工程设计、施工、运行工作的影响，有利于ACCC导线推广使用，是电力行业一项重要的技术进步。1）国际复合材料芯电缆产业现状及发展趋势目前国际上在已取得一定成果的ACCC导线中，日本的碳纤维芯铝绞线和4 华北电力大学硕士学位论文美国的碳纤维和玻璃纤维混合芯铝绞线较为典型。其中日本制纲株式会社生产的碳纤维芯铝绞线产量就占到世界40%左右。日本在开发新型架空导线方面是较为领先的国家，有很多类型的架空导线。复合芯导线最早是作为改进型低弛度导线而提出的。在架空输电线路中，由于周边环境不断变化，时常发生架空导线与周边构筑物、道路之间安全距离不够的情况，为了保证线路安全运行，避免发生电力事故，通常需要对架空线路进行改造，可以迁移线路，也可以改造线路的杆塔，增加导线对地距离。但是随着社会经济的不断发展，线路用地难度不断加大，迁移线路或改造线路杆塔的改造方案实施起来较为困难，在这种情况下，更换线路导线成为了更好的解决方案。早在20世纪70年代，为了增加输送容量，同时解决老旧线路对地距离不够的问题，设计人员采用殷钢铝绞线替代原导线进行线路改造，此类型导线是利用殷钢的线膨胀系数比普通钢小的特点，使用殷钢芯代替普通钢芯，从而降低导线的弛度，减小导线弧垂。该导线结构与常规的钢芯铝绞线相同，这样不仅原线路的绝缘子和金具可以使用，施工工具也可以照旧使用。在原杆塔结构不调整的情况下，满足杆塔受力要求，仅更换为殷钢铝绞线即可。20世纪90年代，日本学者研究用碳纤维复合材料芯代替钢芯，开发出了ACCC铝绞线。ACCC导线是一种全新概念的架空输电线路用导线，用碳纤维复合芯替代传统的钢芯铝绞线中的钢芯制成，是复合材料在输电导线中的创新性应用。现阶段国际上复合材料芯导线技术使用最为成熟的国家是美国和日本。美国最早开始推广碳纤维复合芯导线架空输电线路，近年来欧洲各国、印度、巴西也开始推广使用碳纤维导线。2）国内复合材料芯导线现状及发展趋势由于特纤维复合材料具有耐高温、高强度、重量轻等特点，不仅可以应用于架空输电线路，在其他行业均也有很多应用，在军事用途上也应用广泛，因此，美、日等技术先进的国家长期对我国实行技术封锁和产品禁运，致使我国高性能碳纤维需依赖进口，且价格昂贵。从2005年开始，国内多家单位就开始了ACCC导线的研究工作。2006年，国家电网公司就将ACCC导线技术列入重点推广技术目录。在“十一五”期间，我国就已经将高性能碳纤维复合芯导线列为重点导体之一进行研发。从长远来看，碳纤维技术充分国产化后，可以极大的缩小复合芯导线与常规导线的价格，使这种高性能导线普通化、常规化，可以在架空输电线路中大面积使用，不但可以提高线路安全运行水平，还可以有效提高线路的输送能力，降低线路占地面积，有效减少钢材使用。完全国内自主研发的碳纤维复合芯导线成功试制后，就迅速进入推广应用阶段，2006年7月，龙岩供电局把220kV曹园线导线更换为碳纤维复合芯导线，5 华北电力大学硕士学位论文改造长度5.2km，是我国第一条采用碳纤维复合芯导线的220kV输电线路。2009年在500kV万顺三线也使用了碳纤维复合芯铝合金绞线，这是我国第一条采用碳纤维复合芯导线的500kV输电线路，ACCC导线施工完成后，华北电科院及北京超高压人员对试运行的碳纤维导线进行了一系列测试和巡视，目前，该500kV线路连续运行近六年，运行状况良好。磁场强度噪音无线电干扰，铁塔倾斜及扭转等参数测量结果均满足相关标准规定要求。碳纤维复合芯导线在内蒙古地区的首次应用是在2008年，包头第一热电厂接入系统220kV送电线路工程中使用了2×ACCC-431型碳纤维复合芯导线。2014年锡林郭勒盟二连东城区双回110kV送电线路开始施工，预计年底入网运行，成为内蒙古西部电网东部地区第一条使用碳纤维复合芯导线的110kV双回线路，该线路也是本文的设计实例。截至2014年，在我国大部分省份都有ACCC导线在建和计划使用的项目，导线合计长度超过3000km。根据已建成线路运行后统计数据显示，暂无导线过热、松股、断线等事故发生。目前商业化运行最多的是远东电缆有限公司以及中复碳芯电缆科技有限公司。远东电缆有限公司采用美国CTC公司的生产技术，由美国CTC公司生产复合芯棒，远东公司则负责将复合芯棒与软铝型线进行绞合，从而形成ACCC类型导线。芯棒作为导线的核心部分却由外国公司制作，造成了该类型导线的价格远高于传统导线，这也成为了复合芯导线在国内难以大规模推广的原因。中复碳芯缆科技有限公司是由连云港中复连众复合材料集团有限公司、哈尔滨玻璃钢研究院、华隆投资集团公司、上海唐胜投资公司、辽宁省电力有限公司共同出资建设的复合材料导线芯及导线专业制造公司，凭借着中复连众集团丰富的复合材制品制造和设计经验以及哈尔滨玻璃钢研究院同辽宁省电力有限公司先进的生产技术，将ACCC导线完全本土化，填补了国内空白。1.4碳纤维复合芯导线概述ACCC导线的核心是高性能碳纤维材料，使用碳纤维材料替代钢芯铝绞线的钢芯，其结构与钢芯铝绞线也比较相似。如图1.1所示。6 华北电力大学硕士学位论文图1.1ACCC导线与传统导线的结构对比图1.4.1ACCC导线的特点1.强度高。碳纤维复合芯棒的抗拉强度可达到2600Mpa，而普通导线用钢丝的抗拉强度仅为1240Mpa，高强钢丝也不过1410Mpa。2.重量轻。碳纤维复合芯材料的比重约为钢的1/5，在相同的外径下,碳纤维复合芯导线的重量比常规钢芯铝绞线轻10～20％。3.弹性模量高，线膨胀系数小，弛度小，与钢芯铝绞线相比，弧垂相同的情况下，ACCC导线可以有效的降低杆塔高度。4.线损小，载流量大，使用小截面的ACCC导线就可以达到大截面钢芯铝绞线所达到的电能输送能力。5.耐腐蚀，使用寿命长。此外碳纤维导线还有抗冰雪能力强、节约土地等诸多特点。1.3.2碳纤维导线的生产碳纤维复合芯导线的生产过程主要包括以下三部分：①碳纤维原丝及碳纤维丝的制备，如图1.2。图1.2碳纤维原丝（左）及碳纤维丝（右）的制备②碳纤维复合芯的生产，如图1.3。7 华北电力大学硕士学位论文图1.3碳纤维复合芯的生产图③碳纤维复合芯铝绞线的生产，如图1.4。图1.4碳纤维复合芯铝绞线的生产图1.5课题研究内容本论文主要对ACCC导线在蒙西电网线路设计的应用进行研究，探讨ACCC导线适用的范围及在设计中所遇到的问题。由锡林郭勒盟二连浩特市二连东城区110kV输变电工程为实例，对ACCC导线在线路设计中的应用进行分析研究。对钢芯铝绞线与ACCC导线两种导线，通过线路设计软件进行计算、分析，对结果进行比对，得到两种导线的优缺点。最后并进一步分析结果提出ACCC导线在蒙西电网线路设计中的应用建议。本课题结合ACCC导线在线路设计中遇到的各种实际问题，主要完成的研究任务包括以下几个方面：1）收集ACCC导线技术参数，分析ACCC导线特点。与传统导线对比，研究ACCC导线的技术优势。2）通过模拟分析，研究ACCC导线的经济特性，通过ACCC的物理、电气特性与经济特性从而概括出ACCC导线在蒙西电网区域的应用范围和使用条件。3）结合新建输电线路工程，研究ACCC导线与蒙西电网通用设计及使用材料之间的电气配合、结构配合，最小化降低改造范围，提出行之有效的改造方案。8 华北电力大学硕士学位论文第2章ACCC导线的特性分析2.1ACCC导线材质2.1.1碳纤维复合芯ACCC导线的核心是高性能碳纤维材料，是含碳量在90%以上的、高强度的聚丙烯腈基碳纤维，是目前能够在2000℃以上机械强度不降低的唯一材料。目前我国T700[10]及以上高性能碳纤维基本依赖进口，发达国家垄断高性能碳纤维及碳纤维导线核心技术，造成ACCC导线的价格居高不下，严重制约国内碳纤维导线的推广使用。2.1.2铝股2.1.2.1软铝股ACCC导线可以采用软铝股，而常规导线通常采用硬铝股或合金铝股，主要原因是ACCC导线的芯棒能够承受导线的全部张力。该特性使得复合芯导线的铝股可以选用导电性能优良而机械性能偏差一些的软铝股。软铝导电率高于硬铝和铝合金，在相同运行温度下，使用软铝股的ACCC导线较使用硬铝、铝合金的ACCC导线线损更低。但由于软铝股机械性能低于常规铝股，如：软铝股抗张强度60-90MPa，仅为硬铝强度的50%上下，导致导线在施工、导线检修及雷击导线等过程中易导致软铝股的变形、损伤、断股，增大了施工及运检单位的工作难度。2.1.2.2铝合金股ACCC导线的另一种重要的铝股型式就是铝合金股，这是一种电能损耗与机械强度都兼顾的铝股型式。在架空线路工程中，安全是最重要的前提，国外的ACCC导线普遍采用机械性能偏低的软铝股，这不是一个最佳的选择，如果低线损与高机械性能二者不能同时兼顾，则优先考虑安全性。此外，经征求从事线损专业人员的意见，认为使用软铝股（63%IACS）替代硬铝股（61-62%IACS），损耗降低约5%并不是一个可观的数据；而且ACCC导线一旦运行于150℃或者更高的温度下，则因温升导致的损耗增加远不是软铝节约的损耗所能抵消的。由于ACCC导线的最高运行温度可以达到180℃，所以可以选用耐热铝合金作为铝股，形成碳纤维复合芯铝合金绞线系列产品，在确保铝股机械强度较高的同时保证高温运行时铝股机械强度不下降。碳纤维复合芯铝合金导线在多条架空输电线路中得到应用，虽然电能损耗没有软铝股导线突出，但是在该型导线在施工及运检中具有很多优势，能够避免软铝股导线易变形、损伤、断股等问题，降低了施工、运行维护的难度。2.1.2.3硬铝股钢芯铝绞线所用的铝股为硬铝股，属于未退火铝股，而软铝股则属于完全退火铝股。硬铝股在高温运行的状态下，相当于一定程度的退火，其机械强度会有所下降，9 华北电力大学硕士学位论文而导电率则会有所上升。如果硬铝长期在90℃以上高温运行，其机械强度会逐渐降低，减少使用寿命，因此，如果硬铝长期运行温度不大于90℃，则铝股机械强度不会有明显下降。在线路设计中导线运行温度一般不超过70℃，即使是有增容需求的导线的最高运行温度也不超过90℃[9]。所以如果ACCC导线架空线路设计导线最高运行温度为90℃以下，则可以选用硬铝股作为ACCC导线的铝股，形成碳纤维复合芯硬铝绞线，以实现铝股机械强度和导线输电损耗的兼顾，并可确保长期运行铝股机械强度不下降。2.2ACCC导线机械性能现阶段ACCC导线技术参数，如表2.1所示。表2.1碳纤维复合芯导线技术规格及参数表绞合铝导线标称直计算截面积线膨胀系数弹性模量计算线径mm2直流电（×10-61/℃）（GPa）标称计算额定碳纤阻20℃迁移迁移迁移迁移截面铝线面重量拉断层根导线芯线维面总面积时点温点温点温点温mm2积kg/km力数数mmmm积mm2Ω/km度以度以度以度以mm2kNmm2下上下上120/251715.746.5033.16122.48155.6386800.238512.61.972.4125150/2022416.605.5023.75145.68169.43433620.201013.71.971.2125150/2522617.206.5033.16148.86182.02457820.199912.81.972.4125150/3523017.57.5044.16147.26191.414711060.199511.31.973.7125185/2522419.106.5033.16187.04220.2560850.156814.71.971.3125185/3022618.887.038.46181.34219.8554960.162012.81.972.4125185/4523019.68.5056.71184.73241.445931360.159011.41.973.7125210/3522620.387.5044.16211.73255.896451100.138612.81.972.4125210/5023020.89.0063.58209.24272.826711500.140411.61.973.7125240/3522521.77.5044.16242.92877291120.120914.11.971.7125240/5523022.49.5070.85241.27312.127691610.121811.31.973.7125300/2534823.66.5033.16306.21339.37883930.096014.91.968.7125300/5022624.29.0063.58299.54363.129151500.098012.81.972.4125400/5035427.49.0063.58399.73463.3111851650.073613.71.971.3125由表2.1可知，ACCC导线具有重量轻、高强度、高弹性模量、低线胀系数等特点。2.2.1重量轻由于碳纤维复合芯材料的比重约为钢的1/5.在相同的外径下,碳纤维复合芯导线的重量比常规钢芯铝绞线（ACSR）轻10～20％。10 华北电力大学硕士学位论文表2.1相同截面的ACCC导线与ACSR导线的计算重量导线截面ACCC导线(kg/km)ACSR导线(kg/km)95/20296408.2120/20352466.1120/25386525.7185/25560704.9240/35(30)729920.7300/50(40)9151131400/5011851509上表充分显示了ACCC导线较传统导线重量轻的特点，计算表明，减轻导线自重可使导线载荷减少约25%，同时承载能力也可增加约20%，导线重量减轻以及弛度小的特点可降低使用铁塔高度，减小基础根开面积，从而减少用地面积，节省线路综合造价[14]。2.2.2高强度一般钢丝的抗拉强度为1240Mpa，高强钢丝为1410Mpa，而碳纤维复合芯导线芯棒，其抗拉强度可达到2600Mpa，分别为前两者的2.1倍和1.85倍，更适合大跨越。表2.2相同截面的ACCC导线与ACSR导线的抗拉强度导线截面ACCC导线(kN)ACSR导线(kN)95/205837.24120/206042.26120/258047.96185/258559.23240/35(30)11275.19300/50(40)15092.36400/50165122.952.2.3弛度小ACCC导线与ACSR导线相比，具有显著的低弛度特性，特别是在高度运行下，弧垂变化很小，这一特性可以有效减小杆塔高度，加大杆塔档距。11 华北电力大学硕士学位论文图2.2ACCC导线弧垂-温升曲线图2.3ACCC导线张力-温升曲线由图2.2、2.3[19]可以看出，ACCC导线弧垂、张力在0℃-90℃基本承线性变化，在90℃以后变化急剧减小，这也是ACCC导线的特点，存在温度拐点，拐点前后线膨胀系数与弹性模量均不相同。12 华北电力大学硕士学位论文表2.3相同截面的ACCC导线与ACSR导线的线膨胀系数（×10-61/℃）导线截面ACCC导线迁移点温度以下/迁移点温度以下ACSR导线95/2012.6/1.918.5120/2013.4/1.918.9120/2512.6/1.918.5185/2514.7/1.919.6240/35(30)14.1/1.919.6300/50(40)12.8/1.919.6400/5013.7/1.919.3表2.4相同截面的ACCC导线与ACSR导线的弹性模量（GPa）导线截面ACCC导线迁移点温度以下/迁移点温度以下ACSR导线95/2072.4/12576120/2071.8/12576120/2572.4/12576185/2571.3/12573240/35(30)71.7/12573300/50(40)72.4/12573400/5071.3/125692.2.4耐腐蚀，使用寿命长。ACCC导线的芯棒采用“耐高温改性树脂基与高性能碳纤维复合材料”，其耐腐蚀性能稳定。通过盐雾腐蚀试验[19]（在35℃下，使用5%NaCl溶液喷雾，每日间断喷雾8小时，保温16小时，试验周期共240h），其耐腐蚀性能如下表2.5。表2.5腐蚀率盐雾前盐雾后序号直径mm长度mm变化量g腐蚀率g/m²·h重量g重量g17.5030221.987421.97470.01270.00440727.5030222.026422.01610.01030.00357437.5030221.882621.87120.01140.00395647.5030321.990321.97980.01050.00363257.5030121.846221.83530.01090.00379567.5030121.887121.87380.01330.004631平均值/////0.00399913 华北电力大学硕士学位论文通过荧光紫外老化试验[19]（紫外波长340nm，强度0.76W/m²，每循环辐照暴露时间为4小时，整个试验周期共1008小时），其复合材料芯棒表面未发黏，无纤维裸露、裂纹和龟裂现象，其结果见下图2.4。图2.4荧光紫外老化试验样本前后对比（左侧为老化前试样，右边为老化后试样）2.3ACCC导线耐热性ACCC导线可以在超过100℃的高温下有效运行，而常规的钢芯铝绞线使用温度规程规定最大90~100℃。以ACCC-240导线为例，其结构为铝线25根，复合芯线1/7.5（根数/直径），外径为21.72mm，计算拉断力100kN。对整根ACCC导线进行高温拉力试验[19]，其结果如下表2.6。表2.6ACCC导线高温下拉力试验试验结果（kN）加热条件1#2#3#平均值160℃×3h108.3108.1107.6108.0上表结果表明，在160℃高温下，ACCC导线能够保持不小于计算拉断力的拉力，并满足不小于85kN（100×85%）的要求。另外对碳纤维复合芯进行了耐热性能检验，经热老化试验[19]，在120℃的高温下，经过401h的加热，碳纤维复合芯抗拉强度仍满足不小于2280MPa（2400MPa×95%）的要求，复合芯的耐热性能如下表2.7。14 华北电力大学硕士学位论文表2.7碳纤维复合芯热老化试验值表试验编号1#2#3#平均值直径mm7.507.507.507.50拉断力kN104.5105.1105.9105.2抗拉强度MPa2364237823962379可见，碳纤维复合芯经过长时间的高温加热，恢复正常温度后，芯仍能保持不小于90%计算拉断力的拉力。2.4ACCC导线的载流量碳纤维导线可以连续高温（150℃）条件下运行，故其载流量可达到常规导线的两倍左右，以ACCC-240导线为例，对其进行载流量试验。无风、无日照和自然对流条件下的实验室测试数据[19]见下表2.8。表2.8载流量试验数据导线温度℃环境温度℃载流量A60.822.332780.322.3470100.522.2569120.621.5636140.221.5695160.221.6773再计算ACCC导线在不同环境下的载流量的理论计算（两种计算参数）。第一种计算参数（国内常用计算参数）：风速为0.5m/s，日照强度按1000W/m²选取，导体表面吸收系数与辐射系数均取0.9，环境温度按考20℃-45℃考虑，导体的工作温度为70℃-160℃。根据上述条件载流量计算数据列于表2.9。15 华北电力大学硕士学位论文表2.9载流量列表导体温环境温度℃直流电阻交流电阻交直流电阻度℃202530354045Ω/kmΩ/km比706435995525004423760.143160.145451.016807116736335915454940.148710.150951.015907727387036666275850.153670.155821.0141008267967647326976610.158620.160681.0131108758478197897597260.163570.165531.0121209198948688418137840.168520.170541.0121309609379138888638370.173470.175381.0111409999789559339098850.178420.180201.010150103610169959739529290.183370.185201.01016010711052103210129929710.188320.190021.009第二种计算参数(IEC61597-1995推荐的计算参数)：风速为1.0m/s，日照强度按900W/m²选取，导体表面吸收系数取0.5，,辐射系数均取0.6，环境温度按考20℃-45℃考虑，导体的工作温度为70℃-160℃。根据上述条件载流量计算数据列于表2.10。表2.10载流量列表导体温环境温度℃直流电阻交流电阻交直流电阻比度℃202530354045Ω/kmΩ/km707817356876355785170.143160.145451.016808458057627186706200.148710.150951.015909028658287887477030.153670.155821.0141009529198848498127730.158620.160681.0131109979669359028688340.163570.165531.012120103710099799499188870.168520.170541.0121301074104810209929649340.173470.175381.011140110910831058103210059780.178420.180201.0101501140111610921068104310170.183370.185201.0101601170114711241101107810540.188320.190021.0092.5本章小结本章通过收集ACCC导线技术资料，对其性能参数分析，认为ACCC导线性能优异，可以替代原有的钢芯铝绞线及其衍生产品。在实地勘察了ACCC导线的生产工艺以及各种技术，对ACCC导线进行了相关实验后，与钢芯铝绞线进行了技术比较分16 华北电力大学硕士学位论文析，也证明了ACCC导线的优良性能，ACCC导线可以很好的适应新建架空线路以及老旧线路改造工程。17 华北电力大学硕士学位论文第3章ACCC导线的经济分析3.1基本研究条件本节拟议新建220kV架空输电线路为模型，对ACCC导线和钢芯铝绞线进行比选，其基本设计条件如下：线路长度为27km，海拔高度不大于1000m，设计基本风速为27m/s，导线覆冰厚度5mm，线路采用单回路架设，系统额定电压为220kV，系统输送功率100MW，其极限输送功率600MW，功率因数按0.95取值，最大负荷利用小时数4000小时。3.2备选导线方案根据系统资料，正常运行输送功率100MW，极限输送功率600MW，结合设计经验，常规导线方案选用2×JL/G1A-400/35；在满足输送容量的条件下，可选择以下3种碳纤维复合芯导线ACCC-185/25、ACCC-210/35和ACCC-240/35进行比选工作。3.3经济费用比较相在相同设计条件下，由于备选导线的机械特性以及电气特性均存在差异，除导线线材费用外，线路杆塔的钢材等级、数量、绝缘子数量、使用的金具型号也存在差异，其中ACCC导线配套使用的金具不同于标准金具，制作复杂，工艺要求更高，所以费用相对较高，因此，各备选导线方案线路工程的静态投资也不尽相同。3.3.1导线费用比较根据目前导线市场价格，各导线方案的线材费用见表3.1表3.1导线的线材费用2×JL/G1A-2×ACCC-2×ACCC-2×ACCC-导线方案400/3585/25210/35240/35导线自重(t/km)1.3490.570.6560.742子导线单价(元/m)22.933868890单公里线路导线费用(万元)13.7651.6052.8054.00全线导线费用(万元)371.51393.21425.61458.0单公里线路线材差价(万元)——37.8439.0440.24全线线材差价(万元)——1021.681054.081086.48注：1.碳纤维导线价格参照厂家报价单。2.钢芯铝绞线的价格按照17000元/吨参与计算比较。3.3.2杆塔耗钢量比较铁塔耗钢量主要铁塔尺寸、结构布置，铁塔所承受的荷载有关，铁塔荷载又分为导地线的荷载，和塔身荷载。通过对4种不同导线结构综合分析，耐热导线的导地线18 华北电力大学硕士学位论文间距比普通塔大，同时由于耐热导线轻摇摆角也较普通导线大，耐热导线与地线间的间距也非常大，因而导致塔头尺寸比普通塔的大，但导线的外径和重量要比普通导线较小[2,5]。电算结果表明，使用2×ACCC-185/25、2×ACCC-210/35、2×ACCC-240/25导线较使用普通的2×LGJ-400/35导线的直线塔耗钢量分别减少了5%、3%和2%。耐张塔耗钢量主要与导线张力、水平荷载有关，垂直荷载对塔重的影响不大。ACCC/LH-185/25碳纤维导线的拉断力较2×LGJ400/35导线小，而ACCC/LH-210/35、ACCC/LH-240/35的拉断力较2×LGJ400/35的拉断力较大，计算比较结果为：使用2×ACCC-185/25、2×ACCC-210/35、2×ACCC-240/25碳纤维导线较使用普通的2×LGJ-400/35导线的铁塔，耐张塔的耗钢量分别为减少4%、基本持平和增加3%。故直线塔总体有所减少而耐张塔则根据导线拉断力的差异各有增减[2,5]。综合各导线弧垂特性影响，本节提出“相同呼称高度，减少杆塔数量”和“相同杆塔数量，降低呼称高度”两个杆塔方案进行分析，两铁塔方案的杆塔耗钢量比较表见表3.2和表3.3。表3.2同呼高减塔量情况下的杆塔耗钢量2×JL/G1A-2×ACCC-2×ACCC-2×ACCC-导线结构400/35185/25210/35240/35单公里耗钢量(t/km)26.422.422.823.4表3.3同塔量低呼高情况下的杆塔耗钢量2×JL/G1A-2×ACCC-2×ACCC-2×ACCC-导线结构400/35185/25210/35240/35单公里耗钢量(t/km)26.423.724.327.13.3.3基础耗材比较碳纤维导线2×ACCC-185/25、2×ACCC-210/35、2×ACCC-240/25较普通导线的2×JL/G1A-400/35的直线塔的基础作用力有所减小，幅度分别为4%、2%和1%，耐张（转角）塔基础作用力较普通导线有所增减，分别为减少了5%、增加8%和增加10%。基于两杆塔方案的基础耗材量比较表见表3.4和表3.5：表3.4同呼高减塔量情况下的基础混凝土量2×JL/G1A-2×ACCC/LH-2×ACCC/LH-2×ACCC/LH-导线结构400/35185/25210/35240/35单公里混凝土量98.579.991.495.5(m3/km)单公里钢筋量(t/km)2.7902.5472.6132.66719 华北电力大学硕士学位论文表3.5同塔量低呼高情况下的基础混凝土量2×JL/G1A-2×ACCC/LH-2×ACCC/LH-2×ACCC/LH-导线结构400/35185/25210/35240/35单公里混凝土量98.585.198.5101.63(m/km)单公里钢筋量(t/km)2.7902.6952.8682.8893.3.4备选导线方案经济性比较各导线方案的经济性比较见表3.6和3.7。表3.6导线方案的经济性比较表（相同呼称高度，减少杆塔数量）2×JL/G1A-2×ACCC-2×ACCC-2×ACCC-导线方案400/35185/25210/35240/3520℃直流电阻（Ω/km）0.073890.15680.13860.1209每根导线额定电流I=131.216A的交流电阻（Ω/km）0.0754470.1597530.1410300.122943(即按线路实际正常输送容量为100MVA)单位长度电阻损耗（kW/km）7.79416.50314.56912.701年损耗小时数（小时）2200220022002200单位长度年损耗费用当地实际1.7153.6313.2052.794(万元/km)上网电价年损耗费（0.3109用差值元/kW·h）0(基准)1.9161.4911.079（万元/km）静态投资（万元/km）91.296106.481114.741121.704投资差额（万元/km）0(基准)15.18523.44430.407增量投资回收期限（年）0(基准)不能回收不能回收不能回收1.按照当地实际上网电价进行年损耗费用计算。2.增量投资回收期限计算中考虑资金的时间价值（即利息），需折算至基准年。20 华北电力大学硕士学位论文表3.7导线方案的经济性比较表（相同杆塔数量，降低呼称高度）导线方案2×JL/G1A-400/352×ACCC-185/252×ACCC-210/352×ACCC-240/3520℃直流电阻（Ω/km）0.073890.15680.13860.1209每根导线额定电流I=131.216A的交流电阻（Ω/km）0.0754470.1597530.1410300.122943(即按线路实际正常输送容量为100MVA)单位长度电阻损耗7.79416.50314.56912.701（kW/km）年损耗小时数（小时）2200220022002200单位长度年损耗费用当地实际1.7153.6313.2052.794(万元/km)上网电价年损耗费（0.3109用差值元/kW·h）0(基准)1.9161.4911.079（万元/km）静态投资（万元/km）91.296110.185119.815125.778投资差额（万元/km）0(基准)18.88928.51934.481增量投资回收期限（年）0(基准)不能回收不能回收不能回收3.3.5经济费用比较综合以上各导线方案的线材费用、铁塔基础耗材量和经济性比较，可得出如下结论：1）在线材费用方面，各导线方案分别为13.76万元/km（JL/G1A-400/35）、51.6万元/km（ACCC-185/25）、52.8万元/km（ACCC-210/35）和54万元/km（ACCC-240/35），按全线27km计，ACCC导线线材较普通导线（JL/G1A-400/35）分别增加了1021.68万元、1054.08万元和1086.48万元。2)若采用ACCC导线，则采用呼高相同，减少塔用量的技术方案较为合理，其铁塔和基础工程单公里指标均由于钢芯铝绞线方案，其中铁塔耗钢量可节省3~4吨，基础钢筋可节省0.12~0.24吨，基础混凝土可分别节省3m3（ACCC-240/35）、7.1m3（ACCC-210/35）和18.6m3（ACCC-185/25）。3）钢芯铝绞线（JL/G1A-400/35）方案单位静态投资91.29万元，各ACCC导线方案的静态费用较普通导线分别高出了18.8万元（ACCC-185/25）、28.5万元（ACCC-210/35）和34.8万元（ACCC-240/35）。3.4导线方案经济分析和评价3.4.1年费用算法及边界条件考虑工程的远景规划，随着输送功率的增加，导线的电阻损耗随之增加。我们对双分裂采用不同的导线型号在不同输送容量下，进行了进一步的经济敏感性分析。21 华北电力大学硕士学位论文年费用法能反映工程投资的合理性、经济性。年费用包含初次年费用、年运行维护费用、电能损耗费用及资金的利息，按照各比选方案费用的时间价值折算到某基准年的总费用平均分布到项目运行期的各年，年费用低的方案在经济上最优。按电力工业部(82)电计字第44号文《颁发“电力工程经济分析暂行条例”的通知》第十五条经济计算-年费行最小法的计算方法，线路工程简化计算公式为：折算到工程投运年的总投资：根据本工程的实际情况，进行最小年费用计算的假定边界条件如下：①经济使用年限为30年，施工期按2年计，前一年投资为60％，后一年投资为40%②年最大损耗小时数按2200小时计③设备运行维护费率为2.0％④电力工程回收率按工程投资的8％计⑤上网电价按0.3109元/度计22 华北电力大学硕士学位论文不同输送功率下的年费用分别见表3.8。表3.8不同输送功率的年费用2×JL/G1A-2×ACCC/LH-2×ACCC/LH-2×ACCC/LH-相分裂导线型号400/35185/25210/35240/35静态投资91.296106.481114.741121.704维修费用(万元/km)1.281.491.611.7当地上网电价(元0.3109/kW·h)100MW10.9913.3214.1414.81200MW12.6316.8817.2617.51不同输送容量的300MW15.4523.3022.8322.30年费用(万元400MW19.5833.3031.3929.55/km)500MW25.2048.0543.7639.84600MW32.5569.1361.1354.01图3.1常规导线与ACCC导线的经济比选评价图3.4.2经济分析和评价综合不同输送功率的年费用数据可以看出，由于钢芯铝绞线JL/G1A-400/35导线静态投资低，且其电阻损耗小具有良好的节能效果，故其年费用最低；相对而言，碳23 华北电力大学硕士学位论文纤维导线静态费用稍高，且随着输送容量的增大，其电能损耗明显，导致其年费用增幅较大；在三种备选碳纤维导线中，损耗相对较低的2×ACCC-240/35的年费用相对较优。3.5本章小结本章通过ACCC导线与钢芯铝绞线的经济性比较，认为钢芯铝绞线性价比较高。现阶段，由于碳纤维符合芯棒仍不能普及生产，高强度芯棒依赖进口，虽然使用ACCC导线可以在杆塔结构、基础及占地面积上节省投资，但ACCC导线的价格高于钢芯铝绞线数倍，其配套金具高于普通金具数十倍，使得ACCC导线工程投资仍高于钢芯铝绞线导线工程，所以在一般新建线路中不宜使用ACCC导线，如有特殊要求可使用ACCC导线。24 华北电力大学硕士学位论文第4章ACCC导线在实际设计中的应用4.1基本研究条件本节以新建二连浩特玉龙-东城区110kV送电线路为模型，采用ACCC导线进行线路设计工作，基本设计条件如下：线路长度：25km沿线海拔高度：不大于1000m主要气象要素：基本风速30m/s，导线覆冰厚度5mm；线路回路数：双回系统额定电压：110kV线路全线地形较为平坦，无特殊地形。蒙西电网通用铁塔，如图4.1。图4.1蒙西电网通用铁塔（左为双回路鼓型直线塔，右为双回路伞型耐张塔）25 华北电力大学硕士学位论文本次二连东城区110kV线路设计就是基于图4.1所示的蒙西电网通用设计塔型进行设计的。4.2导线方案根据系统资料，结合线路评审意见，本次设计选用ACCC导线。本工程拟建的110kV线路将作为二连东城区110kV变的主供电源线路，本次将一次建成同塔双回的线路，为了满足在N-1的情况下，一回线路仍可以满足东城区110kV变满负荷运行。根据东城区110kV变的主变容量可以确定，如果在没有其他穿越负荷的情况下，其最大负荷为126MW，单回接带负荷时其载流量为661A。表4.1碳纤维复合芯铝绞线载流量规格60℃80℃100℃120℃140℃160℃180℃95/20139264338397445490527120/20153291374438492542583120/25162309396464521574617150/20186338432504564615661150/25190345442515576629676150/35188342437509570622668185/25239434555647724790849185/30232421538627702766823185/45236429548639715780839210/35260489631740830909980210/50257483624731820898968240/352825366878059039951070240/552805326828008989891064300/25321613795931104211521237300/50314600778911101911271210400/503687309501119126213831482500/4540781910671259141715631693500/5042784911031295145615961723630/45449946123514601648181619672（计算条件：环境温度40℃、风速0.5m/s、辐射系数0.9、吸收系数0.9、日照强度1000W/m）通过上表可知，150mm²截面积以上的碳纤维导线均可满足661A的电流要求。根据以往使用钢芯铝绞线的经验，185mm²、240mm²、300mm²是较为常见的几种类型，与之配套使用的附件金具也较为常见。在与碳纤维导线厂家技术人员交流讨论后，我们确定使用240mm²截面积的碳纤维导线。此导线有以下几个优势：1.在100℃时即可满足N-1情况下的电流要求，较185mm²截面的导线其温度低，可以保证满负荷情况下，其线损率仍能保持在一个较好的情况。且其180℃电流可以达到1000A左右。可以保证在东城区110kV变有其他穿越负荷时，仍能提供良好的输电能力。26 华北电力大学硕士学位论文2．240mm²截面积的碳纤维导线较300mm²截面积的碳纤维导线质量轻，使用现有蒙西电网通用设计铁塔图集即可，而使用300mm²截面积的导线，需要重新设计铁塔及其基础，既延长了设计周期，又增加了工程投资。综合以上两点，本工程选择240mm²截面积的碳纤维导线较为合理。厂家给出的碳纤维导线的结构有ACCC-240/35、ACCC-240/55；以上2种导线，铝股部分的总截面积相差无几，单位面积的载流量基本相同，均可以满足电气性能要求，但单位长度的重量、抗拉强度等差异较大，一般来说，碳纤维芯棒截面大，过载能力大，但建设投资大，因而根据线路沿线地形特点和气象条件，合理确定碳纤维芯棒截面显得格外重要，它不仅关系到线路的初投资，而且还关系到线路建成后运行经济性和安全可靠性。本工程全线大部分为平地，小部分为丘陵，最大风速为28.2m/s，设计风速为30m/s，覆冰厚度为5mm。根据以往线路导线选型经验，我们对ACCC-240/35、ACCC-240/55导线进行比较。表4.2机械特性对比表导线型号ACCC-240/35ACCC-240/55层数22绞合铝线根数2530碳纤维44.1670.85截面mm²铝242.9241.27合计287312.12外径mm21.722.4迁移点温度以下71.773.7弹性模量N/mm²迁移点温度以上125125迁移点温度以下14.111.3膨胀系数1/°C×E-6迁移点温度以上1.91.9计算重量kg/km72976920°C时直流电阻Ω/km0.12090.1218计算拉断力kN112161经济比较中，差价最大的部分就是导线本身。ACCC-240/35导线比ACCC-240/55轻，因此，导线本身价格、运输和安装费用均小，这里仅就导线价格进行比较。表4.3导线对比表型号单重（吨/km）单价（元/m）总量（km）总价（万元）ACCC-240/3572985154.1251310.0625ACCC-240/5576995154.1251464.1875由上表可知，本工程ACCC-240/35型导线较ACCC-240/55型导线便宜154.125万元。且随着导线的碳纤维截面逐渐增大，杆塔本身需增加的重量逐渐增大，杆塔基础逐渐增大，其综合费用也在逐渐增大。27 华北电力大学硕士学位论文通过对以上两种型号导线粗略的技术分析，ACCC-240/35型碳纤维导线的计算拉断力小，但是可以有效地减少耐张塔的塔材重量，ACCC-240/55型碳纤维导线的计算拉断力大，但是其耐张铁塔的塔材重量大。经济比较中ACCC-240/35型碳纤维导线较ACCC-240/55型碳纤维导线效益显著；且过载冰厚足够大，运行安全是完全有保证的，所以ACCC-240/35型碳纤维导线的性价比最优。因此，本工程导线采用ACCC-240/35型碳纤维导线。在铝股方面，由于本次选择的ACCC-240/35导线的抗拉强度远超出设计要求，且导线在运行温度达到90℃时就可以满足满负荷运行，所以此次选择使用导电率相对较优的软铝型线作为铝股。4.3地线方案此次设计，为了满足规范要求，并根据铁塔结构，采用两根地线作为过电压保护。根据系统通信保护要求，本工程主地线采用架空OPGW复合光纤，除满足通信要求外，其还具备地线的所有电气性能、机械特性及热稳定性能。表4.4导、地线配合表[9]LGJ-185/30LGJ-185/45~LGJ-400/50导线型号及以下LGJ-400/35及以上镀锌钢绞线最小无冰区段355080标称截面（mm2）覆冰区段5080100在以往的设计方案中，通常是以GJ-80型镀锌钢绞线作为另一根地线，配合OPGW光缆使用的，而导线则采用常规的钢芯铝绞线。由于本次使用ACCC导线，需要重新验算GJ-80钢绞线与ACCC导线的配合方式。经过电算，在不调整现有塔型的情况下，GJ-80镀锌钢绞线在正常档距下就会出现不满足碳纤维导线与地线档距中央的距离S。S≥0.012L+1[9]（4-1）[9]S-代表导线与地线间距离。L-代表档距。为了能够满足规范要求，本次设计选择使用JLB20-80-7铝包钢绞线作为另一根地线，与OPGW光缆配合使用。28 华北电力大学硕士学位论文表4.5JLB20-80-7铝包钢绞线与GJ-80镀锌钢绞线机械特性标准值标准值项目单位JLB20-80-7GJ-80标称截面值mm²79.3978.94钢丝直径mm3.82.3计算拉断力kN89.3192.75标称直径mm11.411.5标称重量kg/km528.4628.4弹性系数N/mm²147200181400温度膨胀系数1/℃13.0×106611.5×10由表4.5可知，JLB20-80-7铝包钢绞线较GJ-80镀锌钢绞线机械性能更为理想，两者抗拉强度相差不大，但是由于JLB20-80-7弹性系数及膨胀模量都小于GJ-80，弛度更小。由于ACCC导线的弛度小，造成GJ-80与其配合不理想，易出现不满足规范[9]要求的情况，而使用JLB20-80-7铝包钢绞线，因为与ACCC导线同样属于弛度小、弧垂小的线材，两者搭配使用效果理想。经过比对，本工程选择JLB20-80-7作为本工程地线，其电气和机械性能均优于GJ-80型镀锌钢绞线，且在相同安全系数的情况下其弧垂更小，有利于满足S≥0.012L+1要求。由于规范中并未明确提出铝包钢绞线截面积与导线截面积相配合的使用要求，所以本工程铝包钢绞线地线截面积的选择是在满足其电气和机械使用条件要求的前提下参考表4.4进行选择。4.4导、地线安全系数的确定由于本工程导线选择碳纤维导线，地线选择了铝包钢绞线，两种线材均是以前设计中未使用过的，需要对其安全系数进行验算，使其满足以下几点：1、最大使用张力满足使用条件。2、在气温15℃，无风、无冰的情况下，导线与地线间的距离应满足S≥0.012L+1的要求[9]。3、导、地线在弧垂最低点的设计安全系数不应小于2.5，悬挂点的设计安全系数不应小于2.25。地线的设计安全系数不应小于导线的设计安全系数[9]。4、为了能够保证使本工程的经济性，本工程导、地线的选择，均是在蒙西电网通用设计塔型不变的前提下进行的。条件1很容易满足，但是条件2、3、4很难同时满足，由于碳纤维导线弧垂较小，计算拉断力大，重量轻等特点，在不调整塔型的情况下，满足S≥0.012L+1的要求，很难保证“地线的设计安全系数不应小于导线的设计安全系数[9]”这一要求。对此，作者曾多次与内蒙古电力勘测设计院、河北硅谷碳纤维厂家、内蒙浩源等多家单位沟29 华北电力大学硕士学位论文通、交流，经过多次验算，最终确定导线安全系数为4.2，地线安全系数为4.27，可同时满足上述4点要求。表4.6导、地线校验弧垂表项目100140180220260300340380400档距L（m）安全系弧垂F1ACCC-2400.611.131.772.523.384.345.547.037.84数4.20（m）安全系弧垂F2JLB20-80-70.50.951.522.202.993.874.855.926.56数4.27（m）（校验工况：气温15℃，无风，无冰）本次设计采用悬垂绝缘子串长度为1.4m，通过图4.1、表4.6，可计算不同档距下导、地线间距离是否满足公式4-1，结果见表4.7。表4.7导、地线间距离表直线塔导地线间距离Z耐张塔导地线间距离档距L（m）规范要求距离S（m）（m）N（m）Z=1.4+3-F2+F1N=4-F2+F11002.24.514.111402.684.584.181803.164.654.252203.644.724.322604.124.794.393004.64.874.473405.085.094.693805.565.515.114005.85.685.28通过上表可知，直线塔使用档距超过340m时，导、地线间距离超出规定值，而耐张塔的使用档距在300m时就已经不满足规定要求值，但是由于上表计算过程中粗略的认为导线、地线横担长度相等，实际上由于横担长度不同，实际导、地线间实际长度略大于计算值，所以本次二连东城区110kV线路工程所用铁塔直线塔使用档距不超过380m，耐张塔使用档距不大于300m，可满足第2点的要求。本次导线设计安全系数为4.2，计算最大使用张力为27120N，地线设计安全系数为4.27，计算最大使用张力为20915N，,使用的蒙西电网通用设计铁塔的导线设计最大使用张力为31680N，地线设计最大使用张力为26156N，导、地线最大使用张力均在铁塔设计受力范围内，不需要对铁塔进行重新设计，满足第1、3、4点的要求。30 华北电力大学硕士学位论文4.5塔头间隙根据GB50545-2010《110kV～750kV架空输电线路设计规范》[9]确定带电最小空气间隙如表4.6。表4.6最小空气间隙雷电过电压操作过电压工频电压带电作业海拔高度（m）最小间隙（m）最小间隙(m)最小间隙（m）最小间隙（m）10001.000.700.251.00根据110kV电压等级,经过内过电压、外过电压、运行情况绝缘子串风偏角的计算，带电部分与本次使用的蒙西电网通用设计双回路塔之间能满足规程规定的空气间隙，并考虑了带电作业的空气间隙。图4.2直线塔间隙图4.6金具的选择金具选择的原则依据设计规范[9]，其安全系数最大使用荷载情况下为2.5，断线、断联情况下为1.5。金具采用中华人民共和国电力工业部《电力金具产品样本》，非标准金具和构件加工后需热镀锌。线路工程中，耐张线夹是标准金具中最为重要的一个，起锚作用，承受着导线的全部拉力，普通的耐张线夹主要是基于钢芯铝绞线及其衍生产品制作而成。而本工程使用的耐张线夹由于ACCC导线可以在高温、高强度的情况下运行，所以需要使用特31 华北电力大学硕士学位论文制的耐张线夹以满足规范要求，该耐张线夹采用一种利用楔形自锁原理，耐张线夹如图4.3所示。图4.3耐张线夹图接续管用于接续架空线路的导线两端，不但承受导线的全部张力，而且承载导电性能，同时也用于导线断股的补修。由于碳纤维复合芯为脆性材料，在使用现有的接续管对导线进行压接过程中易对纤维芯造成损伤，从而降低导线的承载力。所以碳纤维导线需要采用特制的接续管，其设计原理与耐张线夹相同。4.7施工放线在蒙西电网中ACCC导线不仅在设计方面需要面对较多困难，在施工方面也同样如此。1.ACCC导线施工过程中必须使用张力放线进行紧放线，且放线时要尽量避免导线与地面磨擦如图4.4，尤其是在岩石裸露地段更应采取必要措施保护导线。在山地，需要提前做好施工组织措施，在施工面较小的地区，需要提前平整场地，安放张力放线器材。使用张力放线也是在检验ACCC导线，若导线芯棒在出厂或运输过程中有破损、暗伤，经过张力放线机，导线会立刻断裂，这也避免了将有暗伤的导线挂网运行为以后的线路运行留下安全隐患。32 华北电力大学硕士学位论文图4.4张力放线施工现场2.ACCC导线配盘。由于在目前技术条件下，导线接续管工艺并不理想，因此ACCC导线均是采用配盘加工。在ACCC导线生产前，必须对导线耐张段长度进行划分。3.导线盘应将导线两端线头裸露在外侧如图4.5，避免线头在导线卷制的过程中挤压、折损导线，造成放线过程中，导线芯棒断裂如图4.6。图4.5导线盘线头33 华北电力大学硕士学位论文图4.6由线盘卷制不当造成芯棒断裂4.ACCC导线由于其结构的特殊性和高运行温度，常规的耐张线夹和接续管不宜采用，而是采用一种利用楔形自锁原理的耐张线夹和接续管，并由专业人员进行压接工作。4.8导线运行2014年底，本次ACCC导线的实例设计二连东城区双回110kV线路已投产运行，截止本文编写完成，线路运行良好，相关参数符合规范要求。图4.7线路建成后现场运行状况34 华北电力大学硕士学位论文图4.7中右侧为本次的设计实例二连东城区双回110kV线路，其左侧为钢芯铝绞线线路，由现场运行情况看，线路在沙尘暴天气运行良好，导线弧垂明显小于钢芯铝绞线线路，达到了设计目的。4.9本章小结本章着眼于线路工程设计方面，对ACCC导线在机械特性、电气特性进行了详细的分析论述，并作出具体的结论；由于该导线在线路上的推广应用，仍然属于摸索和完善阶段，所以，在现行规范规程中，并未具体提出设计要求，只能按照现有的规程规范进行参考设计。对于使用ACCC导线的新建工程，必须重新进行铁塔规划和计算，特别是要加强铁塔头部的结构优化，通过多方案比较，最终确定铁塔结构型式，如果使用现有的通用设计进行设计，需核实导、地线配合方式、以及导、地线安全系数，验算原有塔形是否满足规范要求的空气间隙。对于增容改造的工程，必须进行仔细的校验，以满足电气间隙和原铁塔的安全使用。在施工过程中应注意ACCC导线的施工工艺，在线路设计期间就考虑导线配盘问题，注意耐张段的分配，并由专业人员对导线进行金具压接，不断总结ACCC导线的施工注意事项。35 华北电力大学硕士学位论文第五章总结与展望5.1结论本文着眼于蒙西电网线路工程设计方面，对碳纤维复合芯导线在机械特性、电气特性、经济评价进行了详细的分析论述，由于该导线在线路上的推广应用，仍然属于摸索和完善阶段，所以，系统而全面的结论的形成，尚需科研单位、系统专业部门进行更深入专业论证。主要工作简述如下：1.碳纤维复合芯导线的机械、电气特性与钢芯铝绞线有着很大的差别，根据本文的具体研究内容,对碳纤维复合芯导线的机械、电气特性进行了对比分析。2.工程设计中导线的选型对工程整体造价有着很大的影响，本文同样与钢芯铝绞线进行对比分析。3.通过上述分析，在蒙西电网的线路设计中，使用碳纤维复合芯导线应对线路杆塔重新进行设计，但是由于现在蒙西电网设计水平有限，部分设计单位缺少杆塔设计经验，所以大部分均是在现有杆塔型式的基础上进行线路设计。这种情况下，就需要对原有杆塔型式进行受力分析以及电气校验，合格方可使用。由于碳纤维复合芯导线的经济指标较低，不建议在新建线路中使用碳纤维复合芯导线，对于线路改造工程，由于原线路杆塔结构的限制，需要对原线路杆塔校验。4.通过实例设计，总结分析设计中的不足之处，提出解决思路，证实方法的可行性，并总结碳纤维复合芯导线的施工工艺。5.2展望鉴于碳纤维复合芯导线尚未有统一的型号、性能参数和试验标准，本文所采用的电气性能参数均沿用当前的理论公式进行相应推导计算。使用碳纤维复合芯导线进行高倍率增容时，为了满足弧垂的约束，没有限制的减小导线截面和提高导线运行温度应该是不可取的，为确保线路的安全运行和使用寿命，建议在该导线大范围应用前，可以出台相关的规程规范用以确定该导线合理的持续运行温度。本文的不足有很多：1.本次二连东城110kV线路地形平缓，有利于通用设计杆塔结构及间隙的校验，但这也导致本次实例设计存在一定的局限性：在地形起伏较大时，可能存在通用设计铁塔不满足间隙要求。2.碳纤维导线在蒙西电网中应用较少，在锡林郭勒盟更是首次应用，且缺少碳纤维复合芯导线的现行规范，所以在设计中，借鉴了内蒙古电力勘测设计院的设计经验。36 华北电力大学硕士学位论文此次设计的二连东城区110kV线路是蒙西电网第二条投运线路，对以后碳纤维导线在蒙西电网中的应用积累了很多经验。37 华北电力大学硕士学位论文参考文献[1]鞠彦忠，李秋晨，孟亚男.碳纤维复合芯导线与传统导线的比较研究[J]，华东电力，2011，39（7）：1191-1194[2]张殿生．送电线路设计手册［M］．北京:中国电力出版社，2002．[3]GB/T29324-2012《架空导线用纤维增强树脂基复合材料芯棒》〔S〕[4]Q/GDW1851-2012．碳纤维复合材料芯架空导线〔S〕[5]DL/T5154-2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定〔S〕[6]王国忠,黄豪士.节能型扩容导线的应力及弧垂的计算[J].电线电缆.2009,5:11-14[7]何州文，陈新，王秋玲，张卓,国内碳素复合芯导线的研究与应由综述［J］．电力建设，2010,31（4）:90-308[8]GB/T1179-2008．圆线同心绞架空导线〔S〕[9]GB50545-2010.110kV～750kV架空输电线路设计规范〔S〕[10]谢云飞.碳纤维复合芯导线综合性能的试验研究[D].河北保定,华北电力大学，2011[11]孟遂民．架空输电线路设计［M］．北京:中国电力出版社，2007．[12]姜文东，张勇．碳纤维复合芯导线在线路增容工程中的应用［J］．华东电力，2009，37(3):418-421[13]Q/HGH003-2012．碳纤维复合材料芯架空导线〔S〕[14]魏晗兴．碳纤维复合材料导线芯的制备及其特性研究[D].,山东大学，2010[15]黄礼平，张颖璐，李金福.碳纤维复合芯导线输送能力的试验和运行分析[J]，电力建设，2008，12（12）:1000-7229[16]忽翔．碳纤维导线在架空输电线路上的应用[J]，安徽电力，2010，27（1）[17]方伟，吴宝平．碳纤维导线架线施工研究[J]，湖北电力，2010，34（6）:1006-3986[18]柏晓路，李建，徐大成，李毅．碳纤维复合芯导线在500kV新建线路中应用的技术经济分析[J]，电力建设，2013，34（10）:1000-7229[19]碳纤维复合芯导线检验报告，上海电缆研究所电工材料及特种线缆质检中心[20]E.J.Bosze,A.Alawar,A.Lim,J.Randy,Y.I.Tsai,andS.Nutt.ComparisonofACCC/TWwithACCR,ACSSandACSR,Univ.ofSouthernCalifornia,M.C.GillFoundation:CompositesCenter.Unpub.Report.2006,7:54-61[21]L.O.Barthold,D.E.Douglass,andD.A.Woodford.Maximisingthecapabilityofexisting38 华北电力大学硕士学位论文ACtransmissionLines[C].CIGRé.2008[22]K.PrakasanS.Seshan.MicrostructureandpropertiesofsqueezecastCu-carbonfibremetalmatrixcomposite.《JournalofMaterialsScience》,EISCI19992039 华北电力大学硕士学位论文致谢本论文是在学校导师李慧奇、刘刚两位老师和企业导师裴晓东工程师的悉心指导下完成的。感谢他们在课题的提出、准备、学习以及分析等不同阶段给予的耐心指导和生活上的无私帮助。在课题研究过程中，还得到了内蒙古浩源有限公司的帮助和技术支持，在此一并表示感谢。最后，向所有评阅论文的老师、专家、教授们致以最衷心的感谢！40 华北电力大学硕士学位论文作者简历1988年9月内蒙古电力学校发电厂变电站电气专业学习，1992年7月毕业，中专学历。1996年至2002年内蒙古大学行政管理专业，本科学历。1992年7月在锡林郭勒电力勘察设计院从事输电线路设计工作，1995年任送电室主任，2003年担任设计院副院长，2014年至今担任设计院党支部书记、工会主席、副院长。2013年进入华北电力大学电子与电气工程学院学习，攻读工程硕士学位。41