碳纤维复合芯铝绞线在线路改造中的应用分析

顾俊杰，袁 奇

（上海市电力公司检修公司输电检修中心，上海 200063）

随着我国经济的快速发展，上海电能的需求量也在迅速增长。为了充分利用现有输电线路走廊和线路设施，尽可能地提高输电线路的输送容量，自2008年2月起，上海首次在220 k V吴都2294／2295线和闵都2285／2287线路增容改造工程中，使用碳纤维复合芯铝绞线（ACCC），有效缓解了闵行南部地区电网载流量的瓶颈问题。

1 碳纤维复合芯铝绞线概况

1.1 主要技术参数

ACCC的结构较为新颖，有利于提高直线管、耐张线夹与导线的压接强度；芯棒与铝股之间不存在接触电位差，能够保护铝导体免受电腐蚀；由梯形截面形成的外表面，远比钢芯铝绞线表面光滑，有利于提高导线的电晕起始电压，减少电晕损失、降低电晕噪声和无线电干扰水平。

1）导线结构 ACCC的芯线是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，外层与邻外层铝线股为梯形截面。

2）技术参数 采用ACCC线路输送大负荷时，由于承受绝大部分张力的芯线采用碳纤维材料，在温度快速上升时，芯线不会随着温度的上升而伸长，弧垂几乎不会发生变化，确保了交叉跨越线路的安全距离［1］。例如：碳纤维复合芯铝绞线（ACCC／TW-1020）的截面为516.7 mm2，外径为28.14 mm，计算拉断力为182 245 N，碳芯直径为9.50 mm，单位重量为1 556 kg／km，综合弹性系数拐点温度前为40 338 N／mm2，拐点温度后为12 932 N／mm2，最大使用应力为36 450 N，在20℃下直流电阻不大于0.054 0Ω／km［2］。

1.2 主要技术特点

1）导电率高 ACCC不存在类似钢丝导线引起的磁损和热效应，在输送相同负荷的条件下，运行温度低，可以减少输电损失约6%。

2）抗拉性好 ACCC的碳纤维混合固化芯棒，是普通钢丝抗拉强度的2倍。

3）重量轻 ACCC的比重是钢丝导线的1／4，在等同外径下的铝截面积是常规导线的1.29倍，单位长度重量要比常规导线轻10%～20%。

4）耐腐蚀 ACCC与环境亲和，避免了运行时铝线与镀锌钢线间的电腐蚀现象，有效延缓了导线的老化，使用寿命高于普通导线2倍。

5）弧垂低 ACCC与普通钢芯铝绞线相比，具有明显的弧垂控制特性。在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的1／2，可以有效减少架空线的空间走廊，提高线路运行的安全性和可靠性。

6）价格偏高 ACCC的价格大约是普通钢芯铝绞线的5倍，同样容量的线路成本高于普通钢芯铝绞线。

2 增容改造中的应用

2.1 工程案例

利用原有输电走廊和杆塔，采用ACCC替代原有400 mm2普通钢芯铝绞线，达到改造后的输电容量在原有基础上翻一番，避免前期线路改造工作的困难和减少对周边环境的影响。

1）吴都2294／2295线路增容工程 2008年2月至3月期间，拟将当时的220 k V金都站至吴泾电厂2294／2295单导线（A2至A21号塔，400 mm2），更换为单根碳纤维复合芯铝绞线（ACCC／TW-1020）。该两条线路为同杆双回合杆线路，全长为6.992 km，有23基基础。

2）闵都2285／2287线路增容工程 2008年3月至4月期间，拟将当时的220 k V金都站至闵行电厂2285／2287单导线（400 mm2），更换为单根碳纤维复合芯导线（ACCC／TW-1020）。该两条线路为同杆双回合杆线路，全长为16.403 km，有52基基础。

2.2 施工关键点

与传统输电导线相比，由于ACCC重量轻、强度高、线损低、弧垂小、耐高温、耐腐蚀等优点，其特殊的材质与结构特点，在线路增容改造中，更换导线时要采取相配套的特殊施工工艺。

1）导线展放采用张力放线 在吴都2294／2295线路和闵都2285／2287线路增容改造工程中，遇到路径沿线重要跨越多，加上ACCC／TW-1020型导线表面采用软铝材质，内芯较脆、弯曲半径不能过小等约束，因此在施工时要避让障碍物，避免与地面摩擦，防止ACCC表面损伤，如图1所示。现场施工时采用旧导线连接ACCC的张力放线方式。采用该方式，既可保证施工期间导线对跨越物的安全距离，又可有效保护导线，并能提高放线效率，缩短工期，减少停电时间，提高供电可靠性。

图1 ACCC表面被磨损

在牵张场布置时，要尽量避免新线展放过程中过45°以上转角，因为复合芯碳棒过大转角时极易断裂，一旦断裂，重新压接，工艺较为复杂。由此可见，张力放线可以消除展放导线时的一些隐患，但是张力放线长度受到一定限制，影响放线的效率，需要在实际施工中加以提前考虑。

虽然在畜牧业的不断发展中，为能跟上时代的脚步，在基层防疫部门建立了一些兽医实验室，但由于技术人员不到位等多种原因给实验室的发展和进步带来一些问题。这些问题成为阻碍实验室发展的最基本因素，如果不及早解决就会对实验室的长久性产生影响。

2）张力机主轮的选型及布置 由于ACCC内芯采用碳纤维复合材料，造成内芯的抗弯曲强度较弱，弯曲半径不能过小，否则极易开裂，所以张力机主轮的盘径至少是导线直径的40倍。在布置张力机时，主轮到第一个铁塔的距离，应该是放线滑车高度的3倍。另外，由于ACCC外层铝绞线为右向的，在张力机和线盘的放线过程中，导线要从张力机的左边缠入，从右边放出，再连接到第一个放线轮上。

3）使用特制滑轮组 由于ACCC内芯碳棒的特殊性，导线在放线滑车上的包络角不能大于25°，曲率半径必须得到有效控制，特别是遇到大转角铁塔时，必须使用特制的滑轮组。为此，针对直线杆及耐张杆的施工要求，采用特制的滑轮组，放线时导线滑车采用单排7滑轮组，如图2所示。滑轮组由7个小滑轮组成，各滑轮按一大半径的圆弧等距排列。新型滑轮很好地控制了导线的弯曲半径，使得导线在小滑轮上的包络角很小，有效控制了滑车的摩阻系数，而且提高了放线的速度和质量。

图2 特制七滑轮组

4）耐张管压接 在放线过程中耐张线夹压接后，ACCC头部可能会出现形似“灯笼”的起壳现象，如图3所示。依据ACCC内芯的特点，此处碳芯保护层的老化速度可能会加快。该问题虽经厂家派驻的外籍技术人员确认为正常，但因紧线后ACCC受力将恢复常态，因此仍建议厂家能从导线的生产工艺角度进行改进［3］。

图3 压接后出现起壳现象

图4 钢管连接器的螺纹爆裂

5）直线管压接 直线压接管连接器在连接时较难控制，主要是钢管金具的螺纹较细，施工中经常出现螺纹爆裂现象，给施工带来不便，如图4所示。

6）预绞丝紧线金具 由于ACCC外层与邻外层铝线股采用软铝，所以不能承受钳压。倘若在紧线和锚线时使用常规的卡线器，势必会对导线表面造成损伤。为了保护碳纤维导线，必须使用预绞丝紧线金具进行紧线，如图5所示。

图5 预绞丝紧线金具

7）防绕钢丝绳 由于新旧导线的扭力不同，即使加装了旋转连接器，连接后的钢丝绳仍可能出现散股现象，所以在耐张塔处连接旧导线和锚线等导线，需要用防绕钢丝绳连接。

图6 网套紧固夹

3 线路运行分析

ACCC在220 k V吴都2294／2295和闵都2285／2287输电线路上运行4年多，积累了一定的线路运行经验。

3.1 两种铝绞线的性能比较

对具有相同直径（约为28.1 mm）的ACCC的各种参数与普通钢芯铝绞线的相应数据进行比较与分析。

1）线芯性能 ACCC的线芯材料抗拉强度大、弹性模量小、线芯比重轻、芯线热膨胀系数小，在整体机械性能上要比普通钢芯铝绞线优异［4］，如表1所示。

表1 两种铝绞线线芯比较

2）铝线性能 ACCC与普通钢芯铝绞线的铝线性能比较，如表2所示。与普通钢芯铝绞线相比，ACCC采用梯形截面的软铝绞线，提高了有效截面积和导电率，虽然铝线抗拉强度下降许多，但由于其特殊的设计机理和运行方式，没能破坏导线整体的机械性能［1］。

表2 两种铝绞线性能比较

3.2 ACCC净空距离的理想效果

ACCC与普通导线净空距离对比效果显著［6］，如图7所示。

图7 ACCC与普通导线净空距离对比

由图7可知，在理论条件下，ACCC具有极好的确保足够交跨距离的优势。当使用ACCC对原有线路进行增容升级时，比同等直径的普通钢芯铝绞线的载流量要约2倍［5］，并且可沿用原有线路的杆塔和基础，不需要增建新的电力杆塔，从而大大节省土地等资源成本，而且安装简单、快速，对环境几乎没有影响。可见ACCC的这些特点对于环境敏感区域、人口密集区域以及大跨越地区的线路增容升级或线路新建来说尤为重要。

3.3 ACCC大负荷运行

2009年11月1日，因两栋民房位于闵都2285／2287线2—3档弧垂中心，为判断净空距离是否满足安全运行要求，对其进行测量，该档档距为339 m，代表档距为370 m，环境温度为24℃。第一栋民宅处，实测导线对地为13.95 m，换算到40℃，导线对地为13.72 m，房屋高8.60 m，房屋对导线距离为5.12 m；第二栋民宅处，导线对地距离为14.67 m，换算到40℃，导线对地距离为14.48 m，房屋高也为8.60 m，房屋对导线距离为5.88 m。根据两处实测结果，线路虽然仍可安全运并对下方房屋不造成影响，但已小于运行规程规定的6 m最小垂直距离要求。

2010年8月10日再次复测，环境温度为36℃，第一栋民宅处，导线对地距离为13.56 m，换算到40℃，导线对地距离为13.50 m；房屋高为8.60 m，房屋对导线距离为4.90 m；第二栋民宅处，导线对地距离为14.43 m，换算到40℃，导线对地距离为14.38 m；房屋高为8.60 m，房屋对导线距离为5.78 m。实测结果仍小于运行规程规定的6 m最小垂直距离要求。

表3 导线跨越民宅实测距离比较

由表3可知，使用ACCC后，相比原来普通钢芯铝绞线的跨越距离确实有一定的提高，但是碳纤维导线的特优效果并非十分明显；跨越高度虽然不影响线路的安全运行并对下方房屋不造成影响，但是仍小于标准的规定值6 m。

4 结语

ACCC的载流量约是普通钢芯铝绞线的2倍，因其自身的工艺结构和物理特性，能在一定程度上提高载流量，提高线路输送能力，加之可以沿用原有线路的杆塔和基础，不需要增建新的电力杆塔，从而大大节省了土地等资源成本，而且安装简单、快速，对环境几乎没有影响［3］。

ACCC的上述特点，对于环境敏感区域、人口密集区域以及大跨越地区的线路增容升级或新建线路来说，具有较大优势。但是，在实际应用中发现，其大负荷下的弧垂控制并未达到理想效果［6］，若线路走廊发生较大变化，安全距离不足时，仍然需要对杆塔进行升高，才能彻底消除距离不足的隐患，加之单价远高于普通钢芯铝绞线数倍，所以在选择使用ACCC碳纤维复合芯铝绞线时，需要进行综合考虑。

［1］ 李哲明.复合材料线芯铝导线的应用［J］.电网技术，2006（30）增刊.

［2］ 李海威，廖怀东.耐热导线材料的耐热机理及在输变电工程扩容上的应用［J］.四川建材，2006（4）：274-275.

［3］ 蒲晓羽，张云都.耐热导线在输电技术中的研究与应用［J］.华北电力技术，2007（2）：8-12.

［4］ 黄国飞，季世泽，蒋华君.碳纤维芯软铝绞线的特性研究与应用［J］.电线电缆，2007，8（4）：10-14.

［5］ 尤传永.增容导线在架空输电线路上的应用研究［J］.电力设备，2006，7（10）：1-7.

［6］ 杨韬，马庆强.新一代复合导线——ACCR的特点及其应用［J］.电力设备，2007，8（12）：84-87.