1 項(xiàng)目概述和技術(shù)原理
1.1 項(xiàng)目背景
針對(duì)目前電網(wǎng)中部分輸電線路輸送能力不足、部分老舊線路技術(shù)改造困難的情況下,為有效利用目前電網(wǎng)的輸電線路,考慮應(yīng)用新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線,提高電網(wǎng)的輸送能力。
1.2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀
我國是個(gè)缺電的國家,輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴(kuò)容的需求,由于過負(fù)荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生,電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”,各國均在研究新型架空輸電路用導(dǎo)線,以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線。
目前世界上只有美國、日本、韓國開發(fā)出新型殷鋼芯倍容量導(dǎo)線和新型合成導(dǎo)線,國內(nèi)的產(chǎn)品研制和應(yīng)用開始起步。碳纖維合成芯導(dǎo)線在國外的應(yīng)用不長,美國CTC公司生產(chǎn)的ACCC碳纖維合成導(dǎo)線于2004年8月開始試用和運(yùn)行,國內(nèi)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)還較少。 copyright 123456
1.3 項(xiàng)目主要研究內(nèi)容
結(jié)合常州電網(wǎng)現(xiàn)狀,分析一些老線路的公司技改、基建和業(yè)擴(kuò)工程,選擇在現(xiàn)有導(dǎo)線截面小且需增容的線路上試用新型碳纖維合成芯導(dǎo)線,在不改變現(xiàn)有路徑、通道的情況下,既要大幅度提高線路輸送容量,又要確保線路的安全運(yùn)行。同時(shí)進(jìn)行相關(guān)經(jīng)濟(jì)比較,用較少的投資取得理想的效益。
從節(jié)能、降低成本、增加輸送容量、提高電網(wǎng)安全運(yùn)行等方面綜合看,推廣應(yīng)用具有很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)。
1.4 項(xiàng)目技術(shù)原理
碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(ACCC),采用高性能碳纖維復(fù)合材料作為導(dǎo)線芯材,具有強(qiáng)度高、重量輕、膨脹系數(shù)小、耐腐蝕和耐高溫等特點(diǎn)。
(1)強(qiáng)度高。用碳纖維復(fù)合芯替代傳統(tǒng)的鋼芯,抗拉強(qiáng)度是一般鋼絲的1.9倍,允許提高桿塔間的跨距,以降低工程成本。 123456
(2)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。
(3)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)。
(4)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最大100℃。
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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。
圖1.4.4 ACCC導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線的斷面比較圖
(5)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。
1.5 項(xiàng)目研究目標(biāo)
應(yīng)用新型合成導(dǎo)線,能夠利用現(xiàn)有桿塔等設(shè)施,成倍地大幅度提高傳輸容量,減少傳輸中電力的損耗,同時(shí)可以減少土地資源、有色金屬資源等消耗。
為研究其特性,積累使用和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),本項(xiàng)目開展碳纖維合成芯導(dǎo)線的應(yīng)用和研究。
2 研究方法和技術(shù)方案
2.1 項(xiàng)目研究方法
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對(duì)常州電網(wǎng)中部分輸送能力不足、改造困難的線路,應(yīng)用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。
選擇在現(xiàn)有導(dǎo)線截面小且需增容的線路上試用碳纖維合成芯導(dǎo)線,在不改變現(xiàn)有路徑、通道的情況下,既要大幅度提高線路輸送容量,又要確保線路的安全運(yùn)行。同時(shí)進(jìn)行相關(guān)經(jīng)濟(jì)比較,用較少的投資取得理想的效益。
項(xiàng)目的研究擬通過以下幾個(gè)方面來開展:
(1) 研究導(dǎo)線的機(jī)械力學(xué)特性,重新校核線路平斷面,保證安全距離;
(2) 研究導(dǎo)線的載流特性,確定線路的最大允許工作電流,核算線路在電網(wǎng)各種特殊運(yùn)行方式下的過負(fù)荷能力;
(3) 分析導(dǎo)線的弧垂與溫度、應(yīng)力、代表檔距的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系;
(4) 導(dǎo)線架線施工和安裝的特殊工藝;
(5) 研究各種特殊金具的配置;
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(6) 進(jìn)行帶負(fù)荷運(yùn)行調(diào)試,分析線路運(yùn)行特殊要求;
(7) 進(jìn)行相關(guān)經(jīng)濟(jì)比較。
2.2 項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)施方案
根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃及運(yùn)行情況,選定現(xiàn)有導(dǎo)線截面小且需增容的線路之一“110kV常白線”上試用,在不改變現(xiàn)有路徑通道、不對(duì)桿塔進(jìn)行改造的情況下,更換為ACCC碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。
常白線上現(xiàn)狀接2個(gè)110kV變電所,分別是:110kV采菱變,2x50MVA主變;110kV工業(yè)園變,2x50MVA主變。另原先還接有110kV湖塘變(2x40MVA),因輸送容量不足,現(xiàn)已臨時(shí)斷開。
圖2.2 改造前110kV常白線接線圖
原LGJ-185導(dǎo)線只能滿足帶一個(gè)變電所2臺(tái)主變的要求,遇故障或檢修,帶3臺(tái)50MVA主變,需輸送787A,LGJ-185導(dǎo)線就已不能承擔(dān)。導(dǎo)線輸送容量的限制給電網(wǎng)運(yùn)行方式的靈活調(diào)整帶來困難。
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主線段線路已運(yùn)行有20多年,通道復(fù)雜,線下房屋密集,原通道改造(換塔換大導(dǎo)線)很困難。該現(xiàn)狀很適合應(yīng)用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。
原線路導(dǎo)線均為LGJ-185。按最高允許溫度+70℃、基準(zhǔn)環(huán)境溫度+25℃時(shí),長期允許載流量510A,按照常州地區(qū)最高環(huán)境溫度+40℃校正后為435A,允許輸送容量為82900kW。
表2.2.1 現(xiàn)狀線路輸送容量
表2.2.2 改造后擬達(dá)到輸送容量
增容改造實(shí)施:將常州變出線前段架空線的主線原LGJ-185導(dǎo)線更換為ACCC導(dǎo)線,長度1.8km。
2.3 項(xiàng)目實(shí)施成果
1、完成110kV常白線更換ACCC導(dǎo)線的設(shè)計(jì)和安裝;
2、對(duì)所選的ACCC導(dǎo)線進(jìn)行各項(xiàng)機(jī)械和電氣性能試驗(yàn);
3、進(jìn)行線路運(yùn)行加負(fù)荷調(diào)試試驗(yàn);
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4、開展ACCC導(dǎo)線耐高溫、大載流量、低弧垂等方面性能的研究。
3 項(xiàng)目研究和實(shí)施過程
3.1 線路前期設(shè)計(jì)階段
3.1.1 收集碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的技術(shù)資料,研究其機(jī)械特性、電氣特性。
部分規(guī)格的導(dǎo)線已由上海電纜研究所進(jìn)行了試驗(yàn),現(xiàn)有資料的部分參數(shù)參考美國CTC公司提供的數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目選定型號(hào)的ACCC/TW導(dǎo)線另外進(jìn)行多項(xiàng)機(jī)械及電氣性能試驗(yàn)。
3.1.2 結(jié)合原線路資料,重新測定線路平斷面,掌握交叉跨越情況。
110kV常白線主線段從220kV常州變~常白線采菱支接塔,長度1.8公里,桿塔均為雙回路(與110kV遙常線同桿架設(shè)),10基桿塔,為鋼管桿和鐵塔混合線路。全線平均檔距210米,最大檔距289米。
設(shè)計(jì)時(shí),全線重新測量了平斷面,詳細(xì)掌握各類交叉跨越情況。線路經(jīng)過地區(qū)現(xiàn)為城區(qū),下面房屋較多,交跨復(fù)雜,線路交叉跨越建筑物、電力線、通信線、城市道路等共42次。
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3.1.3 確定導(dǎo)線的型式截面、安全系數(shù)及應(yīng)力、弧垂計(jì)算。
根據(jù)原桿塔設(shè)計(jì)條件和線路交跨情況,初步確定導(dǎo)線的選型和截面匹配,確定合適的安全系數(shù)、最大使用張力。擬選擇Linnet431型(218mm2)截面的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線,直徑(18.29mm)和單位長度重量(653kg/km)均不大于原LGJ-185導(dǎo)線的直徑(19.02mm)和單位長度重量(774kg/km)。導(dǎo)線的安全系數(shù)取3.5,最大使用張力20.7kN,不超過現(xiàn)有桿塔使用條件(23.0kN)。導(dǎo)地線安全系數(shù)、最大使用應(yīng)力及平均使用應(yīng)力見下表。
表3.1.3.1 導(dǎo)地線安全系數(shù)及設(shè)計(jì)張力
新架導(dǎo)線的弧垂最高氣溫時(shí)不超過原導(dǎo)線弧垂,確?,F(xiàn)有的各種交叉跨越設(shè)施均滿足安全限距的要求。這些條件保證主線段所有桿塔均不需進(jìn)行改造,得以充分利用。
碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的鋁面積218平方米,大于原LGJ-185導(dǎo)線182.4平方米的鋁面積,載流能力大大增加。下表反映了本次選定的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與原導(dǎo)線參數(shù)的對(duì)比情況。
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表3.1.3.2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與原導(dǎo)線參數(shù)對(duì)比表
根據(jù)導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)與溫度、應(yīng)力的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系,分析導(dǎo)線機(jī)械特性,進(jìn)行應(yīng)力、弧垂計(jì)算,架線施工張力弧垂計(jì)算。
3.1.4 配合適的金具、附件
本工程ACCC/TW導(dǎo)線所用耐張線夾,為專用配套的耐熱型線夾,內(nèi)層不銹鋼,外層鋁合金。
根據(jù)導(dǎo)線發(fā)熱特性,選擇專用的ACCC/TW導(dǎo)線配套耐熱型耐張線夾。配置合適的懸垂金具和耐熱型預(yù)絞絲護(hù)線條,合理組合附件安裝。導(dǎo)線的耐張線夾、引流板為ACCC/TW導(dǎo)線配套的專用線夾,預(yù)絞絲護(hù)線條、T接線夾等有南京線路器材廠專門設(shè)計(jì)。
3.2 安裝施工階段
3.2.1 施工技術(shù)準(zhǔn)備
本線路采用張力展放導(dǎo)線。架線前檢查各施工段的平斷面圖、明細(xì)表等,認(rèn)真對(duì)施工場地進(jìn)行調(diào)查、熟悉交叉跨越情況。合理布置張力場和牽引場的位置。對(duì)導(dǎo)、地線連接管及耐張管進(jìn)行檢驗(yàn)性壓接試驗(yàn)。架線作業(yè)指導(dǎo)書經(jīng)審批,架線前進(jìn)行技術(shù)交底。進(jìn)行牽、張場預(yù)選,本工程分為二牽,從110kV常白線G1電纜終端塔—G8支接塔為第一牽,從G8支接塔—G10支接塔的架空主線部分為第二牽。
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表3.2.1 牽、張場預(yù)選表
3.2.2 架線
架線前調(diào)查清楚沿線的交叉跨越等障礙物,進(jìn)行線路通道清理。根據(jù)現(xiàn)場情況搭設(shè)跨越架,安裝防磨滾筒。
選擇和布置牽張場。采用一臺(tái)牽引機(jī)、一臺(tái)張力機(jī)進(jìn)行導(dǎo)線展放施工,一牽一展放方式。為了避免ACCC導(dǎo)線與原線路舊導(dǎo)線之間的磨碰。本工程利用原線路LGJ-185導(dǎo)線作為牽引繩張力展放ACCC導(dǎo)線。
下面是幾張現(xiàn)場安裝圖片。
3.2.3 其他安裝
進(jìn)行緊線和掛線施工,弧垂調(diào)整,導(dǎo)、地線液壓,附件安裝,導(dǎo)線跳線安裝等。于2006年11月完成110kV常白線增容改造ACCC導(dǎo)線的安裝施工,并投入運(yùn)行。
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3.3 導(dǎo)線性能試驗(yàn)
3.3.1 專項(xiàng)性能試驗(yàn)
對(duì)本項(xiàng)目采用的Linnet431規(guī)格ACCC/TW導(dǎo)線專門委托上海電纜研究所開展了以下8項(xiàng)性能試驗(yàn)。
3.3.1.1 導(dǎo)線握力試驗(yàn)(常溫)
試驗(yàn)?zāi)康模簻y試ACCC/TW導(dǎo)線安裝專用楔型線夾后的握著力。
試驗(yàn)結(jié)果:
無中間接續(xù)的試樣,握力試驗(yàn)結(jié)果為81.4kN;
有中間接續(xù)的試樣,握力試驗(yàn)結(jié)果為81.0kN。
證明ACCC/TW導(dǎo)線安裝專用楔型線夾后的握力滿足不小于90%計(jì)算拉斷力(72.46kN)的要求。
3.3.1.2 導(dǎo)線高溫(140~200℃)拉力試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模簻y試ACCC/TW導(dǎo)線在高溫條件下的總拉力。
試驗(yàn)結(jié)果:
ACCC/TW導(dǎo)線試樣在140℃高溫通電加熱3小時(shí)后,直接做拉力試驗(yàn),高溫拉斷力為74.6kN,與計(jì)算拉斷力相比沒有損失;160℃高溫通電加熱3小時(shí)后,高溫拉斷力下降為64.0kN,為計(jì)算拉斷力(72.46kN)的88%;180℃高溫通電加熱3小時(shí)后,高溫拉斷力下降為56.8kN,為計(jì)算拉斷力(72.46kN)的78%;在200℃高溫通電加熱3~8小時(shí)后,直接做拉力試驗(yàn),高溫拉斷力下降為48~50kN,約為計(jì)算拉斷力(72.46kN)的66%~69%。
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這個(gè)結(jié)果說明,ACCC/TW在160℃高溫以上,拉斷力距不小于90%計(jì)算拉斷力的要求有一定的損失,隨著溫度上升,損失逐步加大。
3.3.1.3 導(dǎo)線應(yīng)力—應(yīng)變?cè)囼?yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模簻y定ACCC/TW導(dǎo)線的應(yīng)力—應(yīng)變特性。
試驗(yàn)結(jié)果:
導(dǎo)線的最終彈性模數(shù)平均值為66.3 GPa;
碳纖維復(fù)合芯的最終彈性模數(shù)平均值為113.3 GPa;
繪制出導(dǎo)線應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。
3.3.1.4 導(dǎo)線熱膨脹試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模簻y定ACCC/TW導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)。
試驗(yàn)結(jié)果:(試樣長度50米)
拐點(diǎn)溫度(80℃左右)以下該導(dǎo)線實(shí)測線膨脹系數(shù)為13.0×10-6(1/℃);
拐點(diǎn)溫度(80℃左右)以上該導(dǎo)線實(shí)測線膨脹系數(shù)為1.65×10-6(1/℃)。
3.3.1.5 導(dǎo)線弧垂特性試驗(yàn)
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試驗(yàn)?zāi)康模河靡栽u(píng)估ACCC/TW導(dǎo)線在實(shí)驗(yàn)室條件下的高溫弧垂特性。
試驗(yàn)結(jié)果:測量導(dǎo)線弧垂和張力隨溫度變化的情況,分別繪制出該ACCC/TW導(dǎo)線在加載不同初始張力(15%RTS、25%RTS、35%RTS)下的弧垂—溫升曲線和張力—溫升曲線。
3.3.1.6 導(dǎo)線蠕變?cè)囼?yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模捍_定ACCC/TW導(dǎo)線的蠕變特性。
試驗(yàn)結(jié)果:
得出蠕變方程式;
計(jì)算出在15%、25%和35%的張力下10年(87600小時(shí))后的蠕變量;
繪制出蠕變曲線。
3.3.1.7 碳纖維復(fù)合芯耐熱性能檢驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模簻y試碳纖維復(fù)合芯的耐熱性能。
試驗(yàn)結(jié)果:碳纖維復(fù)合芯經(jīng)過不同加熱溫度和不同加熱時(shí)間后的拉力結(jié)果,芯仍能保持合適的拉力(未加熱時(shí)的90%以上)。
3.3.1.8 導(dǎo)線載流量測試及計(jì)算
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試驗(yàn)?zāi)康模簻y試ACCC/TW導(dǎo)線在實(shí)驗(yàn)室條件下的載流量;計(jì)算ACCC導(dǎo)線在不同環(huán)境條件下的載流量。
試驗(yàn)結(jié)果:
測出無風(fēng)、無日照和自然對(duì)流條件的實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù);
計(jì)算得出導(dǎo)線載流量的理論計(jì)算數(shù)據(jù)表(分別為在國內(nèi)常用參數(shù)條件下和在IEC61597-1995推薦的參數(shù)條件下)。
分析:與鋼芯鋁絞線相比,ACCC/TW導(dǎo)線得載流量有比較明顯得提高,而且導(dǎo)線允許得使用溫度更高(最高200℃)以及具有低弧垂的特性,因此,ACCC/TW導(dǎo)線載流能力有明顯優(yōu)勢。
3.3.2 借鑒的其他項(xiàng)目試驗(yàn)
借鑒其他規(guī)格的ACCC/TW導(dǎo)線已進(jìn)行的試驗(yàn)有以下一些。
3.3.2.1 導(dǎo)線高溫(150℃)拉力試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模簻y試ACCC/TW導(dǎo)線在150℃溫度下的拉斷力。
試驗(yàn)結(jié)果:在150℃溫度下,ACCC/TW導(dǎo)線能夠滿足不小于計(jì)算拉斷力的90%。
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分析:由于復(fù)合芯的熱膨脹系數(shù)比外層軟鋁線的熱膨脹系數(shù)小的多,在150℃高溫下,所有拉力都加載在復(fù)合芯上,鋁線由于熱膨脹伸長量很大,基本不承受拉力,所以高溫下導(dǎo)線的拉力與復(fù)合芯的拉力基本一致。
3.3.2.2 碳纖維復(fù)合芯鹽霧腐蝕試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^在強(qiáng)腐蝕氣氛的腐蝕試驗(yàn),評(píng)估碳纖維在自然條件下的耐腐蝕性能。
試驗(yàn)結(jié)果:試樣表面完好,無可見腐蝕現(xiàn)象;試驗(yàn)前后試樣重量基本沒有變化。
證明碳纖維復(fù)合芯在5%NaCl鹽霧氣氛下360h試樣無腐蝕。
3.3.2.3 導(dǎo)線及復(fù)合芯壓扁試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模簻y試ACCC/TW導(dǎo)線及碳纖維復(fù)合芯在一定的壓力負(fù)荷作用下?lián)p壞程度;分別比較ACCC/TW導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線和碳纖維復(fù)合芯與鋼芯的抗壓性能。
試驗(yàn)結(jié)果:在受控制的壓力負(fù)荷作用下有一定的變形,鋁絲部分變形較大,碳纖維復(fù)合芯變形較小。
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證明了ACCC/TW導(dǎo)體承受壓力而不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞的能力,這種壓力在ACCC/TW導(dǎo)線的正常處理、安裝或運(yùn)行中均可能遇到。
3.3.2.4 導(dǎo)線過滑輪試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證線路張力放線對(duì)ACCC/TW導(dǎo)線的影響,包括表面是否存在損傷,線股是否存在松股、起燈籠現(xiàn)象,以及鋁線強(qiáng)度是否有明顯變化等。
試驗(yàn)結(jié)果:ACCC/TW導(dǎo)線未見起燈籠現(xiàn)象,也未見明顯松股,但軟鋁線表面有擦痕;過滑輪后鋁單絲抗拉強(qiáng)度均在60~90MPa范圍內(nèi),鋁線強(qiáng)度沒有明顯的提高。
3.3.2.5 導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模涸u(píng)估線路的振動(dòng)疲勞性能。
試驗(yàn)結(jié)果:通過耐振疲勞試驗(yàn)。3根試樣分別經(jīng)過3x107次連續(xù)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)后,對(duì)懸垂線夾處的導(dǎo)線進(jìn)行拆股觀察,未見有任何開裂斷股現(xiàn)象。
3.3.2.6 導(dǎo)線的電暈及無線電干擾試驗(yàn)
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試驗(yàn)?zāi)康模簻y試ACCC/TW導(dǎo)線的電暈熄滅電壓和無線電干擾電壓;比較型線與圓線在電暈及無線電干擾的水平。
試驗(yàn)結(jié)果:復(fù)合芯梯形單線同芯層鋁導(dǎo)線ACCC/TW與鋼芯鋁絞線LGJ的可見電暈和無線電干擾電壓試驗(yàn)結(jié)果基本一致,鋼芯鋁絞線略優(yōu)于復(fù)合芯梯形單線同芯層鋁導(dǎo)線,兩者均滿足220kV輸電線路的運(yùn)行要求。
3.4 導(dǎo)線運(yùn)行調(diào)試試驗(yàn)
3.4.1 加負(fù)荷試驗(yàn)方式下現(xiàn)場的接線
為掌握實(shí)際運(yùn)行中的ACCC導(dǎo)線載流性能和弧垂特性,擬將電網(wǎng)按以下形式改接,臨時(shí)接入110kV湖塘變,試驗(yàn)結(jié)束后再斷開。預(yù)計(jì)最大負(fù)荷約15萬kW左右。
試驗(yàn)時(shí)間:冬季2006年 12月 20 日;
夏季2007年 8月15 日。
圖3.4.1 負(fù)荷試驗(yàn)方式下現(xiàn)場接線圖
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3.4.2 線路巡視復(fù)查
為保證調(diào)試成功,運(yùn)行單位線路工區(qū)組織一次特殊巡視,對(duì)110kV常白線主線段各處的導(dǎo)線、絕緣子、桿塔狀況、通道情況、交叉跨越情況等再做一次復(fù)查,及時(shí)消除不安全因素。為保證兩條線路搭接順利,線路工區(qū)負(fù)責(zé)對(duì)110kV常白線#1~#27~原#36段相位進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核,武進(jìn)供電公司負(fù)責(zé)對(duì)110kV滆湖線#22~湖塘變~滆湖變段相位進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核,確保線路接通時(shí)相位一致。
3.4.3 運(yùn)行方式調(diào)整過程
?、?、8:30 110kV常白7550線、滆湖7731線臨時(shí)搭通工作結(jié)束后,線路工區(qū)梁整民向調(diào)度匯報(bào):110kV常白7550線、滆湖7731線已臨時(shí)搭通,保證相位正確,線路可以送電。
⑵、拆除110kV常白7550線、滆湖7731線各側(cè)接地線。
⑶、常州變:常白線713開關(guān)轉(zhuǎn)為副母運(yùn)行。
⑷、調(diào)度通知測試現(xiàn)場指揮:110kV常白7550線準(zhǔn)備帶負(fù)荷。
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?、伞⒉闪庾儯河煞疾删€合環(huán)調(diào)常白線供電,芳采線712開關(guān)轉(zhuǎn)為熱備用(自投啟用)。
?、?、武調(diào):
① 工業(yè)園變:合環(huán)調(diào)常白線供電,遙工線轉(zhuǎn)為備用 (自投啟用)。
② 湖塘變:合環(huán)調(diào)滆湖線供電,武湖線轉(zhuǎn)為備用(自投啟用)。
?、恕⒄{(diào)度通知測試現(xiàn)場指揮:110kV常白7550線已帶全部負(fù)荷
?、獭y試工作結(jié)束后由現(xiàn)場指揮向調(diào)度匯報(bào):110kV常白7550線帶負(fù)荷測試工作結(jié)束,110kV常白7550線、滆湖7731線可以停電,拆開臨時(shí)搭頭線。
?、?、線路搭頭拆開后,調(diào)度恢復(fù)正常運(yùn)行方式。
3.4.4 現(xiàn)場測試工作
3.4.4.1 測試時(shí)間
冬季試驗(yàn):2006年 12月 20 日,上午9:00 ~ 下午16:00。
夏季試驗(yàn):2007年 8月15 日,上午9:00 ~ 下午16:00。
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3.4.4.2 現(xiàn)場測量內(nèi)容
選定代表性兩檔,按照不同時(shí)間段負(fù)荷和電流的變化情況,進(jìn)行ACCC/TW導(dǎo)線弧垂和溫度的跟蹤測量。
第1檔: #5~# 6,檔距289米;
第2檔: #9~#10;檔距195米。
測溫設(shè)備:紅外熱像儀。
測高設(shè)備:全站儀、激光測高儀。
另外,對(duì)以下附件相應(yīng)進(jìn)行測溫,以觀測附件的溫升變化:
A處:#5塔導(dǎo)線懸垂線夾;
B處:#10支接塔,主線ACCC耐張線夾、工業(yè)園側(cè)LGJ-300/25導(dǎo)線耐張線夾、采菱側(cè)LGJ-185導(dǎo)線耐張線夾;
C處:#1終端塔,電纜接線端子、LGJ-185導(dǎo)線。
3.4.4.3 相關(guān)測試記錄舉例
例:測量檔號(hào): #5 ~ #6。
(1)冬季試驗(yàn):測量檔距 289 米;環(huán)境氣溫:上午陰5℃,下午陰10℃。
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表3.4.4.3-1 冬季試驗(yàn)現(xiàn)場監(jiān)測記錄
(2)夏季試驗(yàn):測量檔距 289 米;環(huán)境氣溫:上午陰28℃,下午晴32℃。
表3.4.4.3-2 夏季試驗(yàn)現(xiàn)場監(jiān)測記錄
經(jīng)復(fù)核線路斷面,溫度變化下現(xiàn)有的各種交叉跨越設(shè)施均滿足安全限距的要求。
4 研究成果和效益
4.1 導(dǎo)線機(jī)械性能的研究
碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(ACCC),采用高性能碳纖維復(fù)合材料作為導(dǎo)線芯材來代替鋼芯,與鋼芯鋁絞線相比,在相同的外徑時(shí),復(fù)合芯鋁絞線允許纏繞超過20%的導(dǎo)電鋁線。機(jī)械性能上具有以下一些特點(diǎn)。
4.1.1 強(qiáng)度高
用碳纖維復(fù)合芯替代傳統(tǒng)的鋼芯,抗拉強(qiáng)度可達(dá)到2399MPa,是一般鋼絲(1240MPa)的1.9倍。
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抗拉強(qiáng)度的提高允許提高桿塔間的跨距,以降低工程成本。
4.1.2 線膨脹系數(shù)小,弧垂小
復(fù)合材料芯的線膨脹系數(shù)為1.6×10-6(1/℃)。鋼芯鋁絞線一般為20×10-6。
經(jīng)過熱膨脹試驗(yàn)(試樣長度50米),測試出ACCC/TW導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)α:
ü 拐點(diǎn)溫度(80℃左右)以下為13.0×10-6(1/℃);
ü 拐點(diǎn)溫度(80℃左右)以上為1.65×10-6(1/℃)。
由于復(fù)合芯的熱膨脹系數(shù)比外層軟鋁線的熱膨脹系數(shù)小的多,在一定的溫度(即拐點(diǎn)溫度)以上,導(dǎo)線的所有機(jī)械張力都將由碳纖維復(fù)合芯來承受,此溫度時(shí)鋁導(dǎo)體部分的應(yīng)力變?yōu)榱恪dX線由于熱膨脹伸長量很大,基本不承受拉力,整根導(dǎo)線的熱膨脹和彈性伸長取決于復(fù)合芯的熱膨脹和伸長率。所以整個(gè)導(dǎo)線的熱膨脹很小,線長變化很小,隨著溫度的上升,弧垂增加得很小。
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下圖是另一規(guī)格的ACCC/TW-Drake1020導(dǎo)線與直徑相近的LGJ-400/35導(dǎo)線進(jìn)行高溫弧垂─溫升比較試驗(yàn)的曲線圖(測試檔距50米)。
圖4.1.3 兩種絞線弧垂─溫升曲線比較圖
可以分析出,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,溫度從50℃上升到130℃,LGJ-400/35導(dǎo)線弧垂從190mm增加到620mm,提高了2.3倍;ACCC/TW-Drake導(dǎo)線弧垂從175mm增加到245mm,提高了0.4倍。ACCC/TW導(dǎo)線的弧垂變化量僅為常規(guī)鋼芯鋁絞線的1/6。溫度越往上升,ACCC/TW導(dǎo)線的弧垂變化量越小,基本不增加。
可見,碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與常規(guī)鋼芯鋁絞線相比具有顯著的低弧垂特性。能減少架空線走廊的交跨絕緣距離,提高運(yùn)行安全和可靠性。
4.1.3 重量輕
復(fù)合材料芯比重僅1.9/cm3,為傳統(tǒng)鋼芯的1/4。
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本次選擇的Linnet431型的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線,直徑18.29mm,與原LGJ-185鋼芯鋁絞線19.02mm接近,單位長度重量653kg/km,小于原LGJ-185導(dǎo)線774kg/km。但鋁面積達(dá)218mm2,與原LGJ-185導(dǎo)線(鋁面積182.4mm2)相比,單位鋁截面積對(duì)應(yīng)導(dǎo)線重量為常規(guī)鋼芯鋁絞線的70%。
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)。
4.1.4 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線單絲性能表
4.1.5 碳纖維合成芯導(dǎo)線參數(shù)表
4.1.6 ACCC/TW導(dǎo)線的應(yīng)力—應(yīng)變特性
根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變特性試驗(yàn)的結(jié)果,測試出:
l 導(dǎo)線的最終彈性模數(shù)平均值為66.3 GPa;
l 碳纖維復(fù)合芯的最終彈性模數(shù)平均值為113.3GPa
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繪制出導(dǎo)線應(yīng)力—應(yīng)變曲線見下圖。
圖4.1.6 ACCC/TW導(dǎo)線應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖
4.1.7 ACCC/TW導(dǎo)線的蠕變特性
蠕變?cè)囼?yàn)的結(jié)果,得出以下蠕變方程式:
繪制出蠕變曲線見下圖。
圖4.1.7 ACCC/TW導(dǎo)線蠕變曲線圖
對(duì)導(dǎo)線架設(shè)后的塑性伸長,仍可采用降溫法來補(bǔ)償??紤]補(bǔ)償初伸長的等效溫度用公式 Δt e = ε e /α 近似計(jì)算,降溫值為25~30℃。
4.2 導(dǎo)線耐熱性能的研究
ACCC/TW導(dǎo)線外層鋁導(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最大100℃。對(duì)碳纖維復(fù)合芯的耐熱性能檢驗(yàn),經(jīng)熱老化試驗(yàn),芯的耐熱性能如下表。
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表4.2.1 碳纖維復(fù)合芯熱老化試驗(yàn)值表
結(jié)果表明,碳纖維復(fù)合芯經(jīng)過不同加熱溫度和不同加熱時(shí)間后,恢復(fù)正常溫度后,芯仍能保持不小于90%計(jì)算拉斷力的拉力。
根據(jù)前述,整根ACCC導(dǎo)線高溫拉力試驗(yàn)的情況,ACCC導(dǎo)線在140℃高溫下,能夠保持不小于計(jì)算拉斷力的拉力。
表4.2.2 ACCC/TW導(dǎo)線高溫下拉力試驗(yàn)值表
經(jīng)分析,由于復(fù)合芯的熱膨脹系數(shù)比外層軟鋁線的熱膨脹系數(shù)小的多,在140℃高溫下,所有拉力都加載在復(fù)合芯上,所以高溫下導(dǎo)線的拉力與復(fù)合芯的拉力基本一致。
當(dāng)溫度達(dá)到160℃,ACCC導(dǎo)線高溫拉斷力下降為計(jì)算拉斷力的88%,隨著溫度的進(jìn)一步上升,拉斷力下降得較多,核算高溫運(yùn)行時(shí)的導(dǎo)線安全系數(shù)是十分必要的,最重要的是恢復(fù)常溫后仍能保持滿足要求的拉斷力,以確保氣象控制條件下導(dǎo)線的安全系數(shù)。
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4.3 導(dǎo)線載流特性的研究
4.3.1 載流截面分析
碳纖維復(fù)合芯采用合成碳纖維,全部都是非鐵磁性材料,而且不導(dǎo)電,所以不存在鋼絲材料引起的磁損和渦流損耗,在輸送相同負(fù)荷條件下,具有更低的運(yùn)行溫度,可減少輸電損失約6%。外層采用導(dǎo)電率不小于63%IACS的鋁線。
本此采用的 ACCC/TW-Linnet431型導(dǎo)線,外徑18.29mm,比原LGJ-185鋼芯鋁絞線19.02mm還小,鋁線絞制成梯型(如下圖剖面圖),增加了單位面積導(dǎo)電能力。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的鋁面積218mm2,原LGJ-185導(dǎo)線的182.4mm2,載流鋁截面前者比后者多20%,載流能力大大增加。
圖4.3.1 ACCC/TW- Linnet導(dǎo)線剖面圖
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。
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4.3.2 在無風(fēng)、無日照和自然對(duì)流條件下,實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)見下表。
表4.3.2 無風(fēng)、無日照和自然對(duì)流條件下載流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)
4.3.3.2. 環(huán)境條件Ⅱ(IEC 61597-1995推薦計(jì)算參數(shù)下)載流量計(jì)算值
基準(zhǔn)條件: 風(fēng)速 1.0 m/s
日照強(qiáng)度 900 W/m2
導(dǎo)體表面吸收系數(shù) 0.5
導(dǎo)體輻射系數(shù) 0.6
環(huán)境溫度 20~45 ℃ 請(qǐng)
導(dǎo)體工作溫度 70~150 ℃
表4.3.3.2 環(huán)境條件Ⅱ下ACCC/TW-Linnet431的載流量
4.3.4 線路輸送能力分析
根據(jù)前面的耐熱性能和載流特性的分析,本次應(yīng)用的ACCC-Linnet431導(dǎo)線,長期允許工作溫度宜控制在140℃,按夏季最高環(huán)境溫度40℃,最大允許工作電流宜控制在837A,隨季節(jié)變化,環(huán)境溫度的降低,可適當(dāng)提高最大允許工作電流,參考上表4.3.3.1。
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