碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線全系列節(jié)能配套金具的研制和應(yīng)用

1、碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線全系列節(jié)能配套金具的研制和應(yīng)用周傳讓1 仝 偉2 仝 娜2 宋寧寧2 邵長(zhǎng)輝2 龔欣明3 嚴(yán)行建4（1、徐州電力設(shè)計(jì)院 江蘇徐州 221002 2、江蘇宇飛電力科技有限公司 江蘇宿遷223800 3、遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù)有限公司 江蘇宜興214257 4、江蘇省電機(jī)工程學(xué)會(huì) 江蘇南京210024 ）Carbon fiber composite core wire with a full range of energy saving supporting the development and application of goldZhouchuan-rang 1,Tongwei 2,T

2、ongna 2SONGNing-ning 2,SHAOChang-hui 2,Gongxin-ming 3,YAN Xing-jian4（1. Xuzhou Power Design Institute；Xuzhou 221002,China; 2.Jiangsu Yufei Power Technology Co.,Ltd. Suqian 223800,China ；3、Far East Composite Techonlogy Co.,Ltd.Yixing 214257,China; 4.Jiangsu Society for Electrical Engineering,Nanjing

3、210024,ChinaAbstract :Carbon fiber composite core conductor for the energy-saving features, in order to further reduce the transmission line power loss, combined with recent years, the operation of transmission lines, the development of carbon fiber composite core wire with a series of energy-saving

4、 package payment. If non-magnetic (low magnetic of the wedge-shaped tension clamp, connecting pipe, drape clip and composite spacers, dampers and other energy-saving anti-skid, If a large number of application of these energy efficient fittings, will greatly reduce the line loss transmission line, h

5、as good economic and social benefits.Key word:Aluminum Conductor Composite Core; All Series; Energy Saving Hardware; Research; application摘要：針對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的節(jié)能特性，為了進(jìn)一步降低輸電線路的電能損耗，結(jié)合近幾年輸電線路的運(yùn)行情況，研制了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線系列節(jié)能配套金具。如無(wú)磁（低磁）的楔型耐張線夾、接續(xù)管、復(fù)合材料懸垂線夾和間隔棒、防滑節(jié)能防振錘等，如大量應(yīng)用這些高效節(jié)能金具，將大大降低輸電線路的線損，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)

6、合芯導(dǎo)線；全系列；節(jié)能金具；研發(fā)；應(yīng)用。近年來(lái)，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在國(guó)內(nèi)外大量工程中采用，國(guó)內(nèi)近80多個(gè)改造增容工程成功采用該導(dǎo)線，顯示出其優(yōu)越性，“從降低成本、降低線損、提高輸電容量、節(jié)省通道資源等方面，都有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)能型輸電網(wǎng)絡(luò)，具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，其配套電力金具同樣具有良好的前景1”。若全部采用節(jié)能金具，將更加凸顯碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)。1碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線系列配套金具產(chǎn)品基本情況由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線其結(jié)構(gòu)特殊性，傳統(tǒng)使用的四分裂、雙分裂間隔棒、耐張線夾和接續(xù)管不能滿足其使用要求。國(guó)內(nèi)外采用一種利用楔形自鎖原理耐張線夾和接續(xù)管，其結(jié)構(gòu)是將常規(guī)壓接鋼管改為楔形自鎖

7、式新型耐張線夾和接續(xù)管。目前四分裂、雙分裂間隔棒及高效節(jié)能型金具等未見(jiàn)使用的報(bào)導(dǎo)。1.1國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)情況1）正在使用的耐張線夾和接續(xù)管兩種金具基本結(jié)構(gòu)形式。國(guó)外的美國(guó)CTC 公司、FCI公司、日本東北電力公司均有類(lèi)似產(chǎn)品，耐張線夾和接續(xù)管兩種產(chǎn)品其結(jié)構(gòu)基本類(lèi)似，均由線夾本體、套管和楔形自鎖結(jié)構(gòu)3部分組成，而導(dǎo)線握力主要靠楔形自鎖結(jié)構(gòu)的正壓力產(chǎn)生摩擦力而達(dá)到握力要求。其缺點(diǎn)：長(zhǎng)度長(zhǎng)、施工不方便、節(jié)能效果差。1.2先進(jìn)低能耗耐張線夾和接續(xù)管兩種金具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與工藝的創(chuàng)新2針對(duì)國(guó)內(nèi)外使用耐張線夾和接續(xù)管兩種金具存在問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用新型工藝，取得較好的節(jié)能效果。1）螺紋形式改變：將

8、原耐張線夾鋼錨與楔形夾外螺紋連接，接續(xù)管調(diào)節(jié)器與楔形夾的外螺紋連接，全部改為內(nèi)螺紋連接（見(jiàn)圖1、圖2）。2）長(zhǎng)度改進(jìn)：通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，將鋁管有效壓接長(zhǎng)度大大縮短，有效壓接長(zhǎng)度僅為美國(guó)和國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品1/3，而電氣性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，接續(xù)管在施工時(shí)，過(guò)滑車(chē)方便，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。3）通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)，改進(jìn)后的楔形夾錐度、長(zhǎng)度和內(nèi)套開(kāi)口間隙尺寸均小于美國(guó)及國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品，但握緊力及強(qiáng)度均大于美國(guó)和國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品。4）取消雙向調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)便可靠的鎖緊塞鎖定楔形握緊力，握緊力可靠、施工便捷。5）為了增大碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與楔形內(nèi)套之間的摩擦因數(shù)，采用一種固熔植膜新工藝，即在內(nèi)套、內(nèi)孔表層，在一定工藝溫度

9、下，固熔一種耐高溫、耐磨擦，摩擦因數(shù)大的植膜，效果十分理想，這是改進(jìn)后產(chǎn)品獨(dú)特的創(chuàng)新生產(chǎn)工藝。改進(jìn)后的耐張線夾和接續(xù)管，徹底改變了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線原來(lái)的施工工藝，在國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)工程中應(yīng)用，施工極為方便、快捷、簡(jiǎn)單。6）耐張線夾和接續(xù)管鋼制件，采用無(wú)磁（低磁）不銹鋼材料制造，達(dá)到降低電能損耗的目的。2研制和應(yīng)用高效節(jié)能金具碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線最大優(yōu)點(diǎn)：輸送容量成倍增大、弧垂極小變化、線損大幅度降低，與之相匹配，研制和應(yīng)用高效節(jié)能金具將是未來(lái)架空輸電線路用電力金具的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)電力金具節(jié)能的三種方法：一是采用鋁和鋁合金；二是采用低磁鋼；三是采用切斷磁場(chǎng)辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)減小電能損失，共同弱點(diǎn)：其能耗和成本太高，

10、后二者沒(méi)有實(shí)際運(yùn)行。2.1國(guó)內(nèi)研發(fā)復(fù)合材料節(jié)能金具的進(jìn)展情況 中國(guó)電力科學(xué)研究院、國(guó)網(wǎng)南京電力金具設(shè)計(jì)研究院和江蘇宇飛電力科技有限公司共同合作研制成功一種取名為PA-G-F -200型改性復(fù)合材料，其特點(diǎn)：采用了新型的非金屬、非導(dǎo)磁、高強(qiáng)度、高分子的復(fù)合輕質(zhì)材料，其材料新穎、節(jié)能降耗、重量輕便、穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、抗老化時(shí)間長(zhǎng)，耐高溫、耐磨損，耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)，節(jié)能環(huán)保效果顯著。CG F -4T（CG F -5X ）已在220kV 和110kV 掛網(wǎng)試運(yùn)行。利用PA-G-F -200改性復(fù)合材料成功研發(fā)的主要系列產(chǎn)品：（1）高節(jié)能系列懸垂線夾（見(jiàn)圖3） （2） 高分子輕質(zhì)系列間隔棒（四分裂

11、見(jiàn)圖4，雙分裂見(jiàn)圖5） 以上 復(fù)合材料節(jié)能金具均為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了 國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到 了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)際先進(jìn) 水平 。2.2防振器微風(fēng)振動(dòng)是碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線振動(dòng) 的主要形式， 也是經(jīng)常出 現(xiàn)的最有害振動(dòng)，給運(yùn)行 單位帶來(lái)很大維護(hù)困難和經(jīng)濟(jì)損失。由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線比鋼芯鋁絞線的質(zhì)量輕，在微風(fēng)低頻振環(huán)境中，必須采取更有效的節(jié)能型金具。 2. 2. 1 F DJ 型防振錘F DJ 型防振錘是由一種應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的F 型防振錘，結(jié)構(gòu)如圖6所示。它由2和線夾組成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。其典型頻率曲線如圖7所示。2. 2. 2 F DZJ 型防振錘F DZJ 型防振錘是澳大利亞狗骨頭型扭轉(zhuǎn)防振錘（D

12、ogbone 獎(jiǎng)懲D F 防振錘）改進(jìn)型，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有像狗骨頭似大小連在一起的2個(gè)錘頭，錘頭采用無(wú)磁（低磁）鋼或鋅合金材料制造。錘頭和錘頭之間轉(zhuǎn)30°、60°、90°而產(chǎn)生扭矩。這種防振錘有較多的共振率和較寬的頻帶，其頻率曲線如圖9所示。2. 2. 3 F R 型防振錘吸取意大利4R 型防振錘的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型的F R 型防振錘，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。這種型式防振錘的優(yōu)點(diǎn)為：（1）2個(gè)錘頭質(zhì)量不等，鋼吊索兩側(cè)長(zhǎng)度不等，可獲得4個(gè)諧振頻率；（2）錘頭中間開(kāi)槽，呈音義式，鋼吊索與錘頭連接處外露，可以觀察鋼吊索疲勞損壞情況，又可不限制錘頭甩動(dòng)；（3

13、）錘頭和線夾外形呈流線型，沒(méi)有棱角，美觀大方、新穎。其典型頻率曲線如圖10所示。 2. 2. 4 Y F R 型防振錘4 Y F R 型防振錘又稱預(yù)絞絲防振錘。這種防振錘是經(jīng)過(guò)詳細(xì)了解、分析和研究了國(guó)內(nèi)外各種防振錘、防振器及一些防舞動(dòng)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)后，結(jié)合碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的特性而新設(shè)計(jì)的一種防振錘。它借用了國(guó)外Duimison 設(shè)計(jì)的ES 型防振錘線夾部分和F R 型錘頭部分，兩者有機(jī)結(jié)合在一起。其結(jié)構(gòu)如圖11，錘頭部分與F R 型完全相似，具有F R 的優(yōu)越性能，其線夾部分采用鋁合金鑄造。與碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線相接觸部位用橡膠鑲嵌，與碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線用預(yù)絞絲固定而成。顯而易見(jiàn)，這種防振錘不僅具有優(yōu)

14、異的功能，還消除了用螺栓固定的過(guò)松、過(guò)緊的狀態(tài)，同時(shí)能防止振動(dòng)波節(jié)在固定線夾的死點(diǎn)，還能增加碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線自身的阻尼性能，安裝也方便。這是應(yīng)用于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線一種最好的防振錘。振裝置，錘頭、線夾結(jié)構(gòu)雖各異，但共同優(yōu)點(diǎn)是防振性能好，節(jié)能效果優(yōu)，全部采用防滑結(jié)構(gòu)，是國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的防振裝置。2.3間隔棒阻尼元件研制由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的輸電容量大幅增加，能夠傳輸普通鋼芯鋁絞線的兩倍電流，正常運(yùn)行時(shí)，平均容量增加72. 275。普通間隔棒機(jī)械性能和電氣性能不僅不能滿足設(shè)計(jì)、運(yùn)行的要求，而且造成橡膠墊中炭粒增加而導(dǎo)致漏電升級(jí)，電能大量損耗6。必須進(jìn)行重新研制和開(kāi)發(fā)一種新型間隔棒來(lái)滿足碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在

15、分裂時(shí)機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能要求。2. 3. 1機(jī)械性能間隔棒是分裂導(dǎo)線必不可少的金具，間隔棒的任務(wù)是：阻止子導(dǎo)線之間的鞭擊；抑制微風(fēng)振動(dòng)；抑制次檔距振蕩。a 、輸電線路耐短路電流和機(jī)械強(qiáng)度 間隔棒在輸電線路短路情況下，導(dǎo)線對(duì)間隔棒的作用力使間隔棒受壓，這是間隔棒要經(jīng)受的主要機(jī)械載荷，即向心力。線路的短路向心力的計(jì)算，應(yīng)用馬努 佐（C. Ma nu-z io ）公式5d'log 10n 2105Pmax 3××=(1 式中Pmax 一根子導(dǎo)線的最大向心力(N，即按系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間短路情況，再乘上一個(gè)2. 3的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)；Icc 導(dǎo)線束全電流的均方根植，A ； n 按圓周均勻

16、分布的子導(dǎo)線根數(shù)； H 一根子導(dǎo)線的張力，N；s 子導(dǎo)線分布所在圓周的圓直徑，m； ' d 等價(jià)的子導(dǎo)線直徑（m）；n180sindd' o =d子導(dǎo)線直徑，m?；虬磭?guó)內(nèi)間隔棒的向心力計(jì)算7。由于在傳輸電壓相等情況下，輸送功率和容量大幅增加，輸送電流將更大1，從公式(1 可知：短路情況下，間隔棒承受到向心力將更大，一般間隔棒是難以承受的（具體計(jì)算略）。 2. 3. 2 電氣性能1）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線間隔棒橡膠墊的電阻理論 由于輸送容量電流大幅增加，輸電系統(tǒng)和間隔自身電氣性能將發(fā)生變化。間隔棒橡膠墊必須重新研制開(kāi)發(fā)。這是因?yàn)殚g隔棒的橡膠墊要具有半導(dǎo)電特性，即有一定的導(dǎo)電性，但電阻不

17、能過(guò)低，這是因?yàn)閷?dǎo)線之間的不平衡電壓作用橡膠元件發(fā)熱損壞等6，其理由是：1要求間隔棒與導(dǎo)線之間的電位差應(yīng)超過(guò)300伏。這樣，在線爪中，間隔棒和導(dǎo)線間或關(guān)節(jié)內(nèi)外產(chǎn)生火花，危及線路安全、產(chǎn)生電能損耗。2不導(dǎo)電的橡膠墊將導(dǎo)致沿其表面的漏電，各根子導(dǎo)線間的任何不平衡電壓將在有污穢的橡膠表面形成電流，在這種放電中產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致炭粒增加而造成漏電升級(jí)。3在一定的環(huán)境條件下，導(dǎo)線不受損傷，橡膠墊無(wú)明顯的損壞。其環(huán)境條件包括：某一相數(shù)根子導(dǎo)線中的一根非有意接地（例如與樹(shù)枝相配），使電流流過(guò)間隔棒的阻尼元件；雷電的沖擊閃絡(luò)；由于同相子導(dǎo)線的布置不對(duì)稱，其阻抗各不相同，受相鄰引起的感應(yīng)也不同，所以在子導(dǎo)線之間有

18、一種不大的穩(wěn)態(tài)不平衡電壓；裝置的對(duì)地電容，使阻尼間隔棒的橡膠墊上的總有持續(xù)的泄漏電流?？芍?，橡膠墊要忍受三種不平衡電壓，這要求電阻不能過(guò)低。又要耐受長(zhǎng)期的電容電流，這要求電阻不能過(guò)高。逐項(xiàng)計(jì)算如下：2）按不平衡電壓驗(yàn)算電阻：根據(jù)3列舉的三種產(chǎn)生不平衡電壓的原因，舉例計(jì)算略。a 、四根子導(dǎo)線中的一根非有意接地 b 、雷電沖擊閃絡(luò)兩種情況（雷擊桿頂和雷擊避雷線）c 、按電容電流驗(yàn)算橡膠墊電阻及發(fā)熱量。 模擬以上的論述和計(jì)算，仍以碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線JR L X /T218/28; JR L X /361/41；JR L X /517/71三種型號(hào)的導(dǎo)線，在正常運(yùn)行時(shí)，平均增容量為72. 27時(shí)，計(jì)算平均電阻約為1243. 03 k ，約增大27. 36，此數(shù)肯定有誤差，應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證為準(zhǔn)。3技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益以上所述節(jié)能型系列金具若能在全國(guó)大范圍內(nèi)使用，不僅為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的廣泛應(yīng)用、節(jié)約工程成本作出了貢獻(xiàn)，還將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。3.1先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)良效果碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線全系列節(jié)能配套金具在國(guó)內(nèi)數(shù)十個(gè)工程應(yīng)用中證明：該技術(shù)