碳纤维导线在煤矿业的实际应用

刘乐毅

（1.太原理工大学电力学院，太原 030024；2.华润煤业集团，太原 030006）

碳纤维导线在煤矿业的实际应用

刘乐毅1，2

（1.太原理工大学电力学院，太原 030024；2.华润煤业集团，太原 030006）

煤矿供电线路使用传统钢芯铝绞线时间造价低；而用碳纤维复合芯导线时的优点导电高、弧垂低、重量轻等，但是造价不菲。若其材料成本降低后，碳纤维复合芯导线在煤矿企业会有很大应用空间。

煤矿；碳纤维导线；实用分析

1 课题背景概况

1）长期以来，架空输电线路导线主要采用钢芯铝绞线及相关产品。20世纪90年代末，人们开始试用复合材料制作导线，改善导线的弧垂特性，并用软铝型线代替硬铝圆单丝，提高填充率及导电率，以达到提高线路输送容量的目的。碳纤维复合芯软铝绞线随之设计并制造出来。碳纤维复合芯软铝绞线的型号为JLRX/T（J-架空导线，LR-软铝，X-型线，T-碳纤维复合材料）。由于复合芯的强度足够高，不再需铝承担受力，导电的铝就可用退火状态的软铝，其导电率可超过63%IACS；软铝的截面设计成瓦型，大幅减小导线外径。

2）碳纤维复合芯导线的优越性能如下：a.导线的重量轻、强度高，在相同的运行应力时弧垂小。b.导线的线膨胀系数小，在最低温到最高温的运行温度范围内弛度小。c.导线的外径小，导线运行时的风偏及覆冰载荷小。d.导线的直流电阻和交流电阻小，线路运行时线损低。e.导线允许运行温度180℃，可大幅度增容。f.导线耐腐蚀，使用寿命长。g.导线表面紧凑、光滑，电晕损耗小。h.碳纤维复合芯导线的力学、热学、电学特性均优于传统导线，综合解决了架空输电领域多各项技术瓶颈，可广泛用于老线路增容改造、新线路建设、电站母线，并可用于大跨越、大落差、重冰区、高污染等特殊气候和地理场合的线路。因此，碳纤维导线具有明显经济价值和社会效益。

2 原相煤矿的实际应用分析

华润煤业集团太原华润煤业有限公司原相煤矿35 kV送电线路工程中，受客观因素影响（必须利用旧杆塔，旧杆塔导线容量不够，旧杆塔承载力不够，投资总数限制等因素），现对原相煤矿两回送电线路提出更换碳纤维导线的方案；并从旧有线路更换导线的方案说明、相关线路载流量、电压降、短路热稳定、杆塔荷载校验计算书等方面进行分析。

2.1 原相煤矿双回供电线路概况

原相煤矿35 kV变电站位于古交市原相乡，主供原相煤矿地面及井下生产用电。双电源一回由古交220 kV变电站出线，一回由邢家社220 kV变电站出线。古交220 kV变电站-原相35 kV变电站送电线路总长15.85 km，采用LGJ-240/30 mm2导线。邢家社220 kV变电站-原相35 kV变电站送电线路总长10.87 km，采用LGJ-240/30 mm2导线。然而施工工程中遇到新栽杆塔占地等问题：a.古交220 kV变电站现状周围已经被居民区包围，线路出线需跨越居民房，因占地及跨越问题经多方协商后仍无法解决，考虑利用原永树出线1号塔至合宝3号塔间现有的架空线路出线方案。利用合宝线路段为0.65 km。b.现原相矿基建10 kV线路为常安-原相线路和岭河-原相线路，旧线路为35 kV设计10 kV降压运行，为减少投资和缩短工期，建设单位提出在本次工程中充分利用已有线路段。本次工程中邢家社-原相线路利用常安-原相旧有线路3.4 km，古交-原相线路利用岭河-原相旧有线路3.8 km。c.因上述利用旧有线路段导线已运行多年，根据原杆塔承载力等因素分析，现考虑架设线路采用钢芯铝绞线更换为碳纤维导线。

2.2 输电线路基本情况：

1）古交-原相：总容量12 500 kVA，线路全长15.85 km。新建架空线路11.4 km，导线为LGJ-240/ 30；利用合宝线路径长度0.65 km，现状导线为LGJ-150/25；利用岭河-原相原有线路3.8 km，现状导线LGJ-120/25。更换导线段总长4.45 km。

2）邢家社-原相：总容量12 500 kVA，线路全长10.87 km。新建架空线路7.37 km，现状导线LGJ-240/30；利用常安-原相原有线路3.5 km，现状导线LGJ-120/25。更换导线段总长3.5 km。

2.3 计算内容

计算导线型号分别为LGJ-240/30、碳纤维导线JLRX/T150/30，参数均采用国家标准导线型号参数。

1）计算一：古交站/邢家社-原相煤矿单回35 kV送电线路载流量计算。

结论：LGJ-240/30长期允许载流量为655 A、JLRX/T150/30长期允许载流量为521 A，满足条件。

2）计算二：古交站/邢家社-原相煤矿单回35kV送电线路电压降计算。

a.古交-原相35 kV线路电压降计算：

已知负荷容量：S=12 500 kVA，功率因数：cosθ=0.9，线路长度：L=15.85 km，电压等级：U1=35 kV，经济电流密度：J1=0.9.

计算负荷电流：

有功功率：P=S·cosθ=1.125×104；

电压降计算

LGJ-240导线参数：

导线电阻：r0=0.131，导线感抗：x0=0.378，长度L0=11.4.

JLRX/T150/30导线参数：

导线电阻：r1=0.231，导线感抗：x1=0.4，长度L1= 4.45.

电压降为：

结论：电压降小于5%，满足要求。

b.邢家社-原相35 kV线路电压降计算：

已知负荷容量：S=12 500 kVA，功率因数：cosθ=0.9，电压等级：U1=35 kV.

计算负荷电流：

电压降计算

LGJ-240导线参数：

导线电阻：r0=0.131；导线感抗：x0=0.378；长度L0=7.37.

JLRX/T150/30导线参数：

导线电阻：r1=0.231；导线感抗：x1=0.4；长度L1= 3.5.

电压降为：

结论：电压降小于5%，满足要求。

3）计算三：按照短路热稳定校验导体的截面。

本线路为35 kV架空输电线路，无需做动稳定校验及电晕条件的校验，按短路热稳定校验导线的截面：

式中：S为导体的载流截面，mm2；Qd为短路电流的热效应，（A2·s）；C为与导体材料及发热温度有关的系数，查《电气工程电气设计手册—电气一次部分》表8-8短路前导体温度为+70℃时的热稳定系数C值，取87。

由于短路电流在导体和电器中引起的热效应Qd=Qz+Qf，其中Qz为短路电流周期分量引起的热效应，kA2·s；Qf为短路电流非周期分量引起的热效应，kA2·s；Izt为短路电流周期分量的有效值，kA；本次计算取Izt=16 kA，短路电流周期分量的有效值见本工程的可研接入报告，邢家社及古交站35 kV母线短路电流周期分量有效值分别为14.238 kA和15.575 kA，由于线路末端距离电源点（古交和邢家社站的35 kV母线）较远，短路电流周期分量有效值将更小，因此，本次校验统一采用16 kA。Izt/2为短路电流在t/2s周期分量的有效值（kA）；本次计算假设短路的周期分量不衰减，故Izt/2=Izt=I″=16 kA。T为短路持续时间；考虑保护反应时间及机构动作时限，本次计算取t=0.15 s，（一般持续时间0.1 s左右，为了保险起见，本次校验计算取值较大）。T为非周期分量等效时间；查《电气工程电气设计手册—电气一次部分》表4-21，可知T=0.05 s。计算短路电流周期分量引起的热效应：

Qz=〔（I″）2+10I2zt/2+I2zt〕×0.15/12=3.84×107（A2·s）.计算短路电流非周期分量引起的热效应：Qf=T（I″）2= 1.28×107（A2·s）.

因此，Qd=Qz+Qf=5.12×107（A2·s）.

结论：显然，经热稳定校验，导线截面只要大于82 mm2即可满足短路情况下的热稳定。本次选择导线最小型号为JLRX/T150/30，满足要求。

4）计算四：按导线单重和外径校验杆塔荷载。如表1和表2所示。

表1 JLRX/T碳纤维导线参数

表2 LGJ-120/25、LGJ-150/25、LGJ-240/30导线参数

5）更换导线费用估算，如表3所示。

表3 导线费用单价表

线路运行中杆塔主要受杆塔身风荷载、杆塔身垂直荷载和导线风荷载、垂直荷载。不更换杆塔情况下只需比较各导线风荷载和垂直荷载即可。线路档距和气象条件不变情况下，导线外径越大，风荷载越大；导线单重越重，垂直荷载越大。由上述表中数据看出：JLRX/T-150/30碳纤维导线外径比LGJ-120/25小，JLRX/T-150/30碳纤维导线单重比LGJ-120/25轻，所以在原杆塔架设的LGJ-120/25情况下更换JLRX/T-150/30碳纤维导线是可行的。

进行导线更换的线路共7.95 km，故需碳纤维导线费用49.29万元。再考虑更换导线的相关材料（比如：避雷线、光缆、重力锤、绝缘端子等）。更换JLRX/T-150/30，线材料费总共约190万元，施工费约50万元，合计费用约240万元。

3 结束语

目前，煤矿供电线路主要还是使用传统钢芯铝绞线，材料造价低，虽然碳纤维复合芯导线有其自身优点（导电高、弧垂低、重量轻、强度大、低线损、弛度小等），但是新型材料造价不菲。煤矿企业首先注重安全，然后就是成本和利润。所以新型材料目前在煤矿的应用仅限于特定情况，还没广泛应用。待新型材料成本降低后，碳纤维复合芯导线在煤矿等企业会有很大应用空间。

Application of Carbon Fiber Conductor in Coal Mining

LIU Leyi1，2
(1.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,
China；2.Taiyuan/Shanxi China Resources Coal Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China)

For power supply lines,while traditional aluminum cable steel reinforced(ACSR)has low cost of time,carbon fiber conductor is expensive.But the carbon fiber conductor has many advantages, including high conductivity,low sag,and light weight.With the cost reduction of materials,the carbon fiber conductor could have wide application in coal enterprises.

mine;carbon fiber conductor;practical analysis

TM752;TM244.2

A

1672-5050（2015）03-0083-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.029

（编辑：刘新光）

2015-01-28

刘乐毅（1982-），男，山西太原人，大学本科，工程师，从事煤矿机电自动化研究及应用。