低风压绞合型碳纤维复合芯导线在沿海台风地区的应用分析

2020-11-02王红梅周华敏

湖北电力 2020年3期

王红梅，王煦，周华敏

（1.上海国缆检测中心有限公司，上海200093；2.广东电网有限责任公司，广东广州510060）

0 引言

近年来强台风频发，给沿海地区的架空输电网带来严重的事故［1-4］，给电网调度和抢修造成很大的压力，因此提高电网的抗风能力成为研究的热点［5-9］。架空输电线路中导线受到的风压约占整个输电线路受到风压的50%～70%［10-12］，除了导线本身的强度要抵抗得住风荷载的作用外，导线支撑物（杆塔）也必须承受得住导线传递的及其杆塔本身受到的风荷载的联合作用，导线的风压对杆塔基础和塔身本体的强度有着重要的影响。基于降低导线风压的思路，国内外相关机构进行了各种研究，根据流体力学的原理并借鉴高尔夫球的表面结构特点，在导线表面设置特定数量的沟槽使导线表面具有一定的粗糙度，从而改变导线周围流体的流动轨迹。经过试验验证，此类特殊结构导线的流体分离点滞后于普通结构导线，导线背面的回流区域有所减小，对风的阻力得以降低，此类特殊结构导线称之为低风压导线，其在高风速区域的风阻系数小于普通结构导线［13-15］。

绞合型碳纤维复合芯导线是一种新型架空导线，其具有重量轻、强度大、驰度低，耐高温、抗腐蚀、载流量大的优点，在输电线路上得到一定的应用［16-21］。将低风压导线的设计思路应用到绞合型碳纤维复合芯导线上，将发挥两种导线的优点，对于解决沿海台风地区的输电线路安全并提高输送容量具有显著的经济效益。

1 导线特点介绍

1.1 低阻力系数

低风压绞合型碳纤维复合芯导线，结构如图1所示。外层为特殊设计的梯形耐热铝合金线，内层为圆形或普通梯形耐热铝合金线，加强芯为绞合型碳纤维复合芯。

图1 低风压绞合型碳纤维复合芯导线示意图Fig.1 Sketch map for low-wind-pressure stranded carbon fiber composite core reinforced aluminum conductors

2013 年上海电缆研究所在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-2进行了导线风洞测试，实验选用试样是直径为33.4 mm的普通结构导线和低风压结构导线，共取11.85 m/s、16.75 m/s、22.48 m/s、27.94 m/s、34.00 m/s 和39.80 m/s6 个风速。实验结果表明：普通结构导线的风阻系数随风速的增加呈现先下降后上升的趋势，最终稳定在1.05左右；而低风压结构导线的风阻系数随风速增加呈现单调下降的趋势；当风速为34.00 m/s 和39.80 m/s 时低风压结构导线的阻力系数较普通结构导线分别降低23.8%和39.0%［22］。低风压结构导线虽然在低风速区域内风阻系数略高于普通结构导线，但在高风速区域内具有显著降低风阻系数的作用。根据实验结果的线性回归曲线图推出低风压结构导线在特定风速下的风阻系数如表1所示。

表1 等直径下低风压结构导线与普通结构导线的风阻系数Table 1 Wind resistance coefficient of low-wind-pressure structure conductors and common structure conductors with equal diameter

物体在流体中的阻力系数与物体的形状及其表面特性有关，与物体的内在材料结构无关［23］，形状与表面特性相同的低风压绞合型碳纤维复合芯导线的风阻系数也可按照表1中的数值进行相关设计和计算。

1.2 较小的风偏角

强台风过境时，临近地区架空导线的风偏角直接决定了导线与周围事物的间距。根据日本古河在宫古岛的线路模拟试验，低风压结构导线较相似规格的普通结构导线具有较小的风偏角，风速在40 m/s 时低风压结构导线的风偏角为38°，而相似规格的普通结构导线的风偏角为50°，故采用低风压结构导线可以降低导线横摆幅度［24］。

根据力学分析，导线的横摆角度与导线的自重成反比，与风压荷载成正比。低风压绞合型碳纤维复合芯导线的自重约为等截面（具有相同的标称总截面积）和等直径（具有相同的标称直径）普通钢芯铝绞线的85%，高风速区域的风压荷载小于或者等于等截面和等直径普通钢芯铝绞线的70%，综合两个主要因素进行概算，低风压绞合型碳纤维复合芯导线在高风速区域的风偏角小于普通钢芯铝绞线。

1.3 较大的输送容量

本设计载流部分采用耐热铝合金，其长期运行温度最高可达150 ℃，输送容量可提高约1.6～1.8倍。根据线路的实际需载流部分也可选用其它可高温运行的材料，如可选用长期运行温度为210 ℃的超耐热铝合金、230 ℃的特耐热铝合金或者200 ℃的软铝［25-26］。无论使用以上哪种载流材料都会不同程度地提高线路的输送容量，达到增容的目的。

1.4 低弧垂特性

由于低风压绞合型碳纤维复合芯导线的承力部分采用绞合型碳纤维，碳纤维材料线膨胀系数不大于2.0×10-6/℃。因芯棒和铝之间的线膨胀系数差异较大，在线路运行过程中应力转移较快，导线发生迁移的温度较低，迁移点之后导线弧垂的增长速率主要与碳纤维复合芯的线膨胀系数有关，随温度升高增长较小，因此低风压绞合型碳纤维复合芯导线具有低弧垂的特性［27］。

1.5 较大的拉重比

因碳纤维材料具有强度大和密度小的特点。与等直径钢芯铝绞线相比，低风压绞合型碳纤维复合芯导线整体的额定拉断力约为1.5倍，单位长度质量相差不大；与等截面钢芯铝绞线相比，低风压绞合型碳纤维复合芯导线整体的额定拉断力约为1.4倍，单位长度质量约为85%。故低风压绞合型碳纤维复合芯导线具有较大的拉重比。

1.6 安全性好

与单根大线径的复合芯棒相比，绞合型碳纤维复合芯棒具有更好的安全性，绞合型碳纤维复合芯棒柔韧性更好，如在生产、运输和架线等过程中的不当操作引起的某根芯棒受到损伤，其它芯棒尚且完好，不会发生因为芯棒受损导致导线整体断裂的事故［28］，一定程度上提高了线路的安全稳定性。

2 方案比选

2.1 线路模型

以沿海地区典型的220 kV线路为例，额定输送容量为305 MVA，功率因素为0.95，两分裂的普通钢芯铝绞线，低风压绞合型碳纤维复合芯导线则设定为单分裂，气象条件选用国标第I 气象区，具体如表2 所示。在线路设计中导线弧垂最低点的设计安全系数不应小于2.5［29］，为保证导线的长期耐风振动能力，导线在平均运行温度下的设计安全系数不应小于4。

2.2 导线参数

以220 kV线路中常用的普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35-48/7为代表，按照与普通钢芯铝绞线等直径和等截面的原则，分别设计了低风压绞合型碳纤维复合芯导线结构1 和结构2，碳纤维复合材料芯采用JF2B型，导线的具体参数详见表3。

表2 设计气象条件Table 2 Meteorological conditions for design

表3 低风压绞合型碳纤维复合芯导线与普通钢芯铝绞线的参数比对Table 3 Comparison of parameters between low-wind-pressure stranded carbon fiber composite core reinforced aluminum conductors and aluminum conductors steel reinforced

由表3可见，与普通钢芯铝绞线相比，等直径低风压绞合型碳纤维复合芯导线具有较小的

20 ℃时直流电阻，而等截面低风压绞合型碳纤维复合芯导线的20 ℃时直流电阻微微偏大；拉重比均明显优于普通钢芯铝绞线。

2.3 导线电气性能

根据表3 中导线参数，采用国内常用计算参数进行上述3 种导线70 ℃和150 ℃时载流量的计算，结果如表4所示。计算采用参数如下：

风速（直角风） 0.5 m/s

日照强度 1 000 W/m2

导体表面吸收系数 0.9

导体辐射系数 0.9

由表4 可见，等直径的低风压绞合型碳纤维复合芯导线在运行温度为70 ℃时的载流量略高于普通钢芯铝绞线，当运行温度提升至150 ℃时，载流量提升1倍以上；等截面的低风压绞合型碳纤维复合芯导线在运行温度为70 ℃时的载流量较普通钢芯铝绞线略小；当运行温度提升至150 ℃时，载流量可提升0.8 倍以上。

表4 3种导线载流量计算结果Table 4 Calculation results of carrying capacity of three kinds of conductors

2.4 导线机械性能

2.4.1 荷载特性

3 种导线的荷载特性分别按照《电力工程高压送电线路设计手册》［30］进行计算，计算系采用表3中的导线参数和表2 中的大风情况进行计算，因南方沿海地区鲜有覆冰，此处不做覆冰荷载的计算。

由表5可知，与等直径的钢芯铝绞线相比，低风压绞合型碳纤维复合芯导线的垂直荷载和大风时的线路荷载均无太大差别；而与等截面的钢芯铝绞线相比，低风压绞合型碳纤维复合芯导线具有较小的垂直荷载和大风时线路荷载。

表5 三种导线的荷载特性Table 5 Load characteristics of three kinds of conductor

2.4.2 覆冰过载能力

沿海台风地区一般没有覆冰情况。但为了给覆冰地区使用该导线的用户一些参考性指标，本文进行了3种导线在档距200 m～600 m 下的覆冰过载能力的计算，按照《GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》［29］中的规定，稀有覆冰时最低点张力为不应超过70%瞬时破坏张力，计算结果如表6所示。

表6 三种导线的覆冰过载能力比照表Table 6 Ice overload capacity comparison table of three kinds of conductors

由表6 可见，低风压绞合型碳纤维复合芯导线的覆冰过载能力均优于普通钢芯铝绞线JL/G1A-400/35。与等直径或等截面的钢芯铝绞线相比，低风压绞合型碳纤维复合芯导线可提高约3～9 mm的覆冰过载能力。

2.4.3 弧垂特性

根据表2 的气象条件，导线在弧垂最低点的设计安全系数不应小于2.5，平均运行应力不得超过拉断应力的25%，计算3种导线的弧垂特性，结果如表7所示。由表7 可见，采用绞合型复合材料芯的低风压导线弧垂特性显著优于钢芯铝绞线。以600 m 档距为例，采用等直径的低风压导线，可节约塔高5.02 m；若采用等截面的低风压导线，则可节约塔高6.13 m。

表7 三种导线的弧垂特性Table 7 Sag characteristics of three kinds of conductor

综合表4 和表7 可见，在不增加塔高的情况下，采用单根低风压绞合型碳纤维复合芯导线提高线路运行温度，可达到原来采用二分裂钢芯铝绞线同等的载流能力。

2.5 经济性对比

经济性主要包括导线费用、塔材和绝缘子串以及施工费用、电能损耗。

根据某厂家提供的低风压绞合型碳纤维复合芯导线价格，对比钢芯铝绞线价格如表8所示。

表8 三种导线价格比较Table 8 Price comparison of three kinds of conductors

由表8可见，对于单根导线，低风压绞合型碳纤维复合芯导线的单位长度价格超过钢芯铝绞线的2倍以上。但是由于采用耐热铝合金材料，低风压绞合型碳纤维复合芯导线的运行温度提高，载流能力比钢芯铝绞线提高1倍以上（见表4），故可采用单根低风压导线替代二分裂钢芯铝绞线，采用低风压绞合型碳纤维复合芯导线的线路中导线造价仅比采用钢芯铝绞线的线路造价提高约25%。

低风压绞合型碳纤维复合芯导线配套金具的安装方式与普通的碳纤维导线大致相同，仅需简单的培训即可安装操作，且随着近年来碳纤维导线应用的增加，越来越多的施工单位已经完全掌握了碳纤维导线的安装技能，架线效率引起的费用有些许增加；但其良好的载流性能和弧垂特性，可以减少输电线路的分裂数、降低铁塔高度、减少杆塔数量和绝缘子串数量，由此节省的费用远大于架线效率增加的费用。

电能损耗由电阻损耗和电晕损耗组成，一般均只考虑电阻损耗。由于耐热铝合金通过提高导线的运行温度来实现增容的目的，导线温度的提高必然会使电阻增加，引起电能损耗的增加。三种导线的电阻特性对比如表9所示，与钢芯铝绞线相比，等直径低风压绞合型碳纤维复合芯导线的20 ℃时直流电阻较小，导线运行温度提高到140 ℃时的交流电阻与钢芯铝绞线70 ℃的交流电阻相当，从节能方面考虑等直径的低风压绞合型碳纤维复合芯导线较为理想。