绞合型碳纤维复合芯导线的弧垂特性分析计算

2023-11-11李冬王刚江召李凯蓝敏雪刘宏波潘一帆敖翔

云南电力技术 2023年5期

李冬，王刚，江召，李凯，蓝敏雪，刘宏波，潘一帆，敖翔

（中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，云南昆明 650051）

0 前言

绞合型碳纤维复合芯架空导线（Aluminum Conductor Multistrand Carbon Fiber Core ,英文缩写：ACMCC），是由碳纤维复合绞线（CFCC）与外面的铝单线组成，碳纤维复合绞线线股由碳纤维（丝）和基体树脂组成的，铝单线可以是圆形、梯形或者S/Z 型[1-2]，实物图、结构示意图如图1、图2 所示：

图1 绞合型碳纤维复合芯架空导线实物图

图2 绞合型碳纤维复合芯架空导线结构示意图

绞合型碳纤维复合绞线具有重量轻、柔软、耐腐蚀、非磁性、热膨胀系数小、抗拉强度大、弹性模量高、抗疲劳、弛度小、蠕变小等系列优点。用于增容改造工程时，采用CFCC 芯导线无需更换杆塔，建设周期最快，且避免了拆塔重建、征地清赔等繁杂事务，对周围环境影响较小[3-5]。

1 导线机械特性分析及张力弧垂计算

1.1 计算原理

碳纤维复合芯导线工作原理为导线运行时作用在铝线上的张力随温度的上升而减少，达到迁移点温度后，即拐点温度，导线所有的张力均转移到碳纤维芯上，此时导线的线膨胀系数即为碳纤维芯的线膨胀系数[6]。在拐点温度以下，碳纤维导线的弧垂和张力计算和普通导线一样。

1.2 拐点温度和张力的计算

碳纤维复合芯导线拐点温度计算方法，是基于常用的导线状态方程而来[7]。根据导线的弹性伸长和温度伸长并利用两种气象条件下档内原始线长（制造长度及不受拉力的长度）不变的原则塑性伸长及温度伸长并利用两种气象状态下档内原始线长（即不受拉力的长度）不变的原则，便可以利用状态方程式求出待求气象条件下的应力和温度。可得到悬挂点等高的导线状态方程如（1）所示[8]：

式中：σm、σ分别为已知和待求状态下的导线应力，N/mm2；gm、g分别为已知和待求状态下的导线比载，N/m·mm2；L为导线档距，对于连续档为耐张段的代表档距，m；E为导线的弹性系数，N/mm2；α为导线的温度膨胀系数，1/℃；tm，t为待求及初始的导线温度，℃。导线初始温度为t0，导线在无应力、初始温度t0下的原始线长为L。将它悬挂于档距为L，高差为h 的两悬挂点A、B 上，此时架空线具有气温t0、应力σ0、悬挂曲线长度L0。

单位长度伸长量可以按下式确定[9]：

一般导线的初始温度可取年平温度，令t0=t架线前=t年平，可以得到：

此时，整个导线、铝或铝合金线、碳纤维复合芯均只有弹性伸长，有：

式中：σa0、σc0分别为铝或铝合金、碳纤维复合芯的应力，N/mm2；Ea、Ec分别为铝或铝合金、碳纤维复合芯的弹性模量，MP。从σ0、t0状态到拐点温度之间，整个导线、铝或铝合金线、碳纤维复合芯各自的单位长度变化伸长量（弹性伸长及热膨胀伸长总和）应该是相同的。即ΔL=ΔLa=ΔLc，推到可以得到：

式中：σa、σc—分别为铝或铝合金、碳纤维复合芯的应力，N/mm2；αa、αc—分别为铝或铝合金、碳纤维复合芯的温度线膨胀系数，1/℃。根据拐点温度的定义可知，此时铝导体部分张力为零，导线应力全部由碳纤维复合芯来承担，则：

将式（4）代入式（6），得拐点时的应力温度方程：

把导线的应力σ代入。得到：

式中：tc为拐点温度，℃；TC为拐点张力，N；AC为碳纤维复合芯的截面积，mm2。将式（8）代入式（1），并利用初始（年平）状态和拐点温度状态导线单位垂直荷重相等，即Wc=Wa，解状态方程，可得导线拐点温度：

1.3 拐点温度以上张力弧垂的计算

求出导线拐点温度的状态（张力Ti、温度ti）后，以此作为已知状态，代入式（1）、（2）可求得拐点以上温度的导线张力和弧垂。此时，只有加强芯承受张力，故温度膨胀系数、弹性模量和截面积均取碳纤维复合芯对应数值αi、Ei和Ai。

2 绞合型碳纤维复合芯导线编程计算

根据本文公式，编程计算绞合型炭纤维复合芯导线，拐点温度、拐点温度后导线弧垂应力特性。绞合型碳纤维复合芯导线[10]，JLRX1/JFB 为佛冈鑫源恒业电力电缆科技有限公司生产的绞合碳纤维复合芯导线，JLRX/T、ACCC均为普通棒型碳纤维复合芯导线。

2.1 拐点温度计算

各种碳纤维复合芯导线拐点温度与档距关系曲线如图3 所示：

图3 碳纤维复合芯导线拐点温度与档距关系图

各种型式碳纤维复合芯导线拐点温度与碳铝比关系曲线如图4、图5、图6 所示，由图可以得出，碳纤维复合芯导线拐点温度与碳铝截面比成反比，即铝含量越高拐点温度越低。因此在采用碳纤维导线时，可考虑合适的碳铝比率，控制拐点温度在80℃附近，可更好利用其弧垂及倍增容特性。

图4 JLRX1/JFB型导线拐点温度与碳铝比关系图

图5 JLRX1/T型导线拐点温度与碳铝比关系图

图6 ACCC型导线拐点温度与碳铝比关系图

2.2 弧垂特性计算

经计算可看出，JLRX1/JFB 系列绞合碳纤维复合芯导线与JLRX/T、ACCC 普通碳纤维复合芯导线，具有相同的特点，在拐点温度以后应力全部由碳纤维复合芯承担，由于碳纤维热膨胀系数很小，因此弧垂特性较好。JLRX/T、ACCC 普通碳纤维复合芯等普通碳纤维导线，已有较多计算实列，本课题只针对佛冈鑫源恒业电缆科技有限公司生产的JLRX1/JFB 系列绞合碳纤维复合芯导线弧垂特性进行计算研究。

以JL/G1A-300/40 钢芯铝绞线与JLRX1/JFB-315/40 绞合碳纤维复合芯导线为例计算，在10 mm 冰区气象条件下温度、应力、弧垂曲线如图7 所示。以JL/G1A-400/50 钢芯铝绞线与JLRX1/JFB-400/40 绞合碳纤维复合芯导线为例计算，在10 mm 冰区气象条件下温度、应力、弧垂曲线如图4 所示。

图7 JL/G1A-300/40与JLRX1/JFB-315/40弧垂应力图

图8 JL/G1A-400/50与JLRX1/JFB-400/40弧垂应力图

由图7、8 可看出钢截面与碳纤维芯截面相当时，碳纤维导线由于其本身重量轻等特点，在拐点温度以下其弧垂特性略优于普通导线，在拐点温度以上弧垂基本不再增加，拥有较好的弧垂特性。

2.3 载流量比较

根据各导线的物理参数和线路载流量计算原理，可算出各导线在70 ℃～150 ℃时的载流量，其中普通钢芯铝绞线和铝包钢芯铝绞线最高运行温度为90 ℃，碳纤维复合芯绞线最高计算运行温度为180 ℃。导线载流量仅和导线铝截面和运行温度有关，由于绞合碳纤维复合芯导线最高计算运行温度为180℃，且在拐点温度以后弧垂不再增加，可满足已有线路增加载流量需求。