低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在沿海臺(tái)風(fēng)地區(qū)的應(yīng)用分析

王紅梅，王 煦，周華敏

（1.上海國(guó)纜檢測(cè)中心有限公司，上海200093；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州510060）

0 引言

近年來(lái)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，給沿海地區(qū)的架空輸電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的事故［1-4］，給電網(wǎng)調(diào)度和搶修造成很大的壓力，因此提高電網(wǎng)的抗風(fēng)能力成為研究的熱點(diǎn)［5-9］。架空輸電線路中導(dǎo)線受到的風(fēng)壓約占整個(gè)輸電線路受到風(fēng)壓的50%～70%［10-12］，除了導(dǎo)線本身的強(qiáng)度要抵抗得住風(fēng)荷載的作用外，導(dǎo)線支撐物（桿塔）也必須承受得住導(dǎo)線傳遞的及其桿塔本身受到的風(fēng)荷載的聯(lián)合作用，導(dǎo)線的風(fēng)壓對(duì)桿塔基礎(chǔ)和塔身本體的強(qiáng)度有著重要的影響?；诮档蛯?dǎo)線風(fēng)壓的思路，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了各種研究，根據(jù)流體力學(xué)的原理并借鑒高爾夫球的表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在導(dǎo)線表面設(shè)置特定數(shù)量的溝槽使導(dǎo)線表面具有一定的粗糙度，從而改變導(dǎo)線周圍流體的流動(dòng)軌跡。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，此類特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的流體分離點(diǎn)滯后于普通結(jié)構(gòu)導(dǎo)線，導(dǎo)線背面的回流區(qū)域有所減小，對(duì)風(fēng)的阻力得以降低，此類特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)線稱之為低風(fēng)壓導(dǎo)線，其在高風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)阻系數(shù)小于普通結(jié)構(gòu)導(dǎo)線［13-15］。

絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是一種新型架空導(dǎo)線，其具有重量輕、強(qiáng)度大、馳度低，耐高溫、抗腐蝕、載流量大的優(yōu)點(diǎn)，在輸電線路上得到一定的應(yīng)用［16-21］。將低風(fēng)壓導(dǎo)線的設(shè)計(jì)思路應(yīng)用到絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線上，將發(fā)揮兩種導(dǎo)線的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于解決沿海臺(tái)風(fēng)地區(qū)的輸電線路安全并提高輸送容量具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 導(dǎo)線特點(diǎn)介紹

1.1 低阻力系數(shù)

低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，結(jié)構(gòu)如圖1所示。外層為特殊設(shè)計(jì)的梯形耐熱鋁合金線，內(nèi)層為圓形或普通梯形耐熱鋁合金線，加強(qiáng)芯為絞合型碳纖維復(fù)合芯。

圖1 低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線示意圖Fig.1 Sketch map for low-wind-pressure stranded carbon fiber composite core reinforced aluminum conductors

2013 年上海電纜研究所在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-2進(jìn)行了導(dǎo)線風(fēng)洞測(cè)試，實(shí)驗(yàn)選用試樣是直徑為33.4 mm的普通結(jié)構(gòu)導(dǎo)線和低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)線，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 個(gè)風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：普通結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)隨風(fēng)速的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在1.05左右；而低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)隨風(fēng)速增加呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)；當(dāng)風(fēng)速為34.00 m/s 和39.80 m/s 時(shí)低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的阻力系數(shù)較普通結(jié)構(gòu)導(dǎo)線分別降低23.8%和39.0%［22］。低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)線雖然在低風(fēng)速區(qū)域內(nèi)風(fēng)阻系數(shù)略高于普通結(jié)構(gòu)導(dǎo)線，但在高風(fēng)速區(qū)域內(nèi)具有顯著降低風(fēng)阻系數(shù)的作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線性回歸曲線圖推出低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)線在特定風(fēng)速下的風(fēng)阻系數(shù)如表1所示。

表1 等直徑下低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)線與普通結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)Table 1 Wind resistance coefficient of low-wind-pressure structure conductors and common structure conductors with equal diameter

物體在流體中的阻力系數(shù)與物體的形狀及其表面特性有關(guān)，與物體的內(nèi)在材料結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)［23］，形狀與表面特性相同的低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)也可按照表1中的數(shù)值進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算。

1.2 較小的風(fēng)偏角

強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，臨近地區(qū)架空導(dǎo)線的風(fēng)偏角直接決定了導(dǎo)線與周圍事物的間距。根據(jù)日本古河在宮古島的線路模擬試驗(yàn)，低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)線較相似規(guī)格的普通結(jié)構(gòu)導(dǎo)線具有較小的風(fēng)偏角，風(fēng)速在40 m/s 時(shí)低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的風(fēng)偏角為38°，而相似規(guī)格的普通結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的風(fēng)偏角為50°，故采用低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)線可以降低導(dǎo)線橫擺幅度［24］。

根據(jù)力學(xué)分析，導(dǎo)線的橫擺角度與導(dǎo)線的自重成反比，與風(fēng)壓荷載成正比。低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的自重約為等截面（具有相同的標(biāo)稱總截面積）和等直徑（具有相同的標(biāo)稱直徑）普通鋼芯鋁絞線的85%，高風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)壓荷載小于或者等于等截面和等直徑普通鋼芯鋁絞線的70%，綜合兩個(gè)主要因素進(jìn)行概算，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在高風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)偏角小于普通鋼芯鋁絞線。

1.3 較大的輸送容量

本設(shè)計(jì)載流部分采用耐熱鋁合金，其長(zhǎng)期運(yùn)行溫度最高可達(dá)150 ℃，輸送容量可提高約1.6～1.8倍。根據(jù)線路的實(shí)際需載流部分也可選用其它可高溫運(yùn)行的材料，如可選用長(zhǎng)期運(yùn)行溫度為210 ℃的超耐熱鋁合金、230 ℃的特耐熱鋁合金或者200 ℃的軟鋁［25-26］。無(wú)論使用以上哪種載流材料都會(huì)不同程度地提高線路的輸送容量，達(dá)到增容的目的。

1.4 低弧垂特性

由于低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的承力部分采用絞合型碳纖維，碳纖維材料線膨脹系數(shù)不大于2.0×10-6/℃。因芯棒和鋁之間的線膨脹系數(shù)差異較大，在線路運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)力轉(zhuǎn)移較快，導(dǎo)線發(fā)生遷移的溫度較低，遷移點(diǎn)之后導(dǎo)線弧垂的增長(zhǎng)速率主要與碳纖維復(fù)合芯的線膨脹系數(shù)有關(guān)，隨溫度升高增長(zhǎng)較小，因此低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有低弧垂的特性［27］。

1.5 較大的拉重比

因碳纖維材料具有強(qiáng)度大和密度小的特點(diǎn)。與等直徑鋼芯鋁絞線相比，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線整體的額定拉斷力約為1.5倍，單位長(zhǎng)度質(zhì)量相差不大；與等截面鋼芯鋁絞線相比，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線整體的額定拉斷力約為1.4倍，單位長(zhǎng)度質(zhì)量約為85%。故低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有較大的拉重比。

1.6 安全性好

與單根大線徑的復(fù)合芯棒相比，絞合型碳纖維復(fù)合芯棒具有更好的安全性，絞合型碳纖維復(fù)合芯棒柔韌性更好，如在生產(chǎn)、運(yùn)輸和架線等過(guò)程中的不當(dāng)操作引起的某根芯棒受到損傷，其它芯棒尚且完好，不會(huì)發(fā)生因?yàn)樾景羰軗p導(dǎo)致導(dǎo)線整體斷裂的事故［28］，一定程度上提高了線路的安全穩(wěn)定性。

2 方案比選

2.1 線路模型

以沿海地區(qū)典型的220 kV線路為例，額定輸送容量為305 MVA，功率因素為0.95，兩分裂的普通鋼芯鋁絞線，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線則設(shè)定為單分裂，氣象條件選用國(guó)標(biāo)第I 氣象區(qū)，具體如表2 所示。在線路設(shè)計(jì)中導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5［29］，為保證導(dǎo)線的長(zhǎng)期耐風(fēng)振動(dòng)能力，導(dǎo)線在平均運(yùn)行溫度下的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于4。

2.2 導(dǎo)線參數(shù)

以220 kV線路中常用的普通鋼芯鋁絞線JL/G1A-400/35-48/7為代表，按照與普通鋼芯鋁絞線等直徑和等截面的原則，分別設(shè)計(jì)了低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)1 和結(jié)構(gòu)2，碳纖維復(fù)合材料芯采用JF2B型，導(dǎo)線的具體參數(shù)詳見表3。

表2 設(shè)計(jì)氣象條件Table 2 Meteorological conditions for design

表3 低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與普通鋼芯鋁絞線的參數(shù)比對(duì)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可見，與普通鋼芯鋁絞線相比，等直徑低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有較小的

20 ℃時(shí)直流電阻，而等截面低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的20 ℃時(shí)直流電阻微微偏大；拉重比均明顯優(yōu)于普通鋼芯鋁絞線。

2.3 導(dǎo)線電氣性能

根據(jù)表3 中導(dǎo)線參數(shù)，采用國(guó)內(nèi)常用計(jì)算參數(shù)進(jìn)行上述3 種導(dǎo)線70 ℃和150 ℃時(shí)載流量的計(jì)算，結(jié)果如表4所示。計(jì)算采用參數(shù)如下：

風(fēng)速（直角風(fēng)） 0.5 m/s

日照強(qiáng)度 1 000 W/m2

導(dǎo)體表面吸收系數(shù) 0.9

導(dǎo)體輻射系數(shù) 0.9

由表4 可見，等直徑的低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在運(yùn)行溫度為70 ℃時(shí)的載流量略高于普通鋼芯鋁絞線，當(dāng)運(yùn)行溫度提升至150 ℃時(shí)，載流量提升1倍以上；等截面的低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在運(yùn)行溫度為70 ℃時(shí)的載流量較普通鋼芯鋁絞線略小；當(dāng)運(yùn)行溫度提升至150 ℃時(shí)，載流量可提升0.8 倍以上。

表4 3種導(dǎo)線載流量計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of carrying capacity of three kinds of conductors

2.4 導(dǎo)線機(jī)械性能

2.4.1 荷載特性

3 種導(dǎo)線的荷載特性分別按照《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》［30］進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算系采用表3中的導(dǎo)線參數(shù)和表2 中的大風(fēng)情況進(jìn)行計(jì)算，因南方沿海地區(qū)鮮有覆冰，此處不做覆冰荷載的計(jì)算。

由表5可知，與等直徑的鋼芯鋁絞線相比，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的垂直荷載和大風(fēng)時(shí)的線路荷載均無(wú)太大差別；而與等截面的鋼芯鋁絞線相比，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有較小的垂直荷載和大風(fēng)時(shí)線路荷載。

表5 三種導(dǎo)線的荷載特性Table 5 Load characteristics of three kinds of conductor

2.4.2 覆冰過(guò)載能力

沿海臺(tái)風(fēng)地區(qū)一般沒有覆冰情況。但為了給覆冰地區(qū)使用該導(dǎo)線的用戶一些參考性指標(biāo)，本文進(jìn)行了3種導(dǎo)線在檔距200 m～600 m 下的覆冰過(guò)載能力的計(jì)算，按照《GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》［29］中的規(guī)定，稀有覆冰時(shí)最低點(diǎn)張力為不應(yīng)超過(guò)70%瞬時(shí)破壞張力，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 三種導(dǎo)線的覆冰過(guò)載能力比照表Table 6 Ice overload capacity comparison table of three kinds of conductors

由表6 可見，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的覆冰過(guò)載能力均優(yōu)于普通鋼芯鋁絞線JL/G1A-400/35。與等直徑或等截面的鋼芯鋁絞線相比，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線可提高約3～9 mm的覆冰過(guò)載能力。

2.4.3 弧垂特性

根據(jù)表2 的氣象條件，導(dǎo)線在弧垂最低點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，平均運(yùn)行應(yīng)力不得超過(guò)拉斷應(yīng)力的25%，計(jì)算3種導(dǎo)線的弧垂特性，結(jié)果如表7所示。由表7 可見，采用絞合型復(fù)合材料芯的低風(fēng)壓導(dǎo)線弧垂特性顯著優(yōu)于鋼芯鋁絞線。以600 m 檔距為例，采用等直徑的低風(fēng)壓導(dǎo)線，可節(jié)約塔高5.02 m；若采用等截面的低風(fēng)壓導(dǎo)線，則可節(jié)約塔高6.13 m。

表7 三種導(dǎo)線的弧垂特性Table 7 Sag characteristics of three kinds of conductor

綜合表4 和表7 可見，在不增加塔高的情況下，采用單根低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線提高線路運(yùn)行溫度，可達(dá)到原來(lái)采用二分裂鋼芯鋁絞線同等的載流能力。

2.5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

經(jīng)濟(jì)性主要包括導(dǎo)線費(fèi)用、塔材和絕緣子串以及施工費(fèi)用、電能損耗。

根據(jù)某廠家提供的低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線價(jià)格，對(duì)比鋼芯鋁絞線價(jià)格如表8所示。

表8 三種導(dǎo)線價(jià)格比較Table 8 Price comparison of three kinds of conductors

由表8可見，對(duì)于單根導(dǎo)線，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的單位長(zhǎng)度價(jià)格超過(guò)鋼芯鋁絞線的2倍以上。但是由于采用耐熱鋁合金材料，低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的運(yùn)行溫度提高，載流能力比鋼芯鋁絞線提高1倍以上（見表4），故可采用單根低風(fēng)壓導(dǎo)線替代二分裂鋼芯鋁絞線，采用低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的線路中導(dǎo)線造價(jià)僅比采用鋼芯鋁絞線的線路造價(jià)提高約25%。

低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具的安裝方式與普通的碳纖維導(dǎo)線大致相同，僅需簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可安裝操作，且隨著近年來(lái)碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用的增加，越來(lái)越多的施工單位已經(jīng)完全掌握了碳纖維導(dǎo)線的安裝技能，架線效率引起的費(fèi)用有些許增加；但其良好的載流性能和弧垂特性，可以減少輸電線路的分裂數(shù)、降低鐵塔高度、減少桿塔數(shù)量和絕緣子串?dāng)?shù)量，由此節(jié)省的費(fèi)用遠(yuǎn)大于架線效率增加的費(fèi)用。

電能損耗由電阻損耗和電暈損耗組成，一般均只考慮電阻損耗。由于耐熱鋁合金通過(guò)提高導(dǎo)線的運(yùn)行溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)增容的目的，導(dǎo)線溫度的提高必然會(huì)使電阻增加，引起電能損耗的增加。三種導(dǎo)線的電阻特性對(duì)比如表9所示，與鋼芯鋁絞線相比，等直徑低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的20 ℃時(shí)直流電阻較小，導(dǎo)線運(yùn)行溫度提高到140 ℃時(shí)的交流電阻與鋼芯鋁絞線70 ℃的交流電阻相當(dāng)，從節(jié)能方面考慮等直徑的低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線較為理想。

表9 三種導(dǎo)線電阻比較Table 9 Resistance comparison of of three kinds of conductors

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上比較，在沿海地區(qū)使用等直徑的低風(fēng)壓絞合型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）低風(fēng)壓結(jié)構(gòu)降低了導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)，提高了導(dǎo)線的抗臺(tái)風(fēng)能力；

2）采用耐熱鋁合金型線導(dǎo)體，提高了導(dǎo)線的運(yùn)行溫度，使得單根導(dǎo)線的載流能力與鋼芯鋁絞線相比提升1倍以上，在線路改造時(shí)可減少導(dǎo)線分裂根數(shù)，工程綜合造價(jià)大幅度降低；

3）絞合型碳纖維復(fù)合材料芯顯著改善了導(dǎo)線的弧垂特性，從而減少桿塔等基建費(fèi)用。