碳纤维复合芯导线安全系数的取值与隔热措施

碳纤维复合芯导线安全系数的取值与隔热措施

金晓唐1王茂成2金丽勇3张铭刚2柴晶4魏

（1.山东大学电气工程学院山东济南250061；2.国网山东省电力公司烟台供电公司山东烟台264000；3.国网山东省电力公司淄博供电公司东淄博264000；4.烟台鑫丰源电站设备有限公司山东烟台264000；5.国网山东省电力公司福山区供电公司山东福山265599；6.合肥工业大学电气与自动化工程学院安徽合肥230002）

摘要：为了确保碳纤维复合芯导线在线路增容改造后的安全可靠运行，本文通过计算比较了多种碳纤维复合芯导线在分别接近LGJ-240/30型钢芯铝绞线最大设计张力和最高气温弧垂情况下的安全系数和弧垂，根据档距中央导线和地线安全距离的规程要求，碳纤维复合芯导线的设计弧垂应与原导线弧垂基本一致，相对应的安全系数在3.0以上；为了确保复合绝缘子芯棒的机械性能，在导线和复合绝缘子之间应加装1片防污瓷绝缘子。

关键词：碳纤维复合芯导线；安全系数；最大设计张力；弧垂；瓷绝缘子；隔热

0背景

碳纤维复合芯导线已在全国各地35～500kV输电线路改造中试应用；碳纤维复合芯导线的弧垂因重量轻而小于原有导线设计弧垂，完全适合于原有线路增容改造[1-6]。

在线路增容改造过程中，为了不超出原杆塔设计条件，应合理确定碳纤维复合芯导线的安全系数，但将导致碳纤维复合芯导线在大档距情况下的弧垂可能大于原有导线设计弧垂，或在小档距情况下的弧垂可能小于原有导线设计弧垂，这样需要重新校验沿线每处交叉跨越点的电气安全距离，并校核档距中央导线和地线安全距离是否满足“0.012L+1m”的规程要求。

迄今，国内已经应用碳纤维复合芯导线的线路中，绝缘子大多采用免清扫的防污闪复合绝缘子或瓷复合绝缘子，并且应用时间较短，线路输送的负荷未达到最大设计负荷，高温对复合绝缘子或瓷复合绝缘子潜在的风险尚未暴露出来。进一步排查可能存在的安全隐患，加大工程设计深度，确保电网的安全运行，具有重要的现实意义。

1碳纤维复合芯导线与普通钢芯铝绞线的技术比较

已运行20多年的110～220kV线路中，GB1179-83标准的LGJ-240/30、LGJ-300/40、LGJ-400/35型钢芯铝绞线或铝包钢芯铝绞线占大多数，下面就以240/30型钢芯铝绞线（GB1179-83）和对应的三家碳纤维复合芯导线作技术比较，钢芯铝绞线和碳纤维复合芯导线的主要技术参数（2015年以前的数据）[7]如表1。

表1：LGJ-240/30型钢芯铝绞线和碳纤维复合芯导线的主要技术参数

烟台地区线路工程气象条件参数组合如表2。

表2烟台地区线路工程典型气象条件组合

经百合《送电线路电气设计系统》V2016.4750软件程序计算，LGJ-240/30型钢芯铝绞线弧垂和对应的碳纤维复合芯导线弧垂如表3；国家电网公司技术规范中的碳纤维复合芯导线无导体温度80℃以内的线膨胀系数和弹性模量数据，不在本设计范围。表3中，n系指LGJ-240/30型导线的安全系数，n1系指碳纤维复合芯导线的最大设计张力接近LGJ-240/30型钢芯铝绞线最大设计张力时或设计规范规定的最小的安全系数，n2系指碳纤维复合芯导线最高气温弧垂接近LGJ-240/30型钢芯铝绞线最高气温弧垂时的安全系数。

表3：LGJ-240/30型钢芯铝绞线和对应的碳纤维复合芯导线弧垂表（最高设计气温40℃）

由表3，JRLX/T-240/30型导线弧垂在抗拉强度2100MPa、导线安全系数为2.5和导线温度80℃以内以及档距为200～400m的条件下，比LGJ-240/30型导线弧垂小0.87～2.34m，由此，可能导致档距中央导线和地线安全距离不满足0.012L+1m的规程要求。因此，放大JRLX/T-240/30型导线的安全系数，使其与LGJ-240/30型导线弧垂基本一致，确保档距中央导线和地线安全距离。

由表3，JRLX/T-240/30型导线弧垂在导线最大设计张力条件下和温度80℃以上时，档距为200m时大于LGJ-240/30型导线弧垂0.6～0.8m，档距为300m时大于LGJ-240/30型导线弧垂0.2～0.5m，档距为300m时小于LGJ-240/30型导线弧垂0.5～1.0m。这样导致档距中央导线和地线安全距离难以匹配。

由表3，抗拉强度相同的碳纤维复合芯导线在导体温度80℃以内和80℃以上两种条件下因线膨胀系数和弹性模量变化巨大而会产生两个安全系数；如果采用80℃以上条件下的安全系数作为80℃以内条件下的安全系数，弧垂将无法满足交叉跨越距离。因此，线路设计中应采用80℃以内条件下的安全系数，确保沿线每处交叉跨越点的电气安全距离；为此，国家电网公司技术规范中应补充80℃以内条件下的线膨胀系数和弹性模量。

2碳纤维复合芯导线和复合绝缘子芯棒的工作温度

碳纤维复合芯导线在80～160℃高温运行情况下，将直接影响芯棒、硅橡胶材料和金属附件连接区的压接强度性能，严重时会发生掉串事故[8-10]。据调查，目前全国各地已经运行的应用碳纤维复合芯导线的线路负荷未达到最大设计负荷，安全隐患尚未体现出来。碳纤维复合芯导线属于试应用阶段，目前国家有关技术部门尚没有出台碳纤维复合芯导线在输电线路设计方面的设计规程或设计规范。

复合绝缘子采用的金具材料通常是外表面镀有热镀锌层的碳素铸钢或碳素结构钢，铸钢的热导率约为50W/（m•K），锌的热导率为155W/（m•K），因此计算中取肋片的导热系数λ为50W/（m•K）。根据文献[6-7]，空气自然对流换热h为（1－10）W/（m2•K），取最大换热系数h为10W/（m2•K），计算结果如下：

IEC61597-1995推荐的计算参数中，环境气温为40℃，故取环境温度t∞为40℃，可得：

综上，当导线温度70℃时，在环境温度40℃条件下，由于导线发热导致高压端复合绝缘子芯棒端部温升为20.5℃，芯棒端部温度即为60.5℃[9]。对处于较高温度环境中硅橡胶和芯棒的温度测量结果可知，硅橡胶温度将比环境温度高，从而使芯棒的温度升高，加上导线温度传到芯棒这个因素，芯棒端部的温度更高，直至接近导线的运行温度。因此，高压端复合绝缘子芯棒在实际运行中将达到很高的温度，有必要进一步研究温度对芯棒机械性能的影响。复合绝缘子高压端芯棒端部温度的计算结果如表3：

表3：导体温度和复合绝缘子高压端芯棒端部温度

试验表明，复合绝缘子玻璃纤维芯棒的工作（转变）温度大致为80～120℃[8]，当导体温度达到100℃左右，复合绝缘子的机械强度将会下降；因此，在导线和复合绝缘子之间应加装1～2片防污瓷（玻璃）绝缘子进行隔热。

2017年9月22日，烟台鑫丰源电站设备有限公司热处理工程师邹洪英开创性地进行了单片防污瓷绝缘子的隔热性能试验，当时气温27℃，对高压端的瓷绝缘子球头加热至80℃、100℃和180℃并分别保温两个小时，通过温度传感器实测瓷绝缘子上端球窝温度分别为31℃、34℃和36℃，说明瓷绝缘子的隔热性能良好，如图1-3；下一步将研制瓷绝缘子测温设备，计划2018年8-9月开展模拟最高设计气温40℃条件下的瓷绝缘子耐温试验，取得仿真隔热试验数据。

图1瓷绝缘子测温图2加热至80℃

图3加热至100℃图4加热至180℃

3结语

为满足原杆塔设计条件和档距中央导地线的安全距离，除导线最大设计张力和导线直径不大于原导线外，各种碳纤维复合芯导线弧垂应与原导线弧垂基本一致；抗拉强度相同的碳纤维复合芯导线在导体温度80℃以内和80℃以上两种条件下因线膨胀系数和弹性模量变化巨大而会产生两个安全系数，为了保持与原导线弧垂基本一致，设计中应采用80℃以内条件下的安全系数，确保沿线每处交叉跨越点的电气安全距离；为此，国家电网公司技术规范中应补充80℃以内条件下的线膨胀系数和弹性模量。碳纤维复合芯导线工作温度达到100℃左右，复合绝缘子的玻璃纤维（环氧树脂）芯棒的温度为81℃，复合绝缘子的机械性能将明显下降；因此，在碳纤维复合芯导线和复合绝缘子之间加装1片防污瓷绝缘子隔热，是非常必要的。

参考文献：

[1]QGDW10851-2016.碳纤维复合材料芯架空导线[S]，国家电网公司，2016.12.

[2]何州文，陈新，王秋玲，等.国内碳纤维复合芯导线的研究和应用综述[J]，电力建设，2010，31（4）：90-93.

[3]亢晓峰.碳纤维复合芯导线在天津电网应用[J]，2014年天津大学自动化学院硕士研究生毕业论文，2014.5.

[4]李磊，陈伟，万建成.碳纤维复合材料芯导线在国内推广应用的技术经济分析[J]，电力建设，2012，33（9）：79-82.

[5]鞠彦忠，李秋晨，孟亚男.碳纤维复合芯导线与传统导线的比较研究[J]，华东电力，2011，39（7）：1191-1194.

[6]胡宏彬，张鹏，张渺，等.碳纤维复合芯导线在内蒙古电网的适用性分析[J]，内蒙古电力技术，2012，30（5）：8-11.

[7]复合材料芯软铝型线绞线技术规范[S]，国家电网公司，2014.8.

[8]张锐，陈刚，袁田，等.复合绝缘子应用于碳纤维复合芯导线增容工程的试验研究[J]，高电压技术，37（10），2011，10：2491-2497.

[9]梁曦东，戴建军，周远翔，等.复合绝缘子芯棒高温下脆断性能测试[C]，中国科协2004年学术年会分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集，海南[s.n.]：593-598.

[10]王成胜.合成绝缘子脆断与长期机械特性的研究[D]，北京：清华大学电机系，2001.5.

作者简介：

金晓唐（1997-），男，山东烟台人，本科，研究方向为电气工程。

王茂成（1964-），男，山东蓬莱人，工程技术应用研究员，从事输电线路设计与研究。

金丽勇（1961-），男，山东淄博人，工程技术应用研究员，从事输电线路设计与研究。