高端新產(chǎn)品：碳纖維復(fù)合芯電纜

目前,架空輸電仍是輸送電力的主體 ,電纜的技術(shù)革新已取得顯著成效。早在 20 世紀(jì) 90 年代,日本就開始用碳纖維復(fù)合材料代替鋼芯來研發(fā)新一代電纜。這種新型電纜具有重量輕、強(qiáng)度大、耐高溫、耐腐蝕、輸送電容量大、線損小、弛度低和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能 ,從而引起各國的極大關(guān)注。之后,美國研制碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞電纜(Aluminum conductor composite core reinforced cable , ACCC) , 獲得成功 ,使其成為當(dāng)今典型的新一代電纜 ,是傳統(tǒng)鋼芯鋁絞電纜(Aluminum Conductor Steel Reinforced , ACSR) 的更新?lián)Q代產(chǎn)品。目前 ,這種新型電纜仍處于試用階段。隨著時間的推移 ,在累積實際經(jīng)驗并解決一系列具體的技術(shù)問題后 ,有望大面積推廣使用 ,必將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

我國也正在研發(fā)這種電纜 ,并從美國復(fù)合材料技術(shù)公司(Composite Technology Corporation , CTC)購買 ACCC, 在實際電網(wǎng)中試用 ,取得第一手?jǐn)?shù)據(jù)以促進(jìn)其在我國的推廣使用提高國內(nèi)輸電技術(shù)水平 ,滿足社會對電力的需求。 123,123

圖 1 是ACCC和 ACSR的截面結(jié)構(gòu)圖。

圖1：碳纖維復(fù)合鋁絞電纜（左）和鋼芯鋁絞電纜（右）

1 　碳纖維復(fù)合芯電纜的優(yōu)點

碳纖維復(fù)合芯電纜與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞電纜相比較具有以下優(yōu)點:

(1)重量輕:碳纖維復(fù)合芯的密度約為 1190g/cm ,鋼的密度為 718g/cm 。前者是后者的 1/4。因此 ,架空電纜的桿塔跨距可增長 ,減少塔桿數(shù)約為 16 %左右 ,同時減少占地面積。
(2) 強(qiáng)度高 , 破 斷 力 大。ACCC 的 拉 伸 強(qiáng) 度 約 為2399MPa ,是普通鋼絲的1197倍 ,是高強(qiáng)度鋼的117 倍。試驗表明 ,破斷力提高了 30 %。ACCC強(qiáng)度高 ,承載外力主要由碳纖維復(fù)合芯來承擔(dān) ,鋁絞線幾乎不受拉力 ,可提高使用壽命。
(3)導(dǎo)電率高 ,載流量大。相同直徑 ACCC中的鋁線截面積是常規(guī) ACSR的 1129 倍 ,載流量提高 29 %左右。這是基于以下幾個原因:碳纖維復(fù)合芯強(qiáng)度高于鋼芯 ,因而芯棒直徑比鋼芯細(xì) ,容納鋁線多 ,導(dǎo)電截面積大;ACCC 的鋁線為梯形截面 ,而 ACSR為圓形截面 ,前者易緊湊密排(參看圖 1) ;ACCC外層鋁線可采用導(dǎo)電率為 63 %的 JACS 軟鋁線 ,與硬鋁線61 %的 IACS相比 ,導(dǎo)電率可提高 313 %。 123456
(4)線路損耗小。碳纖維復(fù)合材料是一種非磁性材料 ,當(dāng)導(dǎo)線通過交流電時不會產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗 ,呈現(xiàn)出更小的交流電阻。一般來說 ,可減少輸電損耗 6 %左右。同時由于 ACCC采用梯形鋁線 ,使其外表比 ACSR 的圓形鋁線更加光滑 ,提高了表面粗糙系數(shù) ,從而提高了導(dǎo)線的電暈起始電壓 ,減少了電暈損失。
(5)耐腐蝕 ,使用壽命長。碳纖維復(fù)合芯棒避免了鋼芯在通電時鋁線與鍍鋅鋼絲之間的電化學(xué)腐蝕 ,使鋁導(dǎo)線長期使用而耐老化。同時 ,碳纖維芯棒外層為絕緣的玻璃纖維層 ,有的還在玻璃纖維層外圍包覆聚四氟乙烯層或噴涂絕緣物質(zhì) ,使芯棒與鋁線完全絕緣 ,兩者之間不存在接觸電位差 ,使鋁導(dǎo)線免受電腐蝕(參看圖 2) 。
(6)線膨脹系數(shù)小 ,弛度小。ACCC 的線膨脹系數(shù)為 116- 6 - 6×10 / ℃左右 ,ACSR為 11.5 ×10 / ℃,兩者相差甚遠(yuǎn)。條件試驗表明 ,當(dāng)溫度由 2611 ℃上升到 186 ℃時 ,ACSR 導(dǎo)線的弛度從236mm增加到1422mm ,增加了5 倍左右 ,而ACCC導(dǎo)線僅從 198mm增加到 312mm,僅增加了 0157 倍。顯然 ,AC2CC的弛度變化僅為 ACSR 的 916 %。這表明 ,ACCC 電纜可適應(yīng)晝夜溫差、冬夏溫差的變化環(huán)境 ,是一種安全型的高端產(chǎn)品。

2 　碳纖維復(fù)合芯電纜的制造簡述

碳纖維復(fù)合芯鋁絞電纜的制造技術(shù)日臻成熟 ,主要采用連續(xù)拉擠法。核心技術(shù)是芯棒的制造 ,關(guān)鍵材料是高溫韌性環(huán)氧樹脂。在碳纖維復(fù)合芯棒中 ,碳纖維占 35 %,玻璃纖維占35 %,高溫韌性環(huán)氧樹脂占 30 %。所用碳纖維的拉伸強(qiáng)度高和斷裂伸長大 ,例如采用日本東麗公司生產(chǎn)的 T700S;玻璃纖維采用耐堿的 E型 ,即 E2GF。T700S和 E2GF 的性能列于表1。用韌性環(huán)氧樹脂可制得具有耐沖擊性的韌性芯棒。



由表 1 列出的數(shù)據(jù)可知 , E2GF 的斷裂伸長值大于T700S,因而為所制芯棒提供韌性和耐沖擊性能。同時 ,E2GF的價格低于 T700S,可降低生產(chǎn)成本。E2GF 為絕緣體 ,為芯棒提供絕緣層。所用環(huán)氧樹脂為高溫型的韌性樹脂。這是制造復(fù)合芯棒的又一技術(shù)核心。這種樹脂固化溫度高達(dá) 260 ℃(500 ℉) ,一般環(huán)氧樹脂 648 或 AG80 的固化溫度都低于此值。換言之 ,這種高溫固化型環(huán)氧樹脂具有特殊的耐熱結(jié)構(gòu)。此外 ,還需要增韌改性 ,使所制芯棒具有韌性 ,而不是硬棒。否則不會通過放線滑輪試驗。連續(xù)拉擠成型是成熟工藝。但制造碳纖維復(fù)合芯棒具有一定的特殊性。將碳纖維筒放在整理架上 ,單向(0°)集束 ,包覆玻璃纖維 ,浸漬環(huán)氧樹脂膠液 ,通過鋼制模口 ,以控制直徑 ,然后通過固化爐 ,固化成型。芯棒直徑可在 0119～19mm 范圍內(nèi)調(diào)節(jié) ,拉擠速度可在 2.7～18m/ min 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。圖 2是 ACCC 的截面結(jié)構(gòu)示意圖。由圖 2 左可以看出 ,為提高芯棒與導(dǎo)電鋁層之間的絕緣性 ,有絕緣保護(hù)涂層或絕緣膜 ,以消除通電后兩者之間的電位差。 copyright 123456


圖 2 　碳纖維復(fù)合芯鋁絞電纜的截面結(jié)構(gòu)圖
(1、碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料內(nèi)芯;2、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料外芯;3、第一層梯形鋁導(dǎo)線;4、第二層梯形鋁導(dǎo)線;5、保護(hù)性涂層或膜;)

表 2 列出了 ACCC導(dǎo)線的技術(shù)參數(shù) ,以供制造和使用時參考。


表 2 　ACCC導(dǎo)線的技術(shù)參數(shù)

3 　應(yīng)用概況

據(jù) CTC公司報道 ,該公司在 2005 年出售了 3500 公里長的 ACCC產(chǎn)品。猶他州電力系統(tǒng)于 2006 年在鹽湖城開始在其約10～11kg的電網(wǎng)中投入試用。從田納西州到加利福尼亞州的另外 7 個項目于 2007 年開始實施。CTC 公司估計 ,2008 年中期 ,市場對該產(chǎn)品的需求量每年超過 60 億美元。國內(nèi)遠(yuǎn)東控股集團(tuán)有限公司 2006 年 1 月注冊成遠(yuǎn)東復(fù)合材料有限公司 ,與美國 CTC公司合作推出的碳纖維電纜在全國 40 余條輸電線路掛網(wǎng)運(yùn)行。河北硅谷化公司投資 518億元建立研發(fā)和生產(chǎn)基地 ,其中 2 億元建立年產(chǎn) 1200t 碳纖維生產(chǎn)線 ,318 億元建立 ACCC生產(chǎn)線。2007 年 5 月 4 日 ,浙江寧波送變電建設(shè)公司員工開始對 220V 河慈、河溪線兩回導(dǎo)線實施增容“手術(shù)”,總長 35kg 的普通鋼芯鋁絞線替換成美國CTC公司生產(chǎn)的 ACCC電纜 ,這種電纜在浙江省內(nèi)是首次采用。改造后 ,兩條線路共增容 30 萬 kVA。對慈溪地區(qū)迎峰度夏期間減少拉限電起了重要作用。天津電網(wǎng)已于去年在

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220V 線路中探索使用 ACCC,取得明顯效果 ,并將在今后的電網(wǎng)建設(shè)改造中創(chuàng)新推廣應(yīng)用。目前 ,天津景衛(wèi) 220V 線路碳纖維復(fù)合芯鋁絞線總長度為 11126km,試運(yùn)行一年以來安全穩(wěn)定。此次景衛(wèi) 220V 線路更換碳纖維復(fù)合芯鋁絞線 ,整體投資低于新建同等容量常規(guī)線路投資約 30 %;而且輸變電工程的電力線路投入一條線路可獲二條線路的運(yùn)行價值 ,減少新建線路一半的占用面積 ,節(jié)約了可觀的土地資源。2009 年 8月 28 日 ,110V 太康高朗(謝安)輸變電工程碳纖維復(fù)合芯鋁絞線兩個孤立檔順利通過驗收投產(chǎn)。這是碳纖維復(fù)合芯鋁絞線在河南省 110V 輸電線路上首次使用 ,它的成功投產(chǎn)將對今后高壓電力輸電線路上使用碳纖維復(fù)合芯鋁絞線提供有價值的運(yùn)行數(shù)據(jù) ,對河南省電力輸電輸送能力的提高起到積極的
推動作用。

4 　展望

我國購買國外碳纖維復(fù)合芯鋁絞電纜已在許多電網(wǎng)中開始試用。與此同時 國內(nèi)研發(fā)這種新型電纜也正在進(jìn)行。新型電纜價格是傳統(tǒng)產(chǎn)品的3～5倍, 需投入較多的資金,因此建設(shè)成本是目前ACCC導(dǎo)線推廣應(yīng)用的主要制約因素。隨著ACCC碳纖維質(zhì)量提高、產(chǎn)量擴(kuò)大價格下降 有利于ACCC電纜的推,廣使用。無疑 電纜將隨著我國碳纖維工業(yè)的蓬勃發(fā)展ACCC必將有良好的應(yīng)用前景。 123456


作者簡介:孫微(1968 - ) ,女,大學(xué)?？?實驗師,主要從事碳纖維技術(shù)情報工作。

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