碳纖維復合芯電纜

我國是個缺電的國家，不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后，輸電業(yè)的弊端也凸現(xiàn)出來，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求，由于過負荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，各國均在研究新型架空輸電路用導線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復合芯導線由此應運而生。

碳纖維復合芯鋁絞電纜 （見圖1）① ( ACCC--Alu-minum conductor composite core reinforced cable) 是傳統(tǒng)鋼芯鋁絞電纜 ( ACSR) 的更新?lián)Q代產品。這種新型電纜具有一系列優(yōu)異性能，是電纜的高端產品。日本和美國已經(jīng)研發(fā)成功ACCC 電纜，并在電網(wǎng)中得到實際應用。我國從美國已購買這種電纜，在多種電網(wǎng)中開始試用。同時，我國已開始研制 ACCC，以取代傳統(tǒng)的ACSR 電纜，這必將使我國架空輸電技術提高到一個新水平。

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圖1：碳纖維復合鋁絞電纜（左）和鋼芯鋁絞電纜（右）


技術關鍵

碳纖維和玻璃纖維復合芯鋁絞電纜，主要采用連續(xù)拉擠法。核心技術是芯棒的制造，關鍵材料是高溫韌性環(huán)氧樹脂。在碳纖維復合芯棒中，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度高和斷裂伸長大，因而為所制芯棒提供韌性和耐沖擊性能。所用環(huán)氧樹脂為高溫型的韌性樹脂。這是制造復合芯棒的又一技術核心。這種樹脂固化溫度高達260℃，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構。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。但制造碳纖維復合芯棒具有一定的特殊性。

工藝流程 本文來自123

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0.19~19mm范圍內調節(jié)，拉擠速度可在2.7－18m/min范圍內調節(jié)。


性能分析

1. 與ACSR電纜相比，可有效提高29%載流容量，減少輸電損失6%
一方面，由于碳纖維復合芯強度高于鋼芯，因而芯棒直徑比鋼芯細，可容納的鋁線多，加之，ACCC的梯形截面，導線排列更緊密，因此總體上導電截面更大。與傳統(tǒng)的ACSR相比，載流量提高29%左右的載流量。此外，ACCC不存在傳統(tǒng)鋼絲的磁損和熱效應，可有效減少輸電損失6%。

2. 線膨脹系數(shù)小、弛度小
首先，ACCC導線具有顯著的低弛度特性，ACCC的線膨脹變化僅為ACSR的9.6%，下垂度不到ACSR的1/2；其次，ACCC復合芯可在急冷急熱的環(huán)境中工作，例如，上至200℃，下至－180℃的極寒低溫，任然可以用于輸電載體的設計和制造。因此，碳纖維復合芯不僅能夠適應溫差變化，還有效減少架空電纜的絕緣空間，提高導線運行的安全性。 123456

3. 重量輕、強度高、破斷力大
ACCC的復合芯的密度約為1.9g/cm3 ，而ACSR的芯材密度要高出4倍（約為7.8 g /cm3 ），同時，ACCC的拉伸強度為2399MPa，是ACSR的1.97倍。要知道，電纜的承載外力主要由芯材承擔。而碳纖維復合芯相比鋼絲不僅具有重量輕、強度高的優(yōu)勢，還大大提高了30%的破斷力。

4. 耐腐蝕性
ACCC復合芯可以避免ACSR線芯的雙金屬間腐蝕的問題。更重要的是，ACCC芯棒外層包覆著玻璃纖維層，該層能起到絕緣功能，有的產品還在玻璃纖維外層包覆四氟乙烯使芯棒與鋁線完全絕緣，免受電腐蝕（見圖2：碳纖維復合芯鋁絞電纜的界面圖）。


圖2：1、碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料內芯;2、玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料外芯;3、第一層梯形鋁導線;4、第二層梯形鋁導線;5、保護性涂層。 123456


ACCC在中國市場的應用概況

• 遠東控股集團---遠東控股集團與美國CTC公司保持密切合作，于2009年3月合作成功把碳纖維的應用拓展到了電力領域，推出的碳纖維導線具有強度高、重量輕、弧垂小、導電率高、載流量大、運行溫度高等優(yōu)良特性，解決了輸變電行業(yè)中大容量與低損耗并存的系統(tǒng)性技術問題，并已經(jīng)在全國40余條輸電線路掛網(wǎng)運行。碳纖維導線的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線輸電，被業(yè)內專家譽為輸變電領域的革命。2011年1月，遠東碳纖維復合導線在北京掛網(wǎng)運行。

• 福建省龍巖電業(yè)局---2006年7月，我國首條220kvACCC碳纖維復合碳纖維復合芯導線在福建省龍巖電業(yè)局園田塘變電站至曹溪變電站220kv線路掛網(wǎng)運行，導線全長5.2km。工程利用原線路鐵塔及大部分金具瓷瓶等原設備，改造后使該線路輸送容量提高了一倍。工程正式施工與常規(guī)導線工程改造相比至少縮短了3個月的工期。既滿足了增容要求，同時縮短了改造舊線路的施工、停電時間。2007年2月，由福建南平市電業(yè)局投資引進的ACCC碳纖維復合導線，在南平市區(qū)220kv古楊Ⅱ線較密集地段掛網(wǎng)并正式投入運行，導線全長3.9km。

• 江蘇無錫---2006年10月，江蘇無錫110kv孟村至陸區(qū)4.1km長的ACCC導線順利建成竣工投運，這是我國首次在110kv線路工程中使用碳纖維復合材料導線。應用此種新型導線，對于需要較大載流量的蘇南地區(qū)來說，效益十分明顯。以無錫地區(qū)為例，常規(guī)的110kv回線路新建的綜合造價約為80萬元/km，而采用碳纖維復合芯鋁絞線，其每公里的投資僅需約50萬元，能夠節(jié)約近40%的費用，可大大減少工程投資。

• 浙江寧波送變電公司---2007年，浙江寧波送變電建設公司對220kv河慈、河溪線兩回導線實施增容改造，總長35km的普通鋼芯鋁絞線被換成遠東復合技術有限公司和美國CTC公司生產的ACCC碳纖維復合芯導線，改造后，兩條線路共增容30萬KW•A，極大地緩解了慈溪地區(qū)困擾已久的電網(wǎng)卡脖子問題，對慈溪地區(qū)迎峰度夏期間減少拉限電起到了重要作用。

• 河北硅谷化工公司---2007年，河北硅谷化工公司投資2億元建成年產1200噸高性能碳纖維生產線，填補了國內空白，為我國大批量生產碳纖維復合芯導線提供了核心材料。2008年10月份，該公司又籌資3.8億元開工建設碳纖維復合芯導線生產線，建設期兩年。2009年2月18日華北電網(wǎng)公司完成碳纖維導線自主研發(fā)項目由華北公司牽頭，華北電力科學研究院有限責任公司為技術總負責單位，河北硅谷化工有限公司、山東大學為協(xié)作單位。經(jīng)過項目組的努力，目前已經(jīng)實現(xiàn)了碳纖維復合芯的完全國產化，完成了碳纖維導線的自主研發(fā)，并在華北電網(wǎng)500千伏萬順三回線掛網(wǎng)試運行。 123456

天津電網(wǎng)---2008年，天津景衛(wèi)220千伏線路碳纖維復合芯鋁絞線總長度11.26千米，試運行一年以來安全穩(wěn)定，是目前國內正在運行的碳纖維復合芯鋁絞線最長的一條。天津公司針對施工中導線受力狀態(tài)下相關參數(shù)進行了測定，已具備ACCC導線在設計、施工、運行、檢修維護方面的初步經(jīng)驗。

• 河南謝安---2009年8月，110V泰康高朗輸變電工程碳纖維復合芯鋁絞線順利通過驗收，這是ACCC在河南省首次用于110V輸電線路，對今后高壓電里輸電線路使用ACCC電纜提供有價值的運行數(shù)據(jù)。

• 三普藥業(yè)---2011年，三普藥業(yè)公司完成醫(yī)藥行業(yè)重組工作，轉型發(fā)展碳纖維電纜。隸屬于遠東集團電纜業(yè)務。


發(fā)展建議

首先，一直以來碳纖維材料價格導致的建設成本過高是制約產業(yè)化應用的關鍵。例如，我國福建電網(wǎng)從美國CTC公司購買了60公里ACCC導線應用在福建省廈門和福州電網(wǎng)中，其價格水平為１５萬元人民幣／公里。這比我們一直使用的鋼芯鋁絞線的價格要高3-5倍。但是相信隨著碳纖維質量提高，產量擴大價格下降，必將有利于 ACCC 電纜的推廣使用。 內容來自123456

其次，碳纖維復合導線金具直接制約了導線的推廣應用。據(jù)國家電網(wǎng)公司稱，目前碳纖維復合芯導線采用的配套金具具有大長度、大直徑特點，其中接續(xù)金具總長度達到170厘米左右，不能順利通過放線滑車，導致目前碳纖維復合芯導線的放線施工均采用定長距離、分段放線的施工方法，需頻繁轉場，施工難度、施工周期及費用大幅度增加，甚至在地形條件惡劣區(qū)段無法施工，構成了碳纖維復合芯導線推廣應用的瓶頸。據(jù)悉，華北電網(wǎng)已經(jīng)聯(lián)合相關院所自主研發(fā)了碳纖維復合芯配套金具，包括耐張線夾、接續(xù)管，并通過了一系列試驗，一定程度上解決了電纜線展放的問題，有效降低長距離路段的施工難度。

相信，ACCC電纜將會隨著我國碳纖維及其配套金具工業(yè)的發(fā)展迎來良好的應用前景。