新型電力解決方案：碳纖維復(fù)合芯鋁導(dǎo)線ACCC電纜

經(jīng)過(guò)多年的合作，亨斯邁與中國(guó)電科院正式建立了有關(guān)開(kāi)發(fā)新一代碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線的研發(fā)合作關(guān)系。本文介紹了合作項(xiàng)目的背景、技術(shù)挑戰(zhàn)、解決方案，以及項(xiàng)目的進(jìn)展情況。

項(xiàng)目背景

我國(guó)是個(gè)高速發(fā)展的國(guó)家，輸電能力的發(fā)展跟不上生產(chǎn)和消費(fèi)的增長(zhǎng)速度。現(xiàn)有的輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴(kuò)容的需求，由于超負(fù)荷用電造成停電、斷電故障頻發(fā)，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。

目前架空輸電電網(wǎng)廣泛采用的是鋼芯鋁絞線（簡(jiǎn)稱“ACSR”），但由于電纜鋼芯的重量、強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)等因素制約，鋼芯鋁絞線電纜輸電容量有限。由于工業(yè)產(chǎn)能復(fù)蘇和夏季居民用電需求的猛烈增加，以及東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)相對(duì)緊張的土地供應(yīng)，這個(gè)問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。電阻損耗放熱和高溫天氣使得架空電纜產(chǎn)生熱膨脹，從而發(fā)生電纜下垂，成為安全隱患。 123456

近年來(lái)，以日本和美國(guó)為首的各國(guó)都在研究新型架空輸電用導(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線。使用高性能環(huán)氧樹(shù)脂生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合芯電纜具有重量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，它在高溫下的熱膨脹系數(shù)較低，弛度更小，可在較高溫度下工作。與相同截面的其它導(dǎo)體相比，采用碳纖維復(fù)合芯的電纜可比傳統(tǒng)電纜多承載28%的鋁導(dǎo)線，所傳輸?shù)碾娏魅萘靠商岣?0%-100%。因此，中國(guó)電力行業(yè)對(duì)碳纖維復(fù)合芯鋁導(dǎo)線（簡(jiǎn)稱“ACCC”）的強(qiáng)烈需求應(yīng)運(yùn)而生。

架空導(dǎo)線在戶外運(yùn)作，需要經(jīng)受紫外線、高低溫、風(fēng)雨雪等各種嚴(yán)酷戶外氣候條件的考驗(yàn)，對(duì)于導(dǎo)線的耐候性和力學(xué)性能提出了極高的要求。這一點(diǎn)恰恰和航空航天領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)合材料的技術(shù)要求有很強(qiáng)的共性。

亨斯邁先進(jìn)材料事業(yè)部是全球最大的高性能環(huán)氧樹(shù)脂基礎(chǔ)制造商和銷售商，為全球航空航天產(chǎn)業(yè)提供高性能環(huán)氧樹(shù)脂已有60多年歷史。該公司同時(shí)在環(huán)氧樹(shù)脂配方的研發(fā)、應(yīng)用及制造方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，并致力于突破性和創(chuàng)新性技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣，逐步將其在航空航天領(lǐng)域的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品應(yīng)用于其它民用行業(yè)，包括電力、汽車、新能源、印刷電路板等。2010年，亨斯邁開(kāi)始關(guān)注國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)，建立亞太區(qū)的ACCC樹(shù)脂配方研發(fā)團(tuán)隊(duì)，依托公司樹(shù)脂配方產(chǎn)品的科研和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，參考公司高性能多官能環(huán)氧樹(shù)脂在航天航空領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，在兩年的反復(fù)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)中，始終致力環(huán)氧樹(shù)脂配方優(yōu)化，以兼顧復(fù)合芯桿材各項(xiàng)性能，滿足國(guó)內(nèi)規(guī)范及市場(chǎng)的要求。 123,123



中國(guó)電力科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱中國(guó)電科院）是國(guó)家電網(wǎng)公司直屬科研單位，是中國(guó)電力行業(yè)多學(xué)科、綜合性的科研機(jī)構(gòu)。中國(guó)電科院早在2008年開(kāi)始使用亨斯邁的高性能環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)品，用于研發(fā)高性能的碳纖復(fù)合芯產(chǎn)品。雙方即展開(kāi)初步的合作。2010年，雙方的合作進(jìn)一步升級(jí)，亨斯邁集團(tuán)開(kāi)始與中國(guó)電科院合作開(kāi)發(fā)針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的碳纖復(fù)合芯用樹(shù)脂配方產(chǎn)品。2012年，雙方正式確定戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，發(fā)揮雙方各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，共同開(kāi)發(fā)更符合市場(chǎng)需求，更安全、穩(wěn)定的碳纖復(fù)合芯產(chǎn)品。

技術(shù)挑戰(zhàn)

我國(guó)輸電電網(wǎng)架設(shè)廣泛采用的ACSR，在超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)發(fā)生電纜下垂而影響生產(chǎn)用電安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超長(zhǎng)距離的線路輸電產(chǎn)生大量的電阻損耗，約占總電能損耗的15%。采用以高性能環(huán)氧樹(shù)脂制造的碳纖復(fù)合芯電纜（ACCC）可以減少電纜弛度，提高輸電效率。 copyright 123456

ACCC的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，然而要大規(guī)模投入使用，還存在各種技術(shù)難題。

雖然ACCC復(fù)合芯制造所使用的拉擠成型工藝已經(jīng)是比較成熟的復(fù)材成型方法， 但是該工藝多以使用熱塑性樹(shù)脂為主，使用需高溫和快速固化的多官能熱固性環(huán)氧樹(shù)脂尚不多見(jiàn)。因此開(kāi)發(fā)適用于ACCC復(fù)合芯拉擠工藝配套的工藝，需要結(jié)合拉擠設(shè)備制造，環(huán)氧樹(shù)脂配方設(shè)計(jì)和復(fù)合材料制造等多方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

ACCC的另一核心技術(shù)是復(fù)合芯棒制造中所使用的關(guān)鍵材料——高性能環(huán)氧樹(shù)脂配方體系的開(kāi)發(fā)。由于ACCC將應(yīng)用于架空導(dǎo)線在戶外運(yùn)作，需要經(jīng)受紫外線、高低溫、風(fēng)雨等各種嚴(yán)酷戶外氣候條件的考驗(yàn)。因此該產(chǎn)品的技術(shù)要求除了具備增加輸電容量之外，更重要的是產(chǎn)品長(zhǎng)期使用的安全性，主要體現(xiàn)為耐候性和相應(yīng)的力學(xué)機(jī)械性能。環(huán)氧樹(shù)脂配方體系的設(shè)計(jì)決定了ACCC在該方面的性能表現(xiàn)。在樹(shù)脂配方體系中，不同固化劑體系、促進(jìn)劑，及其它添加劑的選擇對(duì)復(fù)合芯制造工藝參數(shù)及最終產(chǎn)品各方面性能的影響都至關(guān)重要。

內(nèi)容來(lái)自123456

目前市場(chǎng)上的碳纖維復(fù)合芯產(chǎn)品在耐候性和力學(xué)性能上與用戶的實(shí)際要求還有一定的差距，碳纖維復(fù)合芯材料在各種環(huán)境因素作用的抗老化壽命及應(yīng)對(duì)極端情況下野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的要求有待進(jìn)一步提高。因此，全面推廣ACCC產(chǎn)品以取代ACSR尚需時(shí)日。

解決方案

在這樣的挑戰(zhàn)下，中國(guó)電科院希望通過(guò)加強(qiáng)與亨斯邁的合作，共同開(kāi)發(fā)出更加安全，穩(wěn)定的碳纖復(fù)合芯環(huán)氧樹(shù)脂配方產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于新一代智能國(guó)家電網(wǎng)輸電線路改造。中國(guó)電科院的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示：“在同時(shí)兼顧產(chǎn)品各項(xiàng)性能，以保證各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到或高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的極端工況是我們的目標(biāo)，我們希望借助于亨斯邁在高性能多官能環(huán)氧樹(shù)脂的制造及樹(shù)脂配方開(kāi)發(fā)的實(shí)力，發(fā)揮電科院在電力行業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，一起開(kāi)發(fā)出高標(biāo)準(zhǔn)，高性能，滿足市場(chǎng)實(shí)際需求的產(chǎn)品。”

“盡管國(guó)內(nèi)對(duì)于ACCC的研究并不是最近才開(kāi)始，從上游原材料供應(yīng)企業(yè)到下游電力企業(yè)，對(duì)此的討論和探索從未間斷，但由于這‘兼顧各項(xiàng)性能’并不容易做到，ACCC投入市場(chǎng)的步伐一再放緩。但我們看到市場(chǎng)的需求仍然很強(qiáng)烈，也相信我們?cè)诤教旌娇諒?fù)材領(lǐng)域和樹(shù)脂配方開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)可以幫助我們達(dá)到ACCC復(fù)材纜芯的嚴(yán)苛要求。”亨斯邁先進(jìn)化工材料亞太區(qū)研發(fā)總監(jiān)何尾勝博士如是說(shuō)。

2012年，中國(guó)電科院與亨斯邁簽署合作備忘錄，正式開(kāi)啟新一代ACCC復(fù)合材料纜芯的產(chǎn)品研發(fā)。

高性能多官能環(huán)氧樹(shù)脂因其優(yōu)異的熱力學(xué)和機(jī)械性能，在高端復(fù)合材料中已被廣泛的使用。亨斯邁先進(jìn)化工材料亞太區(qū)研發(fā)經(jīng)理吳華峰博士表示，基于亨斯邁集團(tuán)所生產(chǎn)的高性能多功能環(huán)氧基礎(chǔ)樹(shù)脂所開(kāi)發(fā)的第一代雙組份低粘度拉擠配方Araldite®CY/Aradur® HY 5198，能提供優(yōu)良的粘接性能和工藝性能；與碳纖維配合制成的芯棒具備優(yōu)異的熱力學(xué)性能和機(jī)械性能，包括高Tg溫度、耐候性強(qiáng)、抗老化性能優(yōu)異，高拉伸強(qiáng)度、高柔韌性、高抗壓性能等。其中，高Tg (> 190 ℃) 配方產(chǎn)品意味著電纜可以耐受更高的運(yùn)行溫度，承載更大的輸電電流。新一代的ACCC復(fù)合材料纜芯的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)將以第一代產(chǎn)品為基礎(chǔ)，保留亨斯邁產(chǎn)品在熱力學(xué)和機(jī)械性能方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)調(diào)整配方的組份、平衡復(fù)合芯各方面的綜合性能，來(lái)滿足客戶和市場(chǎng)的要求。 本文來(lái)自123

研發(fā)成果與下一步計(jì)劃

2011年亨斯邁第一代碳纖維復(fù)合芯鋁導(dǎo)線樹(shù)脂配方產(chǎn)品上市以來(lái)，市場(chǎng)反響頗為熱烈。2012年5月，使用亨斯邁所開(kāi)發(fā)的高性能環(huán)氧樹(shù)脂配方體系的碳纖維復(fù)合芯電纜在國(guó)內(nèi)成功掛網(wǎng)運(yùn)行，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合芯1B級(jí)產(chǎn)品的空白。

雙方共同開(kāi)發(fā)的新一代碳纖維復(fù)合芯鋁導(dǎo)線樹(shù)脂配方產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也順利進(jìn)行中，目前已完成候選配方的篩選工作，即將進(jìn)行復(fù)合芯的試制實(shí)驗(yàn)。

國(guó)務(wù)院于2012年6月發(fā)布的《智能電網(wǎng)重大科技產(chǎn)業(yè)化工程“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》中指出，“實(shí)施新的能源戰(zhàn)略和優(yōu)化能源資源配置的重要平臺(tái)，涵蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各環(huán)節(jié)，提高能源利用效率，確保安全、可靠、優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)。”并明確指出，大電網(wǎng)互聯(lián)及遠(yuǎn)距離輸電及其相關(guān)控制技術(shù)將是智能電網(wǎng)領(lǐng)域的科研關(guān)注熱點(diǎn)之一。 123456

在國(guó)家政策的指導(dǎo)下，雙方必定加強(qiáng)合作，推進(jìn)ACCC新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及中國(guó)市場(chǎng)推廣工作。

隨著國(guó)內(nèi)ACCC電纜芯復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)一步趨向成熟和市場(chǎng)化，ACCC電纜線將應(yīng)用于更加廣泛的全球電力市場(chǎng)中，尤其是一些輸電走廊比較長(zhǎng)或是地域地形有局限的地方：例如電網(wǎng)設(shè)施比較落后的印尼、越南和跟中國(guó)地形特質(zhì)比較類似的美國(guó)、俄羅斯、印度等國(guó)家。“這些國(guó)家或是人口密度很高，或是地廣人稀，輸電距離特別長(zhǎng)，因而輸電用電需求都比較高，也都需要對(duì)架設(shè)電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造等。” 亨斯邁先進(jìn)化工材料亞太區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理張晉楓介紹道，“作為一個(gè)全球企業(yè)，亨斯邁既是產(chǎn)品和技術(shù)供應(yīng)商，也是服務(wù)提供商，在很多國(guó)家都有自己的分公司和辦事處。我們也希望能夠協(xié)助中國(guó)合作企業(yè)伙伴出口ACCC纜線產(chǎn)品，在全球市場(chǎng)推廣。”