高端新產品：碳纖維復合芯電纜

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

我國也正在研發這種電纜 ,并從美國復合材料技術公司(Composite Technology Corporation , CTC)購買 ACCC, 在實際電網中試用 ,取得第一手數據以促進其在我國的推廣使用提高國內輸電技術水平 ,滿足社會對電力的需求。 123,123

圖 1 是ACCC和 ACSR的截面結構圖。

圖1：碳纖維復合鋁絞電纜（左）和鋼芯鋁絞電纜（右）

1 　碳纖維復合芯電纜的優點

碳纖維復合芯電纜與傳統的鋼芯鋁絞電纜相比較具有以下優點:

(1)重量輕:碳纖維復合芯的密度約為 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 ,減少塔桿數約為 16 %左右 ,同時減少占地面積。
(2) 強度高 , 破 斷 力 大。ACCC 的 拉 伸 強 度 約 為2399MPa ,是普通鋼絲的1197倍 ,是高強度鋼的117 倍。試驗表明 ,破斷力提高了 30 %。ACCC強度高 ,承載外力主要由碳纖維復合芯來承擔 ,鋁絞線幾乎不受拉力 ,可提高使用壽命。
(3)導電率高 ,載流量大。相同直徑 ACCC中的鋁線截面積是常規 ACSR的 1129 倍 ,載流量提高 29 %左右。這是基于以下幾個原因:碳纖維復合芯強度高于鋼芯 ,因而芯棒直徑比鋼芯細 ,容納鋁線多 ,導電截面積大;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外層鋁線可采用導電率為 63 %的 JACS 軟鋁線 ,與硬鋁線61 %的 IACS相比 ,導電率可提高 313 %。 123456
(4)線路損耗小。碳纖維復合材料是一種非磁性材料 ,當導線通過交流電時不會產生磁滯損耗和渦流損耗 ,呈現出更小的交流電阻。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 ,從而提高了導線的電暈起始電壓 ,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腐蝕 ,使鋁導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 ,使芯棒與鋁線完全絕緣 ,兩者之間不存在接觸電位差 ,使鋁導線免受電腐蝕(參看圖 2) 。
(6)線膨脹系數小 ,弛度小。ACCC 的線膨脹系數為 116- 6 - 6×10 / ℃左右 ,ACSR為 11.5 ×10 / ℃,兩者相差甚遠。條件試驗表明 ,當溫度由 2611 ℃上升到 186 ℃時 ,ACSR 導線的弛度從236mm增加到1422mm ,增加了5 倍左右 ,而ACCC導線僅從 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 電纜可適應晝夜溫差、冬夏溫差的變化環境 ,是一種安全型的高端產品。

2 　碳纖維復合芯電纜的制造簡述

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



由表 1 列出的數據可知 , 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,可降低生產成本。E2GF 為絕緣體 ,為芯棒提供絕緣層。所用環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 ℃(500 ℉) ,一般環氧樹脂 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。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 范圍內調節 ,拉擠速度可在 2.7～18m/ min 范圍內調節。圖 2是 ACCC 的截面結構示意圖。由圖 2 左可以看出 ,為提高芯棒與導電鋁層之間的絕緣性 ,有絕緣保護涂層或絕緣膜 ,以消除通電后兩者之間的電位差。 copyright 123456


圖 2 　碳纖維復合芯鋁絞電纜的截面結構圖
(1、碳纖維增強環氧樹脂復合材料內芯;2、玻璃纖維增強環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、保護性涂層或膜;)

表 2 列出了 ACCC導線的技術參數 ,以供制造和使用時參考。


表 2 　ACCC導線的技術參數

3 　應用概況

據 CTC公司報道 ,該公司在 2005 年出售了 3500 公里長的 ACCC產品。猶他州電力系統于 2006 年在鹽湖城開始在其約10～11kg的電網中投入試用。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 ,市場對該產品的需求量每年超過 60 億美元。國內遠東控股集團有限公司 2006 年 1 月注冊成遠東復合材料有限公司 ,與美國 CTC公司合作推出的碳纖維電纜在全國 40 余條輸電線路掛網運行。河北硅谷化公司投資 518億元建立研發和生產基地 ,其中 2 億元建立年產 1200t 碳纖維生產線 ,318 億元建立 ACCC生產線。2007 年 5 月 4 日 ,浙江寧波送變電建設公司員工開始對 220V 河慈、河溪線兩回導線實施增容“手術”,總長 35kg 的普通鋼芯鋁絞線替換成美國CTC公司生產的 ACCC電纜 ,這種電纜在浙江省內是首次采用。改造后 ,兩條線路共增容 30 萬 kVA。對慈溪地區迎峰度夏期間減少拉限電起了重要作用。天津電網已于去年在

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220V 線路中探索使用 ACCC,取得明顯效果 ,并將在今后的電網建設改造中創新推廣應用。目前 ,天津景衛 220V 線路碳纖維復合芯鋁絞線總長度為 11126km,試運行一年以來安全穩定。此次景衛 220V 線路更換碳纖維復合芯鋁絞線 ,整體投資低于新建同等容量常規線路投資約 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行價值 ,減少新建線路一半的占用面積 ,節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合芯鋁絞線兩個孤立檔順利通過驗收投產。這是碳纖維復合芯鋁絞線在河南省 110V 輸電線路上首次使用 ,它的成功投產將對今后高壓電力輸電線路上使用碳纖維復合芯鋁絞線提供有價值的運行數據 ,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合芯鋁絞電纜已在許多電網中開始試用。與此同時 國內研發這種新型電纜也正在進行。新型電纜價格是傳統產品的3～5倍, 需投入較多的資金,因此建設成本是目前ACCC導線推廣應用的主要制約因素。隨著ACCC碳纖維質量提高、產量擴大價格下降 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的蓬勃發展ACCC必將有良好的應用前景。 123456


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

參考文獻
[ 1 ] 　章龍才,蔣錫培,尤傳永.新型復合材料合成芯導線的現狀和展望[M].電網建設新技術,中國電力出版社,2005:384 392.
[ 2 ] 　尤傳永.架空輸電線路新型復合材料合成導線的開發研究.電力建設,2004 ,25(11) :1 6.
[ 3 ] 　楊寧. ACCC碳纖維復合芯導線技術在我國的應用前景分析.電氣應用,2008 ,27(5) :50 52.
[ 4 ] 　Hiel C, Verdes R P. Aluminu2m conductor composite core rein2forced cable and method of manufacture [ P ] US 2005/0129942A1 , 2005.
[ 5 ] 　余朝勝.碳纖維復合芯(ACCC)導線在輸電線路中的應用.廣東輸電與變電技術, 2008 ,(4) :12214.