碳纖維復(fù)合芯電纜

我國(guó)是個(gè)缺電的國(guó)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(lái)，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴(kuò)容的需求，由于過(guò)負(fù)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(guó)均在研究新型架空輸電路用導(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由此應(yīng)運(yùn)而生。

碳纖維復(fù)合芯鋁絞電纜 （見(jiàn)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(chǎn)品。這種新型電纜具有一系列優(yōu)異性能，是電纜的高端產(chǎn)品。日本和美國(guó)已經(jīng)研發(fā)成功ACCC 電纜，并在電網(wǎng)中得到實(shí)際應(yīng)用。我國(guó)從美國(guó)已購(gòu)買這種電纜，在多種電網(wǎng)中開始試用。同時(shí)，我國(guó)已開始研制 ACCC，以取代傳統(tǒng)的ACSR 電纜，這必將使我國(guó)架空輸電技術(shù)提高到一個(gè)新水平。

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圖1：碳纖維復(fù)合鋁絞電纜（左）和鋼芯鋁絞電纜（右）


技術(shù)關(guān)鍵

碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞電纜，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(zhǎng)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(fù)合芯棒的又一技術(shù)核心。這種樹脂固化溫度高達(dá)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(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(huì)通過(guò)放線滑輪試驗(yàn)。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。

工藝流程 本文來(lái)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(guò)鋼制模口，以控制直徑，然后通過(guò)固化爐，固化成型。芯棒直徑可在0.19~19mm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)。


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(fù)合芯強(qiáng)度高于鋼芯，因而芯棒直徑比鋼芯細(xì)，可容納的鋁線多，加之，ACCC的梯形截面，導(dǎo)線排列更緊密，因此總體上導(dǎo)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(yīng)，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(dǎo)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(fù)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(shè)計(jì)和制造。因此，碳纖維復(fù)合芯不僅能夠適應(yīng)溫差變化，還有效減少架空電纜的絕緣空間，提高導(dǎo)線運(yùn)行的安全性。 123456

3. 重量輕、強(qiáng)度高、破斷力大
ACCC的復(fù)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(shí)，ACCC的拉伸強(qiáng)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(dān)。而碳纖維復(fù)合芯相比鋼絲不僅具有重量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，還大大提高了30%的破斷力。

4. 耐腐蝕性
ACCC復(fù)合芯可以避免ACSR線芯的雙金屬間腐蝕的問(wèn)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(chǎn)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(jiàn)圖2：碳纖維復(fù)合芯鋁絞電纜的界面圖）。


圖2：1、碳纖維環(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。 123456


ACCC在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用概況

• 遠(yuǎn)東控股集團(tuán)---遠(yuǎn)東控股集團(tuán)與美國(guó)CTC公司保持密切合作，于2009年3月合作成功把碳纖維的應(yīng)用拓展到了電力領(lǐng)域，推出的碳纖維導(dǎo)線具有強(qiáng)度高、重量輕、弧垂小、導(dǎo)電率高、載流量大、運(yùn)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(shù)問(wèn)題，并已經(jīng)在全國(guó)40余條輸電線路掛網(wǎng)運(yùn)行。碳纖維導(dǎo)線的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線輸電，被業(yè)內(nèi)專家譽(yù)為輸變電領(lǐng)域的革命。2011年1月，遠(yuǎn)東碳纖維復(fù)合導(dǎo)線在北京掛網(wǎng)運(yùn)行。

• 福建省龍巖電業(yè)局---2006年7月，我國(guó)首條220kvACCC碳纖維復(fù)合碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)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(yùn)行，導(dǎo)線全長(zhǎng)5.2km。工程利用原線路鐵塔及大部分金具瓷瓶等原設(shè)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(dǎo)線工程改造相比至少縮短了3個(gè)月的工期。既滿足了增容要求，同時(shí)縮短了改造舊線路的施工、停電時(shí)間。2007年2月，由福建南平市電業(yè)局投資引進(jìn)的ACCC碳纖維復(fù)合導(dǎo)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(yùn)行，導(dǎo)線全長(zhǎng)3.9km。

• 江蘇無(wú)錫---2006年10月，江蘇無(wú)錫110kv孟村至陸區(qū)4.1km長(zhǎng)的ACCC導(dǎo)線順利建成竣工投運(yùn)，這是我國(guó)首次在110kv線路工程中使用碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線。應(yīng)用此種新型導(dǎo)線，對(duì)于需要較大載流量的蘇南地區(qū)來(lái)說(shuō)，效益十分明顯。以無(wú)錫地區(qū)為例，常規(guī)的110kv回線路新建的綜合造價(jià)約為80萬(wàn)元/km，而采用碳纖維復(fù)合芯鋁絞線，其每公里的投資僅需約50萬(wàn)元，能夠節(jié)約近40%的費(fèi)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(shè)公司對(duì)220kv河慈、河溪線兩回導(dǎo)線實(shí)施增容改造，總長(zhǎng)35km的普通鋼芯鋁絞線被換成遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù)有限公司和美國(guó)CTC公司生產(chǎn)的ACCC碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，改造后，兩條線路共增容30萬(wàn)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(wèn)題，對(duì)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(chǎn)1200噸高性能碳纖維生產(chǎn)線，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，為我國(guó)大批量生產(chǎn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)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(shè)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線生產(chǎn)線，建設(shè)期兩年。2009年2月18日華北電網(wǎng)公司完成碳纖維導(dǎo)線自主研發(fā)項(xiàng)目由華北公司牽頭，華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司為技術(shù)總負(fù)責(zé)單位，河北硅谷化工有限公司、山東大學(xué)為協(xié)作單位。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組的努力，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合芯的完全國(guó)產(chǎn)化，完成了碳纖維導(dǎo)線的自主研發(fā)，并在華北電網(wǎng)500千伏萬(wàn)順三回線掛網(wǎng)試運(yùn)行。 123456

天津電網(wǎng)---2008年，天津景衛(wèi)220千伏線路碳纖維復(fù)合芯鋁絞線總長(zhǎng)度11.26千米，試運(yùn)行一年以來(lái)安全穩(wěn)定，是目前國(guó)內(nèi)正在運(yùn)行的碳纖維復(fù)合芯鋁絞線最長(zhǎng)的一條。天津公司針對(duì)施工中導(dǎo)線受力狀態(tài)下相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，已具備ACCC導(dǎo)線在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、檢修維護(hù)方面的初步經(jīng)驗(yàn)。

• 河南謝安---2009年8月，110V泰康高朗輸變電工程碳纖維復(fù)合芯鋁絞線順利通過(guò)驗(yàn)收，這是ACCC在河南省首次用于110V輸電線路，對(duì)今后高壓電里輸電線路使用ACCC電纜提供有價(jià)值的運(yùn)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(zhuǎn)型發(fā)展碳纖維電纜。隸屬于遠(yuǎn)東集團(tuán)電纜業(yè)務(wù)。


發(fā)展建議

首先，一直以來(lái)碳纖維材料價(jià)格導(dǎo)致的建設(shè)成本過(guò)高是制約產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。例如，我國(guó)福建電網(wǎng)從美國(guó)CTC公司購(gòu)買了60公里ACCC導(dǎo)線應(yīng)用在福建省廈門和福州電網(wǎng)中，其價(jià)格水平為１５萬(wàn)元人民幣／公里。這比我們一直使用的鋼芯鋁絞線的價(jià)格要高3-5倍。但是相信隨著碳纖維質(zhì)量提高，產(chǎn)量擴(kuò)大價(jià)格下降，必將有利于 ACCC 電纜的推廣使用。 內(nèi)容來(lái)自123456

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

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