碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線自主研發(fā)及施工技術(shù)研究

1 前言

中國土地資源有限，輸電走廊的選擇受到制約，提高單位走廊傳輸功率的需求日益迫切，對于輸電能力取決于導(dǎo)線熱穩(wěn)定性的架空輸電線路，更換高性能導(dǎo)線能夠顯著提高線路輸送能力；近年來，隨著大風(fēng)、覆冰等惡劣氣候的增多和加劇，導(dǎo)線風(fēng)偏、舞動引發(fā)的線路故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，更換低弧垂、高強(qiáng)度導(dǎo)線可有效抑制相地、相間放電及導(dǎo)線損傷。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線因具有重量輕、高強(qiáng)度、高彈性模量、低線脹系數(shù)、耐高溫、耐疲勞、耐腐蝕等技術(shù)優(yōu)勢，既能夠用于提高輸送能力，又可有效提高線路安全運(yùn)行水平，將成為最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛯?dǎo)線品種，國家電網(wǎng)公司于2006年將其列入重點(diǎn)推廣技術(shù)目錄。

碳纖維導(dǎo)線的核心是高性能碳纖維材料，我國T700及以上高性能碳纖維基本依賴進(jìn)口，國家科技部將T-700碳纖維攻關(guān)列入十五、十一五規(guī)劃。目前僅有美國、日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握碳纖維及碳纖維導(dǎo)線技術(shù)，國內(nèi)僅有與國外合作生產(chǎn)碳纖維導(dǎo)線的形式，但原材料及配方、工藝等核心技術(shù)完全掌握于外方，不具備自主知識產(chǎn)權(quán)。發(fā)達(dá)國家壟斷高性能碳纖維及碳纖維導(dǎo)線核心技術(shù)與價格的局面已成為制約國內(nèi)發(fā)展、應(yīng)用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的瓶頸。

此外，不能連續(xù)張力放線是長久以來制約碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用的瓶頸。如不能有效解決，碳纖維導(dǎo)線將難以廣泛推廣應(yīng)用。

2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線研發(fā)

華北電網(wǎng)面對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)，提出在國內(nèi)高性能碳纖維實(shí)驗(yàn)室研究取得重大突破后，實(shí)施第一個具有完全國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研發(fā)與應(yīng)用。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的生產(chǎn)過程主要包括以下三部分：①碳纖維原絲及碳纖維絲的制備。②碳纖維復(fù)合芯的生產(chǎn)。③碳纖維復(fù)合芯鋁絞線的生產(chǎn)。

2.1 碳纖維絲研發(fā)

碳纖維復(fù)合芯鋁絞線的核心是高強(qiáng)度碳纖維絲。碳纖維絲的強(qiáng)度、等級越高，則相同規(guī)格導(dǎo)線的芯徑越小，重量越輕，導(dǎo)線的卷繞性能、施工性能越佳。目前，華北電網(wǎng)研發(fā)的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線采用T-700型碳纖維絲。

經(jīng)過數(shù)十年研發(fā)，國內(nèi)研究單位近年來認(rèn)識到硝酸一步法制備碳纖維原絲的傳統(tǒng)技術(shù)路線是錯誤的，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了T700型碳纖維的成功試制，并在與華北電科院有長期技術(shù)合作關(guān)系的河北硅谷化工有限公司建設(shè)國內(nèi)第一條T-700碳纖維原絲的工業(yè)化生產(chǎn)線。

碳纖維絲的生產(chǎn)包括兩步：①制備碳纖維原絲；②碳纖維原絲經(jīng)預(yù)氧化、炭化處理形成碳纖維絲。原絲生產(chǎn)中的30多個參數(shù)、60多個影響因素以及碳纖維生產(chǎn)中的20多個參數(shù)、50多個影響因素將影響、決定最終的碳纖維性能。


年產(chǎn)200t的T700型碳纖維原絲生產(chǎn)線


2.2 碳纖維復(fù)合芯研發(fā)

碳纖維復(fù)合芯是碳纖維導(dǎo)線中的主要承力部件，特別是在高溫運(yùn)行條件下須承受全部的導(dǎo)線張力。碳纖維復(fù)合芯以碳纖維絲增強(qiáng)樹脂，采用拉擠工藝成型。因此，雖然碳纖維絲具有接近零的線膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度、重量輕、耐高溫、耐疲勞、耐化學(xué)腐蝕、耐大氣老化等技術(shù)優(yōu)勢，但這些一根根獨(dú)立的絲如同一盤散沙，難以發(fā)揮良好的協(xié)同作用，只有選擇合適的樹脂基體與配方，將獨(dú)立的碳纖維絲良好結(jié)合起來形成一個整體，才能充分發(fā)揮碳纖維的各項優(yōu)異性能，即樹脂基體是碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的另一核心。 123,123

經(jīng)過選擇、試驗(yàn)了環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等多種樹脂體系并根據(jù)需要進(jìn)行改性，解決了樹脂的耐高溫性、柔韌性、高溫下的脆化、耐疲勞、耐老化，耐腐蝕等問題，最終確定了樹脂基體與配方，滿足了應(yīng)用需求。


復(fù)合桿芯拉擠生產(chǎn)線


2.3 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的生產(chǎn)

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的生產(chǎn)是在復(fù)合芯基礎(chǔ)上絞合選定的鋁股，形成復(fù)合芯導(dǎo)線。

2.3.1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線絞制設(shè)備

如果從購買鋁錠開始生產(chǎn)所需鋁股并進(jìn)行導(dǎo)線絞制，生產(chǎn)設(shè)備包括三部分：

（1）電解爐及鋁桿連鑄連軋設(shè)備：用于從鋁錠生產(chǎn)鋁桿；

（2）拉線機(jī)（鋁線大拉機(jī)）：用于將鋁桿拉制為所需尺寸的鋁股；

（3）導(dǎo)線框絞機(jī)：用于將鋁股絞合在復(fù)合芯上，形成導(dǎo)線。 123,123

以下為導(dǎo)線框絞機(jī)生產(chǎn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的過程：


碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的絞制


2.3.2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的鋁股選擇

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線鋁股的選擇考慮如下：

（1）由于碳纖維復(fù)合芯能夠承受導(dǎo)線的全部張力，因此復(fù)合芯導(dǎo)線的鋁股可以選用導(dǎo)電性能優(yōu)良而機(jī)械性能偏差一些的材料。美國CTC公司的碳纖維導(dǎo)線采用軟鋁股，電導(dǎo)率達(dá)到63.7%IACS,而普通的鋼芯鋁絞線所用硬鋁的電導(dǎo)率為61-62%IACS，即在相同導(dǎo)線運(yùn)行溫度下使用碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線能夠降低線損。但因軟鋁股的硬度、機(jī)械強(qiáng)度、熔點(diǎn)相對常規(guī)導(dǎo)線所用的硬鋁偏低，在線路施工、導(dǎo)線檢修及雷擊導(dǎo)線等放電過程中易導(dǎo)致軟鋁股的變形、損傷、斷股，特別是一定程度上增大了運(yùn)行檢修單位的工作難度。

（2）如果采用硬鋁（電導(dǎo)率為61-62%IACS）作為碳纖維導(dǎo)線的鋁股，當(dāng)導(dǎo)線經(jīng)過100℃以上的高溫運(yùn)行后硬鋁股的機(jī)械強(qiáng)度有一定損失。

（3）如果采用耐熱鋁合金作為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的鋁股，則形成的碳纖維導(dǎo)線在施工及運(yùn)行檢修中具有很大優(yōu)勢，在很大程度上解決或避免了目前碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線在施工、運(yùn)行中存在的易變形和損傷問題。但由于耐熱鋁合金的電導(dǎo)率為60%IACS，相對略低，存在損耗略大的缺點(diǎn)。

經(jīng)綜合考慮，根據(jù)鋁股的差異，研發(fā)、生產(chǎn)兩個系列的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，由用戶根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

a）采用軟鋁作為碳纖維導(dǎo)線的鋁股，形成碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線系列產(chǎn)品。

b）采用耐熱鋁合金作為碳纖維導(dǎo)線的鋁股，形成碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線系列產(chǎn)品。

2.4 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線檢測 123456

根據(jù)華北電網(wǎng)安排，碳纖維復(fù)合芯鋁合金導(dǎo)線及軟鋁導(dǎo)線試品送上海電纜研究所和國網(wǎng)電力建設(shè)研究院進(jìn)行全面性能檢測。

（1）導(dǎo)線常溫握力試驗(yàn)：

鋁合金導(dǎo)線ACCC/LH-240/35的常溫拉斷力為165.6kN；

軟鋁導(dǎo)線 ACCC/LR-240/35的常溫拉斷力為159.7kN；

上述導(dǎo)線的計算拉斷力為120kN，實(shí)測結(jié)果比計算拉斷力高30％以上。

（2）導(dǎo)線高溫拉斷力試驗(yàn)：

鋁合金導(dǎo)線ACCC/LH-240/35的常溫拉斷力為165.6kN；

鋁合金導(dǎo)線ACCC/LH-240/35的150℃拉斷力為149kN；

鋁合金導(dǎo)線ACCC/LH-240/35的170℃拉斷力為149.6kN；

ACCC/LH -300/50的150℃及170℃拉斷力與常溫拉斷力的比值為90%。即本項目研發(fā)的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有優(yōu)良的耐高溫性能，高溫拉斷力顯著優(yōu)于國外技術(shù)產(chǎn)品。

（3）導(dǎo)線的復(fù)合芯（不含鋁股）拉斷力試驗(yàn)：

內(nèi)容來自123456

鋁合金（或軟鋁）導(dǎo)線ACCC/LH or LR-240/35所用復(fù)合芯的常溫拉斷力為123.7kN，復(fù)合芯的常溫抗張強(qiáng)度為2800MPa，與國外技術(shù)產(chǎn)品相當(dāng)。

鋁合金導(dǎo)線ACCC/LH-300/50所用復(fù)合芯150℃拉斷力為167kN，抗張強(qiáng)度為2656MPa。因此，本項目研發(fā)的碳纖維復(fù)合芯由常溫（按30℃計）升高至150℃時，抗張強(qiáng)度下降幅度僅為5.2%。

國外技術(shù)產(chǎn)品的復(fù)合芯160℃抗張強(qiáng)度僅為1400MPa。按其產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（每升高1℃，抗張強(qiáng)度下降10MPa）計算，復(fù)合芯150℃抗張強(qiáng)度約為1500MPa，30℃抗張強(qiáng)度約為2700MPa。因此，國外技術(shù)產(chǎn)品的復(fù)合芯由常溫（按30℃計）升高至150℃時，抗張強(qiáng)度下降幅度達(dá)到40%。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的重要優(yōu)勢之一是能夠提高線路輸送能力，而提高輸送能力的關(guān)鍵是允許導(dǎo)線高溫運(yùn)行，即要求導(dǎo)線在高溫運(yùn)行時保持較高的機(jī)械強(qiáng)度，因此高溫拉斷力是碳纖維導(dǎo)線的最重要指標(biāo)之一。上述數(shù)據(jù)表明：在關(guān)鍵性的高溫拉斷力指標(biāo)上，本項目研發(fā)的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線顯著優(yōu)于國外技術(shù)產(chǎn)品。

（4）復(fù)合芯抗彎性能與抗壓性能是針對導(dǎo)線芯桿的測試項目，ACCC300/50的上述兩項性能顯著優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

① 自主研發(fā)產(chǎn)品的復(fù)合芯最大抗壓負(fù)荷為34.7kN；國外技術(shù)產(chǎn)品最大抗壓負(fù)荷約為25kN；

② 自主研發(fā)產(chǎn)品的復(fù)合芯最大彎曲負(fù)荷為4.7kN；國外技術(shù)產(chǎn)品最大彎曲負(fù)荷約為2.5～3.5kN。

相對于常規(guī)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯屬于脆性材料，當(dāng)施加的壓力過大時，復(fù)合芯存在碎裂的危險，自主研發(fā)產(chǎn)品的復(fù)合芯在該方面具有顯著優(yōu)勢。

（5）導(dǎo)線弧垂-溫度特性試驗(yàn)及線膨脹系數(shù)測試是涉及導(dǎo)線弧垂設(shè)計的主要參數(shù)之二，反映導(dǎo)線弧垂隨溫度變化的特性。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線存在遷移點(diǎn)溫度（溫度拐點(diǎn)），在遷移點(diǎn)以下，碳纖維導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)與常規(guī)導(dǎo)線相近，其中碳纖維鋁合金絞線ACCC/LH-300/50為12.8×10-6(1/℃)，碳纖維軟鋁絞線ACCC/LR-240/35為12.7×10-6(1/℃)；在遷移點(diǎn)以上，碳纖維導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)大幅度下降，ACCC/LH-300/50為2.0×10-6(1/℃)，ACCC/LR-240/35為1.9×10-6(1/℃)，確保導(dǎo)線在高溫運(yùn)行時弧垂基本不再增大。因此，遷移點(diǎn)溫度是碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的關(guān)鍵指標(biāo)之一。 本文來自123

眾所周知，碳纖維絲的線膨脹系數(shù)接近于零，但與樹脂結(jié)合形成復(fù)合芯、再與鋁股結(jié)合形成碳纖維導(dǎo)線后，導(dǎo)線整體的線膨脹系數(shù)由碳纖維絲、樹脂、鋁股共同決定，隨著樹脂、鋁股參數(shù)的變化，導(dǎo)線遷移點(diǎn)溫度也呈現(xiàn)顯著差異，如使用鋁合金股時，遷移點(diǎn)溫度相應(yīng)偏高；使用軟鋁股時，遷移點(diǎn)溫度相應(yīng)偏低。

本項目研發(fā)的碳纖維軟鋁絞線ACCC/LR-240/35的遷移點(diǎn)溫度為60℃，而國外技術(shù)產(chǎn)品的碳纖維軟鋁絞線的遷移點(diǎn)溫度約為80℃，本項目研發(fā)的碳纖維復(fù)合芯對于導(dǎo)線的遷移點(diǎn)溫度及弧垂的影響顯著優(yōu)于國外技術(shù)產(chǎn)品。

（6）在國網(wǎng)電力建設(shè)研究院進(jìn)行了碳纖維導(dǎo)線的常溫/高溫蠕變試驗(yàn)，共進(jìn)行了ACCC/LH-300/50碳纖維導(dǎo)線在15%、25%、35%額定拉斷力，常溫、高溫（150℃）條件下6個樣品的蠕變試驗(yàn)，其中25%額定拉斷力的10年蠕變量僅為328mm/km；而國外技術(shù)產(chǎn)品的蠕變量約為500 mm/km。

（7）在上海電纜研究所進(jìn)行了碳纖維導(dǎo)線的疲勞振動試驗(yàn)。本項目研制的碳纖維導(dǎo)線及配套金具順利通過了3根試品共計3×3000萬次的疲勞振動測試。

3 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線施工技術(shù)研究

3.1 現(xiàn)有金具及施工技術(shù)存在的問題

目前碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線使用的耐張線夾和接續(xù)管，均屬于特殊的楔型結(jié)構(gòu)?；驹砭峭ㄟ^金具內(nèi)部的楔型結(jié)構(gòu)或者類似的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的固定或夾持。


常規(guī)耐張線夾與碳纖維導(dǎo)線專用線夾


雖然上述金具具有強(qiáng)度高、握力強(qiáng)、耐腐蝕性好以及安全性等優(yōu)點(diǎn)，但是在碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用過程中，金具的楔型結(jié)構(gòu)對金具的加工精度要求非常高，金具與導(dǎo)線配合完好才能發(fā)揮其作用，這也使得現(xiàn)有碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具價格昂貴，是普通鋼芯鋁絞線的常規(guī)金具價格的10倍以上。對于接續(xù)金具，由于采用了背靠背楔型結(jié)構(gòu)或者類似結(jié)構(gòu)的連接形式，使得接續(xù)管長度和直徑增加很多，常規(guī)接續(xù)管長度一般在80cm以下，而碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線使用的特殊楔接式接續(xù)管長度達(dá)到了170cm以上，楔接式接續(xù)管因長度過長、外徑過大導(dǎo)致過滑車時易折斷或損傷碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，導(dǎo)致在使用這種接續(xù)管的情況下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在施工過程中不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)放線，目前施工均采用不超過5公里一段的分段放線方式，這給長距離線路施工帶來很大困難，施工中需要進(jìn)行次數(shù)較多的轉(zhuǎn)場，大大增大工作量、工作難度和施工費(fèi)用，另外如果是在環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜的山地施工，由于沒有適合的張力場，甚至面臨無法放線的問題。連續(xù)放線問題也成為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在長距離線路上的應(yīng)用瓶頸，給碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的廣泛推廣應(yīng)用帶來障礙。 本文來自123

3.2 施工技術(shù)的創(chuàng)新與突破

華北電網(wǎng)經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，研制成功一套適用于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線用的金具，包括耐張線夾和接續(xù)管，在保證金具的強(qiáng)度和握著力的同時，大大縮短接續(xù)管長度及外徑，接續(xù)管長度僅約70cm，解決碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線施工過程中連續(xù)張力放線問題。

研制的配套金具通過了上海電纜研究所的相關(guān)檢測，包括常溫握力試驗(yàn)、高溫握力試驗(yàn)、疲勞振動試驗(yàn)，其中設(shè)計拉斷力為120kN的導(dǎo)線與上述配套金具握力達(dá)到169kN（常溫）、149 kN（150℃）及149.6kN（170℃），且在500kV張南-門頭溝線上首次成功實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線連續(xù)張力放線。


安裝保護(hù)鋼甲的碳纖維導(dǎo)線接續(xù)金具 帶接續(xù)金具的碳纖維導(dǎo)線過滑車


此外，本項目研制的碳纖維導(dǎo)線配套金具大幅度降低了金具價格，僅為目前應(yīng)用碳纖維導(dǎo)線配套金具的10%，如果計及因現(xiàn)有金具不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)張力放線而頻繁轉(zhuǎn)場及增加的青苗賠償?shù)仁┕べM(fèi)用，降價潛力更加可觀。 123456

4 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線試運(yùn)行


碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線成功研發(fā)后，華北電網(wǎng)有限公司于2009年1月將該產(chǎn)品應(yīng)用于500kV萬順三線。


牽引場 張力場

碳纖維導(dǎo)線施工完成后，華北電科院及北京超高壓人員對試運(yùn)行的碳纖維導(dǎo)線進(jìn)行了一系列測試和巡視，截止到6月，碳纖維導(dǎo)線已連續(xù)運(yùn)行近半年，運(yùn)行狀況良好。


碳纖維導(dǎo)線（ACCC）與鋼芯鋁絞線（LGJ）的弧垂變化曲線


碳纖維導(dǎo)線（ACCC）與鋼芯鋁絞線（LGJ）的對地距離變化曲線


5 總結(jié)


華北電網(wǎng)公司成功實(shí)施第一個具有完全國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的碳纖維導(dǎo)線及配套技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，包括碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研制、生產(chǎn)、檢測、設(shè)計、施工、運(yùn)行等環(huán)節(jié)，對于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)升級改造、提高電網(wǎng)輸送能力與效益以及大力發(fā)展國產(chǎn)碳纖維事業(yè)等方面具有重大意義。 123456

1、首次成功實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的完全國內(nèi)自主研發(fā)，包括高性能碳纖維絲的研制與生產(chǎn)、碳纖維復(fù)合芯的研制與生產(chǎn)、碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研制與生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)從材料到工藝的完全國產(chǎn)化。

2、自主研發(fā)產(chǎn)品的導(dǎo)線高溫拉斷力、遷移點(diǎn)溫度、復(fù)合芯抗壓性能、復(fù)合芯抗彎性能等關(guān)鍵指標(biāo)顯著優(yōu)于國外技術(shù)產(chǎn)品，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

3、根據(jù)國產(chǎn)復(fù)合芯的性能優(yōu)勢，對現(xiàn)有碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具（耐張線夾、接續(xù)管等）及施工技術(shù)進(jìn)行重大革新，國際上首次攻克碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的長距離連續(xù)張力放線技術(shù)。

4、首次將碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用于500kV超高壓架空輸電線路，解決碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用于多分裂導(dǎo)線形式時出現(xiàn)的設(shè)計、施工、運(yùn)行問題，為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線全面推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

5、碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的自主研發(fā)打破了發(fā)達(dá)國家在高性能碳纖維材料及碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線技術(shù)和價格上的壟斷，有利于充分挖掘產(chǎn)品降價潛力，促使碳纖維導(dǎo)線由價格昂貴的“貴族化”產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅軆?yōu)越、價格合理的“平民化”“常規(guī)化”產(chǎn)品，使之不僅可用于短距離線路的增容改造，甚至有取代鋼芯鋁絞線廣泛應(yīng)用于超高壓、特高壓長距離線路，普遍提高線路安全運(yùn)行水平的廣闊應(yīng)用前景。