新型电力解决方案：碳纤维复合芯铝导线ACCC电缆
By www.carbonfiber.com.cn
经过多年的合作，亨斯迈与中国电科院正式建立了有关开发新一代碳纤维复合材料芯导线的研发合作关系。本文介绍了合作项目的背景、技术挑战、解决方案，以及项目的进展情况。
项目背景
我国是个高速发展的国家，输电能力的发展跟不上生产和消费的增长速度。现有的输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于超负荷用电造成停电、断电故障频发，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”。
目前架空输电电网广泛采用的是钢芯铝绞线（简称“ACSR”），但由于电缆钢芯的重量、强度和热膨胀系数等因素制约，钢芯铝绞线电缆输电容量有限。由于工业产能复苏和夏季居民用电需求的猛烈增加，以及东南沿海经济发达地区相对紧张的土地供应，这个问题变得更加严峻。电阻损耗放热和高温天气使得架空电缆产生热膨胀，从而发生电缆下垂，成为安全隐患。
近年来，以日本和美国为首的各国都在研究新型架空输电用导线，以取代传统的钢芯铝绞线。使用高性能环氧树脂生产的碳纤维复合芯电缆具有重量轻、强度高的特点，它在高温下的热膨胀系数较低，弛度更小，可在较高温度下工作。与相同截面的其它导体相比，采用碳纤维复合芯的电缆可比传统电缆多承载28%的铝导线，所传输的电流容量可提高50%-100%。因此，中国电力行业对碳纤维复合芯铝导线（简称“ACCC”）的强烈需求应运而生。
架空导线在户外运作，需要经受紫外线、高低温、风雨雪等各种严酷户外气候条件的考验，对于导线的耐候性和力学性能提出了极高的要求。这一点恰恰和航空航天领域对于复合材料的技术要求有很强的共性。
亨斯迈先进材料事业部是全球最大的高性能环氧树脂基础制造商和销售商，为全球航空航天产业提供高性能环氧树脂已有60多年历史。该公司同时在环氧树脂配方的研发、应用及制造方面拥有丰富的经验，并致力于突破性和创新性技术的研发和产业化推广，逐步将其在航空航天领域的先进经验和产品应用于其它民用行业，包括电力、汽车、新能源、印刷电路板等。2010年，亨斯迈开始关注国内的市场，建立亚太区的ACCC树脂配方研发团队，依托公司树脂配方产品的科研和市场开发技术优势，参考公司高性能多官能环氧树脂在航天航空领域的经验，在两年的反复试验开发中，始终致力环氧树脂配方优化，以兼顾复合芯杆材各项性能，满足国内规范及市场的要求。
中国电力科学研究院（简称中国电科院）是国家电网公司直属科研单位，是中国电力行业多学科、综合性的科研机构。中国电科院早在2008年开始使用亨斯迈的高性能环氧树脂产品，用于研发高性能的碳纤复合芯产品。双方即展开初步的合作。2010年，双方的合作进一步升级，亨斯迈集团开始与中国电科院合作开发针对中国市场的碳纤复合芯用树脂配方产品。2012年，双方正式确定战略合作伙伴关系，发挥双方各自的技术优势，共同开发更符合市场需求，更安全、稳定的碳纤复合芯产品。
技术挑战
我国输电电网架设广泛采用的ACSR，在超负荷运行时发生电缆下垂而影响生产用电安全。据统计，超长距离的线路输电产生大量的电阻损耗，约占总电能损耗的15%。采用以高性能环氧树脂制造的碳纤复合芯电缆（ACCC）可以减少电缆弛度，提高输电效率。
ACCC的优势显而易见，然而要大规模投入使用，还存在各种技术难题。
虽然ACCC复合芯制造所使用的拉挤成型工艺已经是比较成熟的复材成型方法， 但是该工艺多以使用热塑性树脂为主，使用需高温和快速固化的多官能热固性环氧树脂尚不多见。因此开发适用于ACCC复合芯拉挤工艺配套的工艺，需要结合拉挤设备制造，环氧树脂配方设计和复合材料制造等多方面的技术和经验。
ACCC的另一核心技术是复合芯棒制造中所使用的关键材料——高性能环氧树脂配方体系的开发。由于ACCC将应用于架空导线在户外运作，需要经受紫外线、高低温、风雨等各种严酷户外气候条件的考验。因此该产品的技术要求除了具备增加输电容量之外，更重要的是产品长期使用的安全性，主要体现为耐候性和相应的力学机械性能。环氧树脂配方体系的设计决定了ACCC在该方面的性能表现。在树脂配方体系中，不同固化剂体系、促进剂，及其它添加剂的选择对复合芯制造工艺参数及最终产品各方面性能的影响都至关重要。
目前市场上的碳纤维复合芯产品在耐候性和力学性能上与用户的实际要求还有一定的差距，碳纤维复合芯材料在各种环境因素作用的抗老化寿命及应对极端情况下野外现场实际施工的要求有待进一步提高。因此，全面推广ACCC产品以取代ACSR尚需时日。
解决方案
在这样的挑战下，中国电科院希望通过加强与亨斯迈的合作，共同开发出更加安全，稳定的碳纤复合芯环氧树脂配方产品，广泛应用于新一代智能国家电网输电线路改造。中国电科院的项目负责人表示：“在同时兼顾产品各项性能，以保证各项指标都达到或高于国家标准，同时满足现场实际施工的极端工况是我们的目标，我们希望借助于亨斯迈在高性能多官能环氧树脂的制造及树脂配方开发的实力，发挥电科院在电力行业的技术优势，一起开发出高标准，高性能，满足市场实际需求的产品。”
“尽管国内对于ACCC的研究并不是最近才开始，从上游原材料供应企业到下游电力企业，对此的讨论和探索从未间断，但由于这‘兼顾各项性能’并不容易做到，ACCC投入市场的步伐一再放缓。但我们看到市场的需求仍然很强烈，也相信我们在航天航空复材领域和树脂配方开发的经验可以帮助我们达到ACCC复材缆芯的严苛要求。”亨斯迈先进化工材料亚太区研发总监何尾胜博士如是说。
2012年，中国电科院与亨斯迈签署合作备忘录，正式开启新一代ACCC复合材料缆芯的产品研发。
高性能多官能环氧树脂因其优异的热力学和机械性能，在高端复合材料中已被广泛的使用。亨斯迈先进化工材料亚太区研发经理吴华峰博士表示，基于亨斯迈集团所生产的高性能多功能环氧基础树脂所开发的第一代双组份低粘度拉挤配方Araldite®CY/Aradur® HY 5198，能提供优良的粘接性能和工艺性能；与碳纤维配合制成的芯棒具备优异的热力学性能和机械性能，包括高Tg温度、耐候性强、抗老化性能优异，高拉伸强度、高柔韧性、高抗压性能等。其中，高Tg (> 190 ℃) 配方产品意味着电缆可以耐受更高的运行温度，承载更大的输电电流。新一代的ACCC复合材料缆芯的产品开发将以第一代产品为基础，保留亨斯迈产品在热力学和机械性能方面的优势，通过调整配方的组份、平衡复合芯各方面的综合性能，来满足客户和市场的要求。
研发成果与下一步计划
2011年亨斯迈第一代碳纤维复合芯铝导线树脂配方产品上市以来，市场反响颇为热烈。2012年5月，使用亨斯迈所开发的高性能环氧树脂配方体系的碳纤维复合芯电缆在国内成功挂网运行，填补了国内碳纤维复合芯1B级产品的空白。
双方共同开发的新一代碳纤维复合芯铝导线树脂配方产品的开发也顺利进行中，目前已完成候选配方的筛选工作，即将进行复合芯的试制实验。
国务院于2012年6月发布的《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》中指出，“实施新的能源战略和优化能源资源配置的重要平台，涵盖发电、输电、变电、配电、用电和调度各环节，提高能源利用效率，确保安全、可靠、优质的电力供应。”并明确指出，大电网互联及远距离输电及其相关控制技术将是智能电网领域的科研关注热点之一。
在国家政策的指导下，双方必定加强合作，推进ACCC新产品的开发及中国市场推广工作。
随着国内ACCC电缆芯复合材料技术的进一步趋向成熟和市场化，ACCC电缆线将应用于更加广泛的全球电力市场中，尤其是一些输电走廊比较长或是地域地形有局限的地方：例如电网设施比较落后的印尼、越南和跟中国地形特质比较类似的美国、俄罗斯、印度等国家。“这些国家或是人口密度很高，或是地广人稀，输电距离特别长，因而输电用电需求都比较高，也都需要对架设电网进行升级改造等。” 亨斯迈先进化工材料亚太区市场经理张晋枫介绍道，“作为一个全球企业，亨斯迈既是产品和技术供应商，也是服务提供商，在很多国家都有自己的分公司和办事处。我们也希望能够协助中国合作企业伙伴出口ACCC缆线产品，在全球市场推广。”
经过多年的合作，亨斯迈与中国电科院正式建立了有关开发新一代碳纤维复合材料芯导线的研发合作关系。本文介绍了合作项目的背景、技术挑战、解决方案，以及项目的进展情况。
项目背景
我国是个高速发展的国家，输电能力的发展跟不上生产和消费的增长速度。现有的输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于超负荷用电造成停电、断电故障频发，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”。
目前架空输电电网广泛采用的是钢芯铝绞线（简称“ACSR”），但由于电缆钢芯的重量、强度和热膨胀系数等因素制约，钢芯铝绞线电缆输电容量有限。由于工业产能复苏和夏季居民用电需求的猛烈增加，以及东南沿海经济发达地区相对紧张的土地供应，这个问题变得更加严峻。电阻损耗放热和高温天气使得架空电缆产生热膨胀，从而发生电缆下垂，成为安全隐患。
近年来，以日本和美国为首的各国都在研究新型架空输电用导线，以取代传统的钢芯铝绞线。使用高性能环氧树脂生产的碳纤维复合芯电缆具有重量轻、强度高的特点，它在高温下的热膨胀系数较低，弛度更小，可在较高温度下工作。与相同截面的其它导体相比，采用碳纤维复合芯的电缆可比传统电缆多承载28%的铝导线，所传输的电流容量可提高50%-100%。因此，中国电力行业对碳纤维复合芯铝导线（简称“ACCC”）的强烈需求应运而生。
架空导线在户外运作，需要经受紫外线、高低温、风雨雪等各种严酷户外气候条件的考验，对于导线的耐候性和力学性能提出了极高的要求。这一点恰恰和航空航天领域对于复合材料的技术要求有很强的共性。
亨斯迈先进材料事业部是全球最大的高性能环氧树脂基础制造商和销售商，为全球航空航天产业提供高性能环氧树脂已有60多年历史。该公司同时在环氧树脂配方的研发、应用及制造方面拥有丰富的经验，并致力于突破性和创新性技术的研发和产业化推广，逐步将其在航空航天领域的先进经验和产品应用于其它民用行业，包括电力、汽车、新能源、印刷电路板等。2010年，亨斯迈开始关注国内的市场，建立亚太区的ACCC树脂配方研发团队，依托公司树脂配方产品的科研和市场开发技术优势，参考公司高性能多官能环氧树脂在航天航空领域的经验，在两年的反复试验开发中，始终致力环氧树脂配方优化，以兼顾复合芯杆材各项性能，满足国内规范及市场的要求。
中国电力科学研究院（简称中国电科院）是国家电网公司直属科研单位，是中国电力行业多学科、综合性的科研机构。中国电科院早在2008年开始使用亨斯迈的高性能环氧树脂产品，用于研发高性能的碳纤复合芯产品。双方即展开初步的合作。2010年，双方的合作进一步升级，亨斯迈集团开始与中国电科院合作开发针对中国市场的碳纤复合芯用树脂配方产品。2012年，双方正式确定战略合作伙伴关系，发挥双方各自的技术优势，共同开发更符合市场需求，更安全、稳定的碳纤复合芯产品。
技术挑战
我国输电电网架设广泛采用的ACSR，在超负荷运行时发生电缆下垂而影响生产用电安全。据统计，超长距离的线路输电产生大量的电阻损耗，约占总电能损耗的15%。采用以高性能环氧树脂制造的碳纤复合芯电缆（ACCC）可以减少电缆弛度，提高输电效率。
ACCC的优势显而易见，然而要大规模投入使用，还存在各种技术难题。
虽然ACCC复合芯制造所使用的拉挤成型工艺已经是比较成熟的复材成型方法， 但是该工艺多以使用热塑性树脂为主，使用需高温和快速固化的多官能热固性环氧树脂尚不多见。因此开发适用于ACCC复合芯拉挤工艺配套的工艺，需要结合拉挤设备制造，环氧树脂配方设计和复合材料制造等多方面的技术和经验。
ACCC的另一核心技术是复合芯棒制造中所使用的关键材料——高性能环氧树脂配方体系的开发。由于ACCC将应用于架空导线在户外运作，需要经受紫外线、高低温、风雨等各种严酷户外气候条件的考验。因此该产品的技术要求除了具备增加输电容量之外，更重要的是产品长期使用的安全性，主要体现为耐候性和相应的力学机械性能。环氧树脂配方体系的设计决定了ACCC在该方面的性能表现。在树脂配方体系中，不同固化剂体系、促进剂，及其它添加剂的选择对复合芯制造工艺参数及最终产品各方面性能的影响都至关重要。
目前市场上的碳纤维复合芯产品在耐候性和力学性能上与用户的实际要求还有一定的差距，碳纤维复合芯材料在各种环境因素作用的抗老化寿命及应对极端情况下野外现场实际施工的要求有待进一步提高。因此，全面推广ACCC产品以取代ACSR尚需时日。
解决方案
在这样的挑战下，中国电科院希望通过加强与亨斯迈的合作，共同开发出更加安全，稳定的碳纤复合芯环氧树脂配方产品，广泛应用于新一代智能国家电网输电线路改造。中国电科院的项目负责人表示：“在同时兼顾产品各项性能，以保证各项指标都达到或高于国家标准，同时满足现场实际施工的极端工况是我们的目标，我们希望借助于亨斯迈在高性能多官能环氧树脂的制造及树脂配方开发的实力，发挥电科院在电力行业的技术优势，一起开发出高标准，高性能，满足市场实际需求的产品。”
“尽管国内对于ACCC的研究并不是最近才开始，从上游原材料供应企业到下游电力企业，对此的讨论和探索从未间断，但由于这‘兼顾各项性能’并不容易做到，ACCC投入市场的步伐一再放缓。但我们看到市场的需求仍然很强烈，也相信我们在航天航空复材领域和树脂配方开发的经验可以帮助我们达到ACCC复材缆芯的严苛要求。”亨斯迈先进化工材料亚太区研发总监何尾胜博士如是说。
2012年，中国电科院与亨斯迈签署合作备忘录，正式开启新一代ACCC复合材料缆芯的产品研发。
高性能多官能环氧树脂因其优异的热力学和机械性能，在高端复合材料中已被广泛的使用。亨斯迈先进化工材料亚太区研发经理吴华峰博士表示，基于亨斯迈集团所生产的高性能多功能环氧基础树脂所开发的第一代双组份低粘度拉挤配方Araldite®CY/Aradur® HY 5198，能提供优良的粘接性能和工艺性能；与碳纤维配合制成的芯棒具备优异的热力学性能和机械性能，包括高Tg温度、耐候性强、抗老化性能优异，高拉伸强度、高柔韧性、高抗压性能等。其中，高Tg (> 190 ℃) 配方产品意味着电缆可以耐受更高的运行温度，承载更大的输电电流。新一代的ACCC复合材料缆芯的产品开发将以第一代产品为基础，保留亨斯迈产品在热力学和机械性能方面的优势，通过调整配方的组份、平衡复合芯各方面的综合性能，来满足客户和市场的要求。
研发成果与下一步计划
2011年亨斯迈第一代碳纤维复合芯铝导线树脂配方产品上市以来，市场反响颇为热烈。2012年5月，使用亨斯迈所开发的高性能环氧树脂配方体系的碳纤维复合芯电缆在国内成功挂网运行，填补了国内碳纤维复合芯1B级产品的空白。
双方共同开发的新一代碳纤维复合芯铝导线树脂配方产品的开发也顺利进行中，目前已完成候选配方的筛选工作，即将进行复合芯的试制实验。
国务院于2012年6月发布的《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》中指出，“实施新的能源战略和优化能源资源配置的重要平台，涵盖发电、输电、变电、配电、用电和调度各环节，提高能源利用效率，确保安全、可靠、优质的电力供应。”并明确指出，大电网互联及远距离输电及其相关控制技术将是智能电网领域的科研关注热点之一。
在国家政策的指导下，双方必定加强合作，推进ACCC新产品的开发及中国市场推广工作。
随着国内ACCC电缆芯复合材料技术的进一步趋向成熟和市场化，ACCC电缆线将应用于更加广泛的全球电力市场中，尤其是一些输电走廊比较长或是地域地形有局限的地方：例如电网设施比较落后的印尼、越南和跟中国地形特质比较类似的美国、俄罗斯、印度等国家。“这些国家或是人口密度很高，或是地广人稀，输电距离特别长，因而输电用电需求都比较高，也都需要对架设电网进行升级改造等。” 亨斯迈先进化工材料亚太区市场经理张晋枫介绍道，“作为一个全球企业，亨斯迈既是产品和技术供应商，也是服务提供商，在很多国家都有自己的分公司和办事处。我们也希望能够协助中国合作企业伙伴出口ACCC缆线产品，在全球市场推广。”
