高端新产品：碳纤维复合芯电缆
By www.carbonfiber.com.cn
目前,架空输电仍是输送电力的主体 ,电缆的技术革新已取得显著成效。早在 20 世纪 90 年代,日本就开始用碳纤维复合材料代替钢芯来研发新一代电缆。这种新型电缆具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、输送电容量大、线损小、弛度低和热膨胀系数小等一系列优异性能 ,从而引起各国的极大关注。之后,美国研制碳纤维和玻璃纤维复合芯铝绞电缆(Aluminum conductor composite core reinforced cable , ACCC) , 获得成功 ,使其成为当今典型的新一代电缆 ,是传统钢芯铝绞电缆(Aluminum Conductor Steel Reinforced , ACSR) 的更新换代产品。目前 ,这种新型电缆仍处于试用阶段。随着时间的推移 ,在累积实际经验并解决一系列具体的技术问题后 ,有望大面积推广使用 ,必将带来巨大的经济效益和社会效益。
我国也正在研发这种电缆 ,并从美国复合材料技术公司(Composite Technology Corporation , CTC)购买 ACCC, 在实际电网中试用 ,取得第一手数据以促进其在我国的推广使用提高国内输电技术水平 ,满足社会对电力的需求。
图 1 是ACCC和 ACSR的截面结构图。
图1：碳纤维复合铝绞电缆（左）和钢芯铝绞电缆（右）
1 碳纤维复合芯电缆的优点
碳纤维复合芯电缆与传统的钢芯铝绞电缆相比较具有以下优点:
(1)重量轻:碳纤维复合芯的密度约为 1190g/cm ,钢的密度为 718g/cm 。前者是后者的 1/4。因此 ,架空电缆的杆塔跨距可增长 ,减少塔杆数约为 16 %左右 ,同时减少占地面积。
(2) 强度高 , 破 断 力 大。ACCC 的 拉 伸 强 度 约 为2399MPa ,是普通钢丝的1197倍 ,是高强度钢的117 倍。试验表明 ,破断力提高了 30 %。ACCC强度高 ,承载外力主要由碳纤维复合芯来承担 ,铝绞线几乎不受拉力 ,可提高使用寿命。
(3)导电率高 ,载流量大。相同直径 ACCC中的铝线截面积是常规 ACSR的 1129 倍 ,载流量提高 29 %左右。这是基于以下几个原因:碳纤维复合芯强度高于钢芯 ,因而芯棒直径比钢芯细 ,容纳铝线多 ,导电截面积大;ACCC 的铝线为梯形截面 ,而 ACSR为圆形截面 ,前者易紧凑密排(参看图 1) ;ACCC外层铝线可采用导电率为 63 %的 JACS 软铝线 ,与硬铝线61 %的 IACS相比 ,导电率可提高 313 %。
(4)线路损耗小。碳纤维复合材料是一种非磁性材料 ,当导线通过交流电时不会产生磁滞损耗和涡流损耗 ,呈现出更小的交流电阻。一般来说 ,可减少输电损耗 6 %左右。同时由于 ACCC采用梯形铝线 ,使其外表比 ACSR 的圆形铝线更加光滑 ,提高了表面粗糙系数 ,从而提高了导线的电晕起始电压 ,减少了电晕损失。
(5)耐腐蚀 ,使用寿命长。碳纤维复合芯棒避免了钢芯在通电时铝线与镀锌钢丝之间的电化学腐蚀 ,使铝导线长期使用而耐老化。同时 ,碳纤维芯棒外层为绝缘的玻璃纤维层 ,有的还在玻璃纤维层外围包覆聚四氟乙烯层或喷涂绝缘物质 ,使芯棒与铝线完全绝缘 ,两者之间不存在接触电位差 ,使铝导线免受电腐蚀(参看图 2) 。
(6)线膨胀系数小 ,弛度小。ACCC 的线膨胀系数为 116- 6 - 6×10 / ℃左右 ,ACSR为 11.5 ×10 / ℃,两者相差甚远。条件试验表明 ,当温度由 2611 ℃上升到 186 ℃时 ,ACSR 导线的弛度从236mm增加到1422mm ,增加了5 倍左右 ,而ACCC导线仅从 198mm增加到 312mm,仅增加了 0157 倍。显然 ,AC2CC的弛度变化仅为 ACSR 的 916 %。这表明 ,ACCC 电缆可适应昼夜温差、冬夏温差的变化环境 ,是一种安全型的高端产品。
2 碳纤维复合芯电缆的制造简述
碳纤维复合芯铝绞电缆的制造技术日臻成熟 ,主要采用连续拉挤法。核心技术是芯棒的制造 ,关键材料是高温韧性环氧树脂。在碳纤维复合芯棒中 ,碳纤维占 35 %,玻璃纤维占35 %,高温韧性环氧树脂占 30 %。所用碳纤维的拉伸强度高和断裂伸长大 ,例如采用日本东丽公司生产的 T700S;玻璃纤维采用耐碱的 E型 ,即 E2GF。T700S和 E2GF 的性能列于表1。用韧性环氧树脂可制得具有耐冲击性的韧性芯棒。
由表 1 列出的数据可知 , E2GF 的断裂伸长值大于T700S,因而为所制芯棒提供韧性和耐冲击性能。同时 ,E2GF的价格低于 T700S,可降低生产成本。E2GF 为绝缘体 ,为芯棒提供绝缘层。所用环氧树脂为高温型的韧性树脂。这是制造复合芯棒的又一技术核心。这种树脂固化温度高达 260 ℃(500 ℉) ,一般环氧树脂 648 或 AG80 的固化温度都低于此值。换言之 ,这种高温固化型环氧树脂具有特殊的耐热结构。此外 ,还需要增韧改性 ,使所制芯棒具有韧性 ,而不是硬棒。否则不会通过放线滑轮试验。连续拉挤成型是成熟工艺。但制造碳纤维复合芯棒具有一定的特殊性。将碳纤维筒放在整理架上 ,单向(0°)集束 ,包覆玻璃纤维 ,浸渍环氧树脂胶液 ,通过钢制模口 ,以控制直径 ,然后通过固化炉 ,固化成型。芯棒直径可在 0119～19mm 范围内调节 ,拉挤速度可在 2.7～18m/ min 范围内调节。图 2是 ACCC 的截面结构示意图。由图 2 左可以看出 ,为提高芯棒与导电铝层之间的绝缘性 ,有绝缘保护涂层或绝缘膜 ,以消除通电后两者之间的电位差。
图 2 碳纤维复合芯铝绞电缆的截面结构图
(1、碳纤维增强环氧树脂复合材料内芯;2、玻璃纤维增强环氧树脂复合材料外芯;3、第一层梯形铝导线;4、第二层梯形铝导线;5、保护性涂层或膜;)
表 2 列出了 ACCC导线的技术参数 ,以供制造和使用时参考。
表 2 ACCC导线的技术参数
3 应用概况
据 CTC公司报道 ,该公司在 2005 年出售了 3500 公里长的 ACCC产品。犹他州电力系统于 2006 年在盐湖城开始在其约10～11kg的电网中投入试用。从田纳西州到加利福尼亚州的另外 7 个项目于 2007 年开始实施。CTC 公司估计 ,2008 年中期 ,市场对该产品的需求量每年超过 60 亿美元。国内远东控股集团有限公司 2006 年 1 月注册成远东复合材料有限公司 ,与美国 CTC公司合作推出的碳纤维电缆在全国 40 余条输电线路挂网运行。河北硅谷化公司投资 518亿元建立研发和生产基地 ,其中 2 亿元建立年产 1200t 碳纤维生产线 ,318 亿元建立 ACCC生产线。2007 年 5 月 4 日 ,浙江宁波送变电建设公司员工开始对 220V 河慈、河溪线两回导线实施增容“手术”,总长 35kg 的普通钢芯铝绞线替换成美国CTC公司生产的 ACCC电缆 ,这种电缆在浙江省内是首次采用。改造后 ,两条线路共增容 30 万 kVA。对慈溪地区迎峰度夏期间减少拉限电起了重要作用。天津电网已于去年在
220V 线路中探索使用 ACCC,取得明显效果 ,并将在今后的电网建设改造中创新推广应用。目前 ,天津景卫 220V 线路碳纤维复合芯铝绞线总长度为 11126km,试运行一年以来安全稳定。此次景卫 220V 线路更换碳纤维复合芯铝绞线 ,整体投资低于新建同等容量常规线路投资约 30 %;而且输变电工程的电力线路投入一条线路可获二条线路的运行价值 ,减少新建线路一半的占用面积 ,节约了可观的土地资源。2009 年 8月 28 日 ,110V 太康高朗(谢安)输变电工程碳纤维复合芯铝绞线两个孤立档顺利通过验收投产。这是碳纤维复合芯铝绞线在河南省 110V 输电线路上首次使用 ,它的成功投产将对今后高压电力输电线路上使用碳纤维复合芯铝绞线提供有价值的运行数据 ,对河南省电力输电输送能力的提高起到积极的
推动作用。
4 展望
我国购买国外碳纤维复合芯铝绞电缆已在许多电网中开始试用。与此同时 国内研发这种新型电缆也正在进行。新型电缆价格是传统产品的3～5倍, 需投入较多的资金,因此建设成本是目前ACCC导线推广应用的主要制约因素。随着ACCC碳纤维质量提高、产量扩大价格下降 有利于ACCC电缆的推,广使用。无疑 电缆将随着我国碳纤维工业的蓬勃发展ACCC必将有良好的应用前景。
作者简介:孙微(1968 - ) ,女,大学专科,实验师,主要从事碳纤维技术情报工作。
参考文献
[ 1 ] 章龙才,蒋锡培,尤传永.新型复合材料合成芯导线的现状和展望[M].电网建设新技术,中国电力出版社,2005:384 392.
[ 2 ] 尤传永.架空输电线路新型复合材料合成导线的开发研究.电力建设,2004 ,25(11) :1 6.
[ 3 ] 杨宁. ACCC碳纤维复合芯导线技术在我国的应用前景分析.电气应用,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 ] 余朝胜.碳纤维复合芯(ACCC)导线在输电线路中的应用.广东输电与变电技术, 2008 ,(4) :12214.
目前,架空输电仍是输送电力的主体 ,电缆的技术革新已取得显著成效。早在 20 世纪 90 年代,日本就开始用碳纤维复合材料代替钢芯来研发新一代电缆。这种新型电缆具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、输送电容量大、线损小、弛度低和热膨胀系数小等一系列优异性能 ,从而引起各国的极大关注。之后,美国研制碳纤维和玻璃纤维复合芯铝绞电缆(Aluminum conductor composite core reinforced cable , ACCC) , 获得成功 ,使其成为当今典型的新一代电缆 ,是传统钢芯铝绞电缆(Aluminum Conductor Steel Reinforced , ACSR) 的更新换代产品。目前 ,这种新型电缆仍处于试用阶段。随着时间的推移 ,在累积实际经验并解决一系列具体的技术问题后 ,有望大面积推广使用 ,必将带来巨大的经济效益和社会效益。
我国也正在研发这种电缆 ,并从美国复合材料技术公司(Composite Technology Corporation , CTC)购买 ACCC, 在实际电网中试用 ,取得第一手数据以促进其在我国的推广使用提高国内输电技术水平 ,满足社会对电力的需求。
图 1 是ACCC和 ACSR的截面结构图。
图1：碳纤维复合铝绞电缆（左）和钢芯铝绞电缆（右）
1 碳纤维复合芯电缆的优点
碳纤维复合芯电缆与传统的钢芯铝绞电缆相比较具有以下优点:
(1)重量轻:碳纤维复合芯的密度约为 1190g/cm ,钢的密度为 718g/cm 。前者是后者的 1/4。因此 ,架空电缆的杆塔跨距可增长 ,减少塔杆数约为 16 %左右 ,同时减少占地面积。
(2) 强度高 , 破 断 力 大。ACCC 的 拉 伸 强 度 约 为2399MPa ,是普通钢丝的1197倍 ,是高强度钢的117 倍。试验表明 ,破断力提高了 30 %。ACCC强度高 ,承载外力主要由碳纤维复合芯来承担 ,铝绞线几乎不受拉力 ,可提高使用寿命。
(3)导电率高 ,载流量大。相同直径 ACCC中的铝线截面积是常规 ACSR的 1129 倍 ,载流量提高 29 %左右。这是基于以下几个原因:碳纤维复合芯强度高于钢芯 ,因而芯棒直径比钢芯细 ,容纳铝线多 ,导电截面积大;ACCC 的铝线为梯形截面 ,而 ACSR为圆形截面 ,前者易紧凑密排(参看图 1) ;ACCC外层铝线可采用导电率为 63 %的 JACS 软铝线 ,与硬铝线61 %的 IACS相比 ,导电率可提高 313 %。
(4)线路损耗小。碳纤维复合材料是一种非磁性材料 ,当导线通过交流电时不会产生磁滞损耗和涡流损耗 ,呈现出更小的交流电阻。一般来说 ,可减少输电损耗 6 %左右。同时由于 ACCC采用梯形铝线 ,使其外表比 ACSR 的圆形铝线更加光滑 ,提高了表面粗糙系数 ,从而提高了导线的电晕起始电压 ,减少了电晕损失。
(5)耐腐蚀 ,使用寿命长。碳纤维复合芯棒避免了钢芯在通电时铝线与镀锌钢丝之间的电化学腐蚀 ,使铝导线长期使用而耐老化。同时 ,碳纤维芯棒外层为绝缘的玻璃纤维层 ,有的还在玻璃纤维层外围包覆聚四氟乙烯层或喷涂绝缘物质 ,使芯棒与铝线完全绝缘 ,两者之间不存在接触电位差 ,使铝导线免受电腐蚀(参看图 2) 。
(6)线膨胀系数小 ,弛度小。ACCC 的线膨胀系数为 116- 6 - 6×10 / ℃左右 ,ACSR为 11.5 ×10 / ℃,两者相差甚远。条件试验表明 ,当温度由 2611 ℃上升到 186 ℃时 ,ACSR 导线的弛度从236mm增加到1422mm ,增加了5 倍左右 ,而ACCC导线仅从 198mm增加到 312mm,仅增加了 0157 倍。显然 ,AC2CC的弛度变化仅为 ACSR 的 916 %。这表明 ,ACCC 电缆可适应昼夜温差、冬夏温差的变化环境 ,是一种安全型的高端产品。
2 碳纤维复合芯电缆的制造简述
碳纤维复合芯铝绞电缆的制造技术日臻成熟 ,主要采用连续拉挤法。核心技术是芯棒的制造 ,关键材料是高温韧性环氧树脂。在碳纤维复合芯棒中 ,碳纤维占 35 %,玻璃纤维占35 %,高温韧性环氧树脂占 30 %。所用碳纤维的拉伸强度高和断裂伸长大 ,例如采用日本东丽公司生产的 T700S;玻璃纤维采用耐碱的 E型 ,即 E2GF。T700S和 E2GF 的性能列于表1。用韧性环氧树脂可制得具有耐冲击性的韧性芯棒。
由表 1 列出的数据可知 , E2GF 的断裂伸长值大于T700S,因而为所制芯棒提供韧性和耐冲击性能。同时 ,E2GF的价格低于 T700S,可降低生产成本。E2GF 为绝缘体 ,为芯棒提供绝缘层。所用环氧树脂为高温型的韧性树脂。这是制造复合芯棒的又一技术核心。这种树脂固化温度高达 260 ℃(500 ℉) ,一般环氧树脂 648 或 AG80 的固化温度都低于此值。换言之 ,这种高温固化型环氧树脂具有特殊的耐热结构。此外 ,还需要增韧改性 ,使所制芯棒具有韧性 ,而不是硬棒。否则不会通过放线滑轮试验。连续拉挤成型是成熟工艺。但制造碳纤维复合芯棒具有一定的特殊性。将碳纤维筒放在整理架上 ,单向(0°)集束 ,包覆玻璃纤维 ,浸渍环氧树脂胶液 ,通过钢制模口 ,以控制直径 ,然后通过固化炉 ,固化成型。芯棒直径可在 0119～19mm 范围内调节 ,拉挤速度可在 2.7～18m/ min 范围内调节。图 2是 ACCC 的截面结构示意图。由图 2 左可以看出 ,为提高芯棒与导电铝层之间的绝缘性 ,有绝缘保护涂层或绝缘膜 ,以消除通电后两者之间的电位差。
图 2 碳纤维复合芯铝绞电缆的截面结构图
(1、碳纤维增强环氧树脂复合材料内芯;2、玻璃纤维增强环氧树脂复合材料外芯;3、第一层梯形铝导线;4、第二层梯形铝导线;5、保护性涂层或膜;)
表 2 列出了 ACCC导线的技术参数 ,以供制造和使用时参考。
表 2 ACCC导线的技术参数
3 应用概况
据 CTC公司报道 ,该公司在 2005 年出售了 3500 公里长的 ACCC产品。犹他州电力系统于 2006 年在盐湖城开始在其约10～11kg的电网中投入试用。从田纳西州到加利福尼亚州的另外 7 个项目于 2007 年开始实施。CTC 公司估计 ,2008 年中期 ,市场对该产品的需求量每年超过 60 亿美元。国内远东控股集团有限公司 2006 年 1 月注册成远东复合材料有限公司 ,与美国 CTC公司合作推出的碳纤维电缆在全国 40 余条输电线路挂网运行。河北硅谷化公司投资 518亿元建立研发和生产基地 ,其中 2 亿元建立年产 1200t 碳纤维生产线 ,318 亿元建立 ACCC生产线。2007 年 5 月 4 日 ,浙江宁波送变电建设公司员工开始对 220V 河慈、河溪线两回导线实施增容“手术”,总长 35kg 的普通钢芯铝绞线替换成美国CTC公司生产的 ACCC电缆 ,这种电缆在浙江省内是首次采用。改造后 ,两条线路共增容 30 万 kVA。对慈溪地区迎峰度夏期间减少拉限电起了重要作用。天津电网已于去年在
220V 线路中探索使用 ACCC,取得明显效果 ,并将在今后的电网建设改造中创新推广应用。目前 ,天津景卫 220V 线路碳纤维复合芯铝绞线总长度为 11126km,试运行一年以来安全稳定。此次景卫 220V 线路更换碳纤维复合芯铝绞线 ,整体投资低于新建同等容量常规线路投资约 30 %;而且输变电工程的电力线路投入一条线路可获二条线路的运行价值 ,减少新建线路一半的占用面积 ,节约了可观的土地资源。2009 年 8月 28 日 ,110V 太康高朗(谢安)输变电工程碳纤维复合芯铝绞线两个孤立档顺利通过验收投产。这是碳纤维复合芯铝绞线在河南省 110V 输电线路上首次使用 ,它的成功投产将对今后高压电力输电线路上使用碳纤维复合芯铝绞线提供有价值的运行数据 ,对河南省电力输电输送能力的提高起到积极的
推动作用。
4 展望
我国购买国外碳纤维复合芯铝绞电缆已在许多电网中开始试用。与此同时 国内研发这种新型电缆也正在进行。新型电缆价格是传统产品的3～5倍, 需投入较多的资金,因此建设成本是目前ACCC导线推广应用的主要制约因素。随着ACCC碳纤维质量提高、产量扩大价格下降 有利于ACCC电缆的推,广使用。无疑 电缆将随着我国碳纤维工业的蓬勃发展ACCC必将有良好的应用前景。
作者简介:孙微(1968 - ) ,女,大学专科,实验师,主要从事碳纤维技术情报工作。
参考文献
[ 1 ] 章龙才,蒋锡培,尤传永.新型复合材料合成芯导线的现状和展望[M].电网建设新技术,中国电力出版社,2005:384 392.
[ 2 ] 尤传永.架空输电线路新型复合材料合成导线的开发研究.电力建设,2004 ,25(11) :1 6.
[ 3 ] 杨宁. ACCC碳纤维复合芯导线技术在我国的应用前景分析.电气应用,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 ] 余朝胜.碳纤维复合芯(ACCC)导线在输电线路中的应用.广东输电与变电技术, 2008 ,(4) :12214.
