碳纖維復合芯導線的特性及應用

魏國彬

摘 要：文章主要論述了碳纖維導線的特性及在老線路改造工程中的應用。希望能夠為相關行業(yè)的發(fā)展提供一些借鑒，并且為保護環(huán)境，節(jié)能減排，改善人類生態(tài)環(huán)境等方面做出應有的貢獻。

關鍵詞：碳纖維導線；特性；線路增容；ACCC/TW

引言

長期以來，架空輸電線路導線主要采用鋼芯鋁絞線以及相關產品，電力工業(yè)的飛速發(fā)展對架空輸電線路導線提出了更高的要求，促使各國科技人員研發(fā)各種新型導線。上世紀90年代末，人們開始嘗試用復合材料代替金屬材料來制作導線的承載部件，改善導線的弧垂特性，采用軟鋁型線代替硬鋁圓單絲，提高填充率和導電率，以達到提高線路輸送容量的目的。遠東控股集團于2002年開始跟蹤和研究導線領域這一新發(fā)展，并于2006年成功專門從事復合芯軟鋁絞線的研發(fā)、生產和銷售，經過近幾年的產品質量提升及市場化。碳纖維復合芯導線在電力行業(yè)中得到了廣泛的應用。

碳纖維復合芯軟鋁絞線的型號為JRLX/T（J-架空導線，RL-軟鋁，X-型線，T-碳纖維復合材料），規(guī)格用軟鋁型線標稱截面和復合芯標稱截面表示；國際上的通用型號為ACCC/TW（Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal wire）。

碳纖維復合芯導線由于復合芯的強度足夠高，不再需要鋁承擔受力作用，導電的鋁就可以采用退火狀態(tài)的軟鋁，軟鋁的截面設計成瓦型，可大幅減少導線的外徑。

隨著我國各行業(yè)電力需求的不斷增長，部分老舊輸電線路輸送能力不足，面臨增容改造的壓力。線路改造中，投資最大的項目是桿塔的更換，最棘手的問題是村民的土地問題，一種新型的導線“碳纖維復合芯導線”的產生，使老線路在不更換桿塔的前提下達到增容的目的。從節(jié)能、降低成本、增加輸送容量、提高電網安全運行等方面綜合看，推廣應用具有很大的經濟和社會效益。有助于構造安全，經濟，環(huán)保，高效輸電網絡。

1 碳纖維導線的結構

碳纖維導線ACCC/TW的結構獨特，內部是一根由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的復合芯，外層由一系列呈梯形截面的軟鋁線絞合而成。碳纖維復核芯承擔導線總的力學性能，具有強度高、密度小、膨脹系數(shù)小、耐腐蝕等特點。外層軟鋁具有導電率高、電阻小、自阻尼性能強的特點。碳纖維復合芯與軟鋁線絞制而成的導線，便具有優(yōu)良的性能：導線重量輕，電阻小，表面光滑不易舞動，拉力質量比大，弧垂隨溫度的變化小等。因此，可作為電力部門老舊線路改造、電力增容導線使用。其結構如圖1所示。

2 碳纖維導線的優(yōu)越特性

（1）導線的重量輕、強度大、在相同的運行應力時弧垂小；碳纖維復合芯材料的密度小（1.9g/cm3），約為普通鋼芯密度（7.8g/cm3）的1/4，標準導線中使用的鋼芯絞合后強度為1244N/mm2，而碳纖維導線ACCC/TW的復合芯抗拉強度最小值可以達到2150N/mm2，為前者的1.73倍。例如，直徑9.53mm的復合芯抗拉強度達到2414N/mm2，是鋼芯鋁絞線中鋼芯強度的1.94倍。

（2）導線的直流電阻和交流電阻小，線路運行時線損低；導線導電率高，載流量大允許運行溫度180℃，可大幅度增容。

（3）導線的膨脹系數(shù)小，復合材料芯線膨脹系數(shù)僅為鋼芯的1/8。在最低溫到最高的運行溫度范圍內弛度小。

（4）導線的外徑小，導線運行時的風偏及覆冰載荷小。

（5）導線耐腐蝕，使用壽命長；ACCC導線的復合芯由玻璃纖維材料制成，具有較高的耐腐蝕性能，與鋁線接觸不存在電腐蝕問題，可以解決長期運行中的腐蝕問題。

（6）導線表面緊湊、光滑，電暈損耗小。

3 碳纖維復合導線的主要技術要求

3.1 鋁線

根據(jù)目前的制造技術水平和工程的實際應用情況，提出了架空導線用軟鋁型線的主要技術要求：

（1）尺寸及尺寸偏差。軟鋁型線的尺寸應符合絞線的結構技術設計要求：同一絞合層軟鋁型線應用相同的標稱截面積，并且截面積的偏差應在2%的范圍內；不同絞合層的軟鋁型線應用相同標稱厚度，并且最大標稱截面與最小標稱截面的比值應不大于1.2。

（2）表面質量。軟鋁型線表面應光潔，并不得有良好商品不相稱的任何缺陷。

（3）抗拉強度。軟鋁型線的抗拉強度應在（60-95）MPa范圍內。

3.2 碳纖維復合芯

碳纖維復合材料具有高強度、低韌性的特點，而強度和韌性是一對矛盾。為了保證碳纖維復合芯導線的適應性，進行復合芯結構的優(yōu)化設計和確定碳纖維復合芯的合理強度是十分重要的。

碳纖維復合芯除了自身具有高強度、比重小、線膨脹系數(shù)小的特點外，還應具有優(yōu)秀的高、低溫特性，優(yōu)秀的卷繞、扭轉特性、優(yōu)秀的耐候性、耐腐蝕性、耐震動疲勞性，滿意的長期熱老化壽命。

碳纖維復合芯的主要技術要求：

（1）表面質量。復合芯表面應光潔，并不得有良好商品不相稱的任何缺陷。

（2）接頭。所有增強纖維不允許成束插接，成品復合芯不允許有接頭。

（3）抗拉強度。復合芯的抗拉強度，常溫時應達到2150MPa，180℃。*168h時應達到2000MPa。

（4）纏繞及扭曲性能。復合芯以不超過5轉/min的速度，在50倍復合芯直徑的芯軸上纏繞2圈，不應有裂紋，并能通過常溫強拉強度試驗。

（5）線膨脹系數(shù)。復合芯的線膨脹系數(shù)應不大于1.7*10-6/℃。

（6）密度。復合芯的密度應不大于1.9g/cm3。

（7）抗紫外線。對復合芯在波長340nm、輻照度1.55W/m2*nm的紫外線條件下暴露1008h，表面應不開裂，并且抗拉強度不小于2000MPa。

4 工程應用

華晉公司沙曲礦將由300萬噸/年改擴建為800萬噸/年，110kV變電所主變由2×25MVA增容至2×63MVA，原線路柳電-華晉3公里110kV線路，華晉110kV變電站一華晉35kV變電站5.6公里35kV線路，線路都為雙線LGJ-150型鋼芯鋁絞線，原有的導線難以滿足安全供電的要求，增容后需改為LGJ-300鋼芯鋁絞線，但由于主要線路已運行20多年，通道復雜，線下房屋密集，原通道改造桿塔的承載力不足，需更換桿塔及塔基，重新涉及村民征地問題，工程難度及費用很大，此時最佳的選擇是利用原有桿塔而另換輸送容量大的導線，碳纖維復合芯導線在不增加原有桿塔的受力和導線弧垂的條件下，代替原有的普通鋼芯鋁絞線增加容量已被廣泛應用，在經線路設計部門驗算后，確定采用ACCC-185/25型碳纖維復合芯耐熱導線替換原有導線能夠滿足改擴建后的用電需求，ACCC-185/25型碳纖維復合芯耐熱導線所允許的長期運行溫度為160℃，載流量為851A，變電所最大負荷時，線路電壓降約0.4U%，經驗算，ACCC-185型碳纖維復合芯耐熱導線能夠滿足華晉110kV變電所改擴建后安全用電的需求，而工程費用及工期大為節(jié)省。

ACCC-185型碳纖維復合芯耐熱導線與LGJ-150鋼芯鋁絞線的參數(shù)詳見表1。線路改造后繼續(xù)利用原有的鐵塔和避雷線，將原有導線和金具替換為ACCC-185型碳纖維復合芯導線和配套的耐熱型金具。

5 結束語

華晉公司線路增容改造工程已于2014年底完工，運行狀況良好，增容效果明顯，該工程的成功投入運行，獲得了山西焦煤集團、地方電力、施工、監(jiān)理等單位的一致好評和同行們的贊譽，為今后老舊線路需改造擴容的工程，積累了寶貴經驗。由此，我們認識到碳纖維復合芯導線是一種全新結構的節(jié)能型增容導線，具有低比重、低馳度、高強度、高導電率、倍容量等特性，同時降低了工程造價，優(yōu)化了路徑方案，縮短施工工期。并可用于大跨越、大落差、重冰區(qū)、高污染等特殊氣候和地理場合的線路。特別是復合芯外表為絕緣體的玻璃纖維層，碳芯與鋁層之間不存在接觸電位差，可以保護鋁導體免受電腐蝕，其使用壽命是傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線的2倍，是一種“環(huán)境友好型輸電線路用導線”。從保護環(huán)境、節(jié)能減排、改善人類生態(tài)環(huán)境方面來說，具有劃時代的現(xiàn)實意義。

參考文獻

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