淺談碳纖維復合芯（ACCC）導線的研究應用與發展前景

王建林

（四川省電力設計院 四川成都 610072）

淺談碳纖維復合芯（ACCC）導線的研究應用與發展前景

王建林

（四川省電力設計院 四川成都 610072）

碳纖維復合芯（ACCC）導線是一種新型的輸電線路用導線，具有重量輕、強度高、導電率高、熱膨脹系數小、耐高溫、弧垂小、載流量大和耐腐蝕的特點。闡述了這種導線在架空輸電線路項目擴容改造和新建線路上的研究應用，以及在國內電網建設中的發展前景。

碳纖維復合芯導線；特點；研究；應用；發展前景

引言

碳纖維復合芯（ACCC）導線作為架空輸送電力的新型載體，在輸電線路中占有極其重要的地位。隨著我國經濟的快速發展，我國對電力需求提升了許多，電力負荷不斷增加，因此導致我國輸電線路的電容量增大了很多，極大的威脅到了線路的正常運行。一旦輸電線路的電容量增加，最簡單也是最省錢的方法就是在原設施的基礎上只更換導線。但是這種情況下的更換條件就是，所進行更換的導線要符合原來桿塔設施的基本設計要求，導線的荷載不可以過高。因此，更換的導線不可以是傳統的導線材料，導線的材料選擇要滿足容量增加的特點。所謂增容并且節能的導線就是采用以碳纖維結構為基礎的新型復合材料導線。這種新型的材料與普通材質的導線相比，具有諸多的優勢特點，比如不會輕易的覆蓋冰雪、具有較強的抗腐蝕效果、導線的載流量比較大、導線在應用時的損耗比較小、具有較小的熱膨脹系數、并且，抗熱性能以及抗拉性能比較高，導線的材質比較輕等。使用這種新型的碳纖維結構的導線將以往高壓架空輸電線路常出現的問題得到了綜合解決。在未來有著比較高的應用與發展前景，有利于建立一個節約、高效、環保以及安全的輸電線路的網絡結構。既可以應用在對老舊線路路的改造中，又可以在輸電線路的新建設中廣泛應用，特別是那些位于特殊地理位置以及環境位置的輸電線路，即使污染較高、冰區較重、地理落差較大以及跨越較大的線路中也可以具有良好的應用效果。在輸電線路的全新建設過程中，碳纖維結構的導線可以提高電力系統的安全穩定性。也增加了導線的單位輸電容量，具有極高的經濟效益。此外當碳纖維結構導線應用在跨越較大的線路設計中，還可以有效的降低桿塔設施的建設高度，因此可以降低材料的應用，提高線路建設的社會與經濟效益。在經常冰雪覆蓋的重災區域中，采用碳纖維結構的導線可以有效的降低導線的故障率，提高耐冰性能，提高了線路應用的穩定與安全效果。在進行電網的改造時，或者是線路的擴建時，可以在原有的桿塔設施基礎上提高建設的效率，既可以提高導線的單位運輸容量還可以降低材料以及資源的使用，有效地降低了線路建設的資金投入。從長遠的角度來看，碳纖維結構的新材質導線符合經濟與環保要求，因此具有較高的社會與經濟應用價值，發展應用的前景相當廣闊。

1 ACCC導線簡介

碳纖維結構的復合材質導線，最早是應用于航天設備及空間站。它是一種復合高強度碳纖維材質的輸電導線，芯線是由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆構成。這種材質的導線含有碳纖維，而其中的碳纖維材質經歷了一系列比較高強度的處理，因此該種材料具有較高的強度與拉伸力。芯線外層與鄰外層主要有鋁線股構成。

ACCC導線（左）與ACSR導線（右）的對比圖如圖1所示，經過兩種導線的各種型式試驗，表明ACCC導線具有良好的機械和電氣特性。

圖1 ACCC導線（左）與ACSR導線（右）的對比圖

2 ACCC導線的特點

2.1 抗拉強度高

一般鋼絲的抗拉強度為1240MPa，高強鋼絲為1410MPa，而ACCC導線的抗拉強度可達到2399MPa，分別為前者1.93倍和1.7倍。試驗證明其拉斷力比常規ACSR提高了30%。ACCC導線材質具有較高的抗拉能力，因此這種情況下可以提高桿塔之間的建設距離，節約了桿塔的建設數量，從而有效的降低了成本的支出，提高了經濟效益。

2.2 弧垂小，線膨脹系數也小

當溫度在26～183°范圍內浮動時，弧垂變化情況見表1。

表1

從表1可以看出：碳纖維復合芯導線弧垂未出現更大的變化，與普通材質的導線相比只是占據了10%。一旦導線運行的溫度上升到遷移點溫度時，無需顧及鋁芯的強度變化，僅僅需要考慮復合芯的受力情況，這些優勢特征具有很好的功能作用。能夠用來控制鐵塔的高度，從而減小線路走廊，節約土地資源，減少成本投資。

在相同的跨距下可縮短導線長度，節省導線。由于弧垂小，可采用較矮的鐵塔實現新建的大跨越以及普通線路工程，并可有效減小風偏，在特殊氣候條件下保證安全、可靠地輸送容量。

表2

從表2可以看出，碳纖維復合芯導線的熱膨脹系數要遠遠小于鋼芯鋁絞線，僅為鋼芯的1/8，即使在相關溫度條件下，碳纖維復合芯導線能夠承擔全部機械張力。鋁導體的一部分應力應該為0，相反，鋼芯鋁絞線由于的熱膨脹較大，就無法承擔拉力。

2.3 重量輕

從表3可以看出，復合材料芯密度為傳統鋼芯鋁絞線的1/4，在外直徑相同的情況下，即使碳纖維復合芯導線的鋁截面上升，達到普通鋼芯鋁絞線的1.29倍，但是，碳纖維的密度較小，同樣體積的導線，碳纖維的重量更輕，其重量僅為普通鋼芯鋁絞線的60～80%，其重量對比見表4。自重的減輕可使導線荷載減少約25%。重量輕和低弧垂的特性可以降低鐵塔高度，并使鐵塔內部結構更趨緊湊，縮小基礎根開，縮短施工工期，節省線路綜合造價。

表3

表4

2.4 導電率高，載流量大，運行溫度高

因為碳纖維復合芯導線內部不含有鋼性物質，就避免了在高電力、高磁力作用下所出現的磁滯和渦流熱效應。在輸送相同負荷的條件下，線路卻處于相對低溫狀態下，能夠有效降低約6%的線損。同樣的橫截面寬度，碳纖維導線的截面是普通鋼芯鋁絞線的1.29倍，因此可以增加約29%的載流量。其他材料的導線只能在70°以下工作，極限溫度只能達100°。然而這種材料的導線卻可以在高達140°的溫度下運行，最高溫度甚至能上升至180°，在這種高溫情況下，碳纖維復合芯導線的載流量是普通鋼芯鋁絞線的2倍左右。而其耐高溫特性也使得冰雪附著力極差，從而可以有效提高輸電線路的抗冰雪能力，在重覆冰區，可采用更小直徑的碳纖維復合芯導線，在不改變輸送容量的情況下實現安全輸送。

2.5 抗腐蝕性能好，使用周期長

碳纖維導線的復合芯由玻璃纖維絕緣材料制成，所以具有較高的抗腐蝕性能，與鋁線之間接觸也不存在電腐蝕問題，對于酸、堿性物質都能夠進行有效地抵抗，這樣就避免了輸電線路被酸雨所危害，解決了長期運行中的腐蝕問題。其抗老化性能也比普通導線更好，能夠同環境和諧相處，這樣可提高導線的運行壽命。

2.6 減少導線的電暈損耗以及電磁輻射的強度

碳纖維復合芯導線的特殊形狀的表面遠比普通鋼芯鋁絞線的表面更加平整光滑，有利于降低導線的電暈損耗，避免受到電磁輻射的干擾與影響。

2.7 便于施工的進行以及導線的實際安放

碳纖維復合芯導線可以按照普通鋼芯鋁絞線安放方法進行，不需要對現有的桿塔設施進行改造與建設。碳纖維復合芯導線的韌性較大，因此在安裝與施工的過程中不需要擔心過度的纏繞而造成導線的折斷。在施工的時候，靈活的金具構件還更利于安裝，具有較高的結構安全性。

3 碳纖維復合芯導線技術的研究現狀與應用

3.1 碳纖維復合芯導線在國外的研究與應用

20世紀90年代，國外日本對輸電線路的導線進行了詳細的研究，那時候研發的是由鋁絞線以及碳纖維材質構成的導線結構，在應用時可以有效的解決導線對地距離較低以及導線存在較大的弧垂問題。原理就是將碳纖維材質的復合芯代替一般鋼芯鋁絞線中的鋼芯。導線外形、結構構造形式和尺寸與傳統導線完全一樣。這種材料在日本東京進行了線路的適用，但是由于本身這個國家的線路新建工程比較少，因此ACFR導線沒有得到大規模應用。

美國（Composite Technology Corporation，CTC）公司研制開發的碳纖維復合材料芯軟鋁（ACCC）導線，2004年8月在德克薩斯州3.2km長的230kV線路上試運行。2005年和2006年，又在圣安東尼奧和加利福尼亞州等多條230kV線路上使用。近幾年，美國已在若干條改造或者新建線路上廣泛使用ACCC導線。

目前，日本、美國以及我國都研發出了這種新型材質的導線。而且，這種導線在輸電線路上應用比較廣泛。

3.2 ACCC導線在國內的研究與應用

（1）ACCC導線在國內的研究現狀

從2005年開始，國內多家單位開始了碳纖維復合材料芯導線的研究工作。主要包括：遠東電纜有限公司、中國電力科學研究院（以下簡稱中國電科院）、遼寧省電力公司與哈玻院、華北電力科學研究院和河北硅谷化工有限公司等。

江蘇遠東電纜有限公司于2005年成立了遠東復合技術有限公司。2006年7月，遠東復合技術有限公司碳纖維復合芯導線（ACCC）項目舉行奠基，我國成為2004年美國商業應用以后，第二個開發應用該技術的國家。

2007年我國大力研發了碳纖維復合芯材料的導線，并且研究的重點就是提高輸電線路的綜合能力。經過長時間的努力與研發過程，我國終于研究出來符合需求的導線，并且得到了廣泛的應用。

中國于2008年1月開始研究這種復合芯的碳纖維導線，主要依托國家電網公司科技項目“碳纖維復合芯擴容導線的研制開發”。中國電力科學研究院于2009年9月在霸州成立霸州國網富達科技發展有限公司，專門從事碳纖維復合芯導線項目的研發、生產和銷售。

中復碳芯電纜科技有限公司，由連云港中復連眾復合材料集團有限公司攜手遼寧省電力公司等多家企業共同投資設立，以哈爾濱玻璃鋼研究院的碳纖維復合芯導線先進生產技術為依托，專業從事ACCC導線的研究、指導和生產。

目前，經過國內多家科研機構和大型企業的聯合攻關，我國已經完全具備了復合芯材料的碳纖維導線的研發、設計以及制造等綜合技術，并且在關于樹脂體系以及玻璃纖維的研究領域取得了較大的成功，已經大規模的投入生產使用。我國對復合芯材質的碳纖維導線已經實現了自主化以及國產化，并先后進行掛網試運行成功。

（2）碳纖維復合芯導線在國內的應用

2006年7月，我國首條220kV碳纖維復合芯導線（ACCC）在福建省龍巖電業局園田塘變電站至曹溪變電站220kV線路掛網運行，導線全長5.2km。工程利用原線路鐵塔及大部分金具絕緣子等原材料，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導線工程改造相比至少縮短了3個月的工期。即滿足了增容要求，同時又縮短了改造舊線路的施工、停電時間。

2006年10月，江蘇無錫110kV孟村至陸區4.1km長的碳纖維復合芯導線（ACCC）順利建成投運，這是我國首條在110kV線路工程中使用碳纖維復合材料導線。應用這種新型導線，對于需要載流量較大的沿海地區來說，效益十分明顯。以無錫地區來說，常規的110kV單回線路新建的綜合造價約為80萬元/km，而采用碳纖維復合芯導線，其每公里的投資僅需大約50萬元，能夠節約近40%的費用，可大大減少工程投資。2009年1月華北電力科學研究院和河北硅谷化工有限公司合作開發的300/50在500kV萬順Ⅲ線470～473號段（線路長1.2km）掛網運行。至今未出現異常，運行效果良好。這標志著碳纖維復合芯導線在我國大線路中已經掛網運行。

（3）碳纖維復合芯導線的應用前景以及發展前景分析

通過我國以及國際上的較多理論與實踐經驗可知，ACCC導線是一個具有較高的應用價值和發展前景的產品，通過ACCC導線的成功研發以及大規模的應用，極大地解決我國電網建設中輸電線路的很多難題，打破了原有的導線不可進行快速擴容的現狀，也極大的降低了電網建設中架空線路的多發故障問題。

我國電力市場發展迅速，經濟水平的提高加大了對電力的需求，因此我國對各種輸電線路的建設數量比較多，規模比較大，所需要應用到的導線數量較多，根據實際統計可知，我國線路的面積增加了200萬km，加之，國外很多國家的采購，例如，美國、尼日利亞和印尼于2012年就采購了8500km的這種復合芯材質的碳纖維結構導線，潛在的市場相當客觀。

隨著國內碳纖維工業化的推進，ACCC導線價格也會相應降低，成本的降低必將帶動ACCC導線使用范圍不斷擴大，在老舊線路增容改造和新建線路工程中的應用前景將非常廣闊。

（4）碳纖維復合芯導線對我國資源、工業的影響

碳纖維復合芯導線的推廣對我國節能降耗、改善環境、推動新興產業發展還有著非常重要的意義，具有廣泛的應用前景。據測算，利用該技術制備碳纖維復合芯導線后，全國可以在同等輸電能力下節省導電鋁材近一半，大量降低有色金屬消耗。同時，每1萬千km導線需要消耗碳纖維約800t，可以帶動我國碳纖維行業的快速健康發展。

正是看到碳纖維復合芯導線的巨大市場前景，國內眾多企業紛紛與國內的碳纖維工程技術研究中心展開合作。其中，山東魯發碳纖維復合材料公司建設的碳纖維復合芯導線芯棒項目，年生產能力達2萬km；河北硅谷化工公司年產1.5萬km的碳纖維復合芯棒項目，年產值超過1.3億元；此外，河南科信電纜公司、內蒙古浩源碳纖維公司、青島漢纜公司的相關項目也實現了產業化。

目前，碳纖維導線已在我國多個地區掛網運行。這不僅將大大推動我國電力技術發展，而且將帶動我國碳纖維行業的快速健康發展。

4 結語

（1）ACCC導線是一種具有重量輕、強度高、導電率高、熱膨脹系數小、耐高溫、弧垂小、載流量大和耐腐蝕等諸多優點的導線，它的成功研發解決了老舊線路的增容改造和新建線路走廊緊張的難題，同時，優良的弧垂特性和耐腐蝕性能，也使ACCC導線在大跨越、污染嚴重的礦區、腐蝕嚴重的沿海地區線路中具有良好的作用，是目前電力系統中取代傳統鋼芯鋁絞（ACSR）導線的理想產品。

（2）從節約能源、節省土地、保護環境、降低成本、提高電力輸送能力、施工便利的方面來考慮，ACCC導線具有較高的應用價值以及發展前景。這種新材質的導線由于采用了復合芯的碳纖維材料，因此在使用時具有較高的社會、環境、經濟等綜合價值與效益。當今世界是一個節能環保的社會，在各種因素的制約下，ACCC導線可以極大的提高應用的綜合價值。雖然目前ACCC導線價格過高，大約是普通鋼芯鋁絞線的4～5倍，但隨著我國碳纖維工業的不斷發展，ACCC導線價格也會持續降低，這樣，勢必會帶動大范圍的使用，可見，ACCC導線技術在我國電力建設中具有很好的應用前景。

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TM24

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1004-7344（2016）09-0048-03

2016-3-12

王建林（1978-），男，工程師，本科，主要從事輸電線路設計工作。