鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

張方正

（國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

·新材料應(yīng)用·

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

張方正

（國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（ACCC導(dǎo)線）具有低弧垂、大容量、節(jié)能減排等綜合經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢，已實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。ACCC導(dǎo)線施工過程中容易折損，且無法探測，易造成停電及安全隱患；碳纖維導(dǎo)線需要特種連接金具，工藝復(fù)雜、成本高、施工過程繁瑣，嚴(yán)重限制了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的推廣使用。與ACCC導(dǎo)線相比，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有截面積大、保護碳纖維芯、不易折損、連接金具成本低、操作簡單和施工方便等特性，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型超／特高壓等輸電網(wǎng)絡(luò)，代表了未來碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線技術(shù)的發(fā)展趨勢。

碳纖維導(dǎo)線；鋁包覆；碳纖維復(fù)合芯；連接金具

0 引言

20世紀(jì)90年代早期，日本首先研制了碳復(fù)合材料芯導(dǎo)線（ACFR），采用碳復(fù)合材料替代鋼芯。但是后來證明在碳復(fù)合材料與鋁絞線二者之間發(fā)生電偶腐蝕（電池效應(yīng)，雨水充當(dāng)電解液角色）。因此，該產(chǎn)品未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用［1］。美國CTC公司研制的碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線，2004年8月首次在安裝在試驗線段上，2005年1月正式在實際線路上應(yīng)用。我國是繼美國之后第二個在輸電線路上使用碳纖維導(dǎo)線的國家。2006年我國遠(yuǎn)東電纜通過與美國CTC的合作，使用美國CTC公司的碳纖維復(fù)合芯棒在遠(yuǎn)東公司進行軟鋁型線整體絞合生產(chǎn)碳纖維導(dǎo)線［2-4］。2007年底，在220 kV及以下電壓等級的輸電線路已經(jīng)有20多條已建成或是在建項目，2009年碳纖維導(dǎo)線首次使用在500 kV輸電線路。

1 輸電線路架空導(dǎo)線技術(shù)現(xiàn)狀

隨著技術(shù)進步及電力行業(yè)發(fā)展的需要，世界上許多國家的輸電線路上廣泛使用各類鋁合金導(dǎo)線，主要有全鋁合金絞線 （AAAC）、鋁合金芯鋁絞線（ACAR）、鋼芯鋁合金絞線（AACSR）等幾類［5］。 鋁質(zhì)材料本身的特征決定了ACSR導(dǎo)線有限的傳輸能力。輸電線路的允許傳輸容量（載流量）取決于鋁導(dǎo)體耐受溫度和截面積（在交流輸電時，由于集膚效應(yīng)電流密度是集中在鋁導(dǎo)體內(nèi)中，從而鋁導(dǎo)體運行溫度和截面積決定了ACSR的運行電阻）。熱拐點除了跟導(dǎo)線的構(gòu)成材料特性有關(guān)外，亦受到導(dǎo)線的張力和張力歷史影響。預(yù)應(yīng)力處理能降低熱拐點，如圖1所示。值得注意的是溫度低于每一個導(dǎo)線類型的熱拐點時弧垂增加迅速，因為低于熱拐點時，鋁導(dǎo)電材料決定導(dǎo)線的熱膨脹率。在熱拐點以上，導(dǎo)線的熱膨脹由承力芯控制。為了彌補鋁合金導(dǎo)線的不足，國外研究學(xué)者研發(fā)了很多改良型鋼芯鋁絞線。

圖1 不同種類的鋁導(dǎo)線類型的典型熱拐點

1.1 間隙型導(dǎo)線（GAP）

間隙型導(dǎo)線（GAP）是一種可抑制其熱拐點、耐高溫、低弧垂的特種導(dǎo)線。間隙型導(dǎo)線必須通過拉緊在張力塔間的導(dǎo)線承力芯鋼絲來安裝［6］。該預(yù)應(yīng)力工序可能需要48 h或更長時間，并且需要特殊的裝置和額外的架線工勞動時間，該導(dǎo)線熱拐點位于或接近安裝溫度，此時的導(dǎo)線熱弧垂僅僅由鋼絲的熱膨脹控制（鋼絲的熱膨脹系數(shù)大約是鋁的一半）。然而，間隙型導(dǎo)線通常非常昂貴，且安裝困難，要求專業(yè)的培訓(xùn)及工具、更多的現(xiàn)場施工時間。此外，該導(dǎo)線的承力芯幾乎承受所有的載荷，其若斷裂會縮回導(dǎo)線鋁層內(nèi)部，使得間隙型導(dǎo)線在現(xiàn)場的修復(fù)不可能。必須替換及安裝張力塔間的整段間隙型導(dǎo)線，造成電力傳輸恢復(fù)的延遲。

1.2 銦鋼芯鋁絞線（INVAR）和鋁基陶瓷纖維復(fù)合芯鋁絞線（ACCR）

高溫導(dǎo)線如銦鋼芯鋁絞線（INVAR）［7］及鋁基陶瓷纖維復(fù)合芯鋁絞線（ACCR）［8］，使用能夠經(jīng)受高溫操作的鋁—鋯高溫合金材料。這些導(dǎo)線通常有高的熱拐點，常常達到甚至超過100℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)線日常載流運行溫度 （圖1）。針對高溫操作，INVAR和ACCR導(dǎo)線承力鋼絲芯用薄的鋁包層進行保護。然而，導(dǎo)線芯鋁包層在預(yù)拉伸絞合過程中會經(jīng)受高達190 MPa的張力，易造成振動疲勞損傷。薄鋁包層不能有效支撐處于張力的導(dǎo)線芯，并使其緊縮最小化，導(dǎo)線的末端在導(dǎo)線芯中的張力釋放前必須進行固定，承力鋼絲芯應(yīng)力釋放后，所有的鋁線會變得非常松弛。松弛的鋁線及導(dǎo)線末端固定裝置使得導(dǎo)線在制造及現(xiàn)場架線施工時難于處理。

1.3 鋼芯軟鋁絞線（ACSS）

鋼芯軟鋁絞線（ACSS）［9］的預(yù)張力處理偶爾被采用。ACSS導(dǎo)線處于電塔之間，在完成張力塔張力金具夾合工序之前對導(dǎo)線施加顯著的張應(yīng)力（載荷相當(dāng)于40%的導(dǎo)線拉伸強度）數(shù)小時來完成。ACSS的預(yù)拉伸處理的確降低了熱拐點及改善了熱弧垂，然而ACCS拉伸中高的應(yīng)力要求增加了電塔安全運行的危險性，尤其是線路改造項目中，老舊傳輸電塔隙保持并充填高溫潤滑油來協(xié)助滿足鋼芯與鋁層在導(dǎo)線安裝過程中必需的相對運動。

1.4 纖維增強高分子復(fù)合材料芯導(dǎo)線

纖維增強有機高分子基復(fù)合材料承力芯及退火鋁絞線制作的導(dǎo)線在過去十年中獲得廣泛認(rèn)可及應(yīng)用，這些導(dǎo)線有來自CTC-GLOBAL公司的碳纖維復(fù)合芯鋁絞線（ACCC）［5］，SOUTHWire 公司的 C7［10］，Nexans公司的 Low Sag［11］，及其他類似類型的導(dǎo)線［12-13］。 這些導(dǎo)線通常用碳纖維復(fù)合材料作為承力芯，承力芯與鋁之間含有絕緣層以防止電耦合化學(xué)反應(yīng)。目前該類導(dǎo)線基本上都用于舊線路的增容改造。通常這些導(dǎo)線不進行預(yù)應(yīng)力處理，因為老舊電塔或許不能承受抑制導(dǎo)線熱拐點所要求的高應(yīng)力。當(dāng)復(fù)合材料芯中的張力不足時，更易受到損傷。若承力芯受到部分損傷而外觀又無法發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線斷裂可能會被推遲幾個月甚至幾年，給電網(wǎng)的安全及可靠性帶來嚴(yán)重威脅［4］。如果復(fù)合材料芯導(dǎo)線制造時能增加有效防止施工失誤的結(jié)構(gòu)，其承力芯處于大的預(yù)張應(yīng)力，而其導(dǎo)電材料幾乎不承受張應(yīng)力，該導(dǎo)線會很適合于安全操作與安裝，保證電網(wǎng)的安全可靠運行。

1.5 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線

1.5.1 碳纖維導(dǎo)線

從2005年開始，國內(nèi)多家研究院所開始了碳纖維芯復(fù)合導(dǎo)線的研發(fā)工作，主要有：遠(yuǎn)東電纜有限公司、中國電力科學(xué)研究院、華北電科院與河北硅谷合作開發(fā)、遼寧省電力公司與哈爾濱玻璃鋼研究院（簡稱哈玻院）合作開發(fā)、常州鴻澤瀾線纜有限公司、航天四院 43 所等［1，4，14］。 遠(yuǎn)東電纜與美國 CTC 合作生產(chǎn)，但核心部分由美國公司提供，價格較高，成為國內(nèi)推廣使用的障礙。中國電力科學(xué)研究院于2008年1月開始碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線研究工作，依托國家電網(wǎng)公司科技項目 “碳纖維復(fù)合芯擴容導(dǎo)線的研制開發(fā)”，項目研究成果總體上達到了國際先進水平［9］。華北電力科學(xué)研究院與河北硅谷化工有限公司合作自主開發(fā)了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，采用的是耐熱鋁合金圓線配合碳纖維復(fù)合芯，參照GB／T 1179—2008《圓線同心絞架空導(dǎo)線》標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)線尺寸將鋼芯替換成碳纖維復(fù)合芯，而鋁絞線單絲參數(shù)不變，因此發(fā)揮了導(dǎo)線拉伸強度大、低弧垂、重量輕等部分特性，但沒有為了提高載流面積而采用梯形軟鋁結(jié)構(gòu)［1］。遼寧省電力公司與哈爾濱玻璃鋼研究院合作開發(fā)了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，復(fù)合芯的研制由哈玻院負(fù)責(zé)，導(dǎo)線由沈陽供電公司電纜廠生產(chǎn)，其使用溫度能達到160℃，并已在沈陽 66 kV 文桃線應(yīng)用［15］。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的施工中存在問題。1）長度在5 km內(nèi)，須頻繁轉(zhuǎn)場，大大增加施工難度及費用；在環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜的山地施工，如果沒有適合的張力場，甚至面臨無法放線的問題。不能連續(xù)放線成為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在長距離線路（包括超高壓、特高壓線路）上應(yīng)用的瓶頸。2）由于ACCC彎曲度不能過小，以防止碳纖維復(fù)合芯損傷，牽引角度較大的耐張塔、直線塔均使用雙滑車，在平衡開線時，用繩子將導(dǎo)線與鋼絲繩捆扎，托住導(dǎo)線，防止尾線下垂角度過大。緊線時速度放慢，避免導(dǎo)線受到外部沖擊受損。3）在冰凍環(huán)境下弧垂大。為保持弧垂避免電塔承受過度的架線張力，在導(dǎo)線第一次遭受冰載荷張應(yīng)力下降后，有時需要調(diào)整導(dǎo)線張力來進一步改善弧垂。若這些導(dǎo)線施工前已具有低的熱拐點，且對電塔沒有高的預(yù)張應(yīng)力處理要求，這些導(dǎo)線可被安裝更高的位置而電塔無需承受更高的預(yù)張應(yīng)力。4）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線還未獲得可靠的壽命年限 （估計為40 a）。在復(fù)雜的野外氣象條件下長期運行，不排除由有機物構(gòu)成的碳纖維芯是否會出現(xiàn)酸腐蝕、電化學(xué)腐蝕、疲勞斷裂等不可預(yù)見事故的可能。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的運行維護、導(dǎo)線探傷、導(dǎo)線損壞修復(fù)等問題還需要實踐積累加以解決。

1.5.2 連接金具

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是一種節(jié)能型增容導(dǎo)線，在電氣、機械等諸多性能方面領(lǐng)先于普通鋼芯鋁絞線，具有非常突出的應(yīng)用優(yōu)勢。其結(jié)構(gòu)新穎，更有利于提高壓接管、耐張線夾與導(dǎo)線的壓接強度［2，16，17］。 由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線依靠承力芯承載，通常要求特別的金具來夾緊固定。耐張金具、中間接續(xù)金具與普通導(dǎo)線不同，壓接及安裝方法較普通導(dǎo)線有所區(qū)別，必須確保碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在安裝時沒有任何損傷。在施工過程中，工藝復(fù)雜，施工質(zhì)量要求高，尤其以金具壓接最為突出，除需專用金具，還應(yīng)特別注意不要損傷導(dǎo)線。導(dǎo)致運行時的備品備件、應(yīng)急搶修等方面均存在一定的難度。

這些導(dǎo)線使用的金具成本有時高達整個工程造價的50%，對于電網(wǎng)成本控制有不利影響，尤其對費用敏感的工程，比如低壓配電網(wǎng)應(yīng)用。同時，碳纖維復(fù)合芯承力芯導(dǎo)線必須使用昂貴及特別的配件，如來自CTC-Global公司的夾頭及外殼技術(shù)或來自AFL公司的壓合接頭鋁襯套方式［18］。此外，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線必須特別嚴(yán)格遵循架線溫度及時間要求，尤其是分岔線路，造成安裝過程復(fù)雜昂貴。若同相導(dǎo)線的架線施工張力及時間不同，每根導(dǎo)線可能具有不同的熱拐點及在安裝后同相導(dǎo)線會有不同的弧垂，甚至導(dǎo)致導(dǎo)線運行溫度改變時發(fā)生短路。同時，ACCC導(dǎo)線需要特種金具（普通金具的5倍價格），施工需專業(yè)培訓(xùn)及施工指導(dǎo) （普通導(dǎo)線的6~8倍價格），進一步規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)方案成本降低勢在必行，ACCC導(dǎo)線能解決上述問題，將有效促進該類產(chǎn)品在智能電網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

由于傳統(tǒng)碳纖維芯棒存在抗剪切力差、金具且壓接工藝復(fù)雜等缺點，造成了多起因施工工藝問題而導(dǎo)致的掉線故障。因此我國電網(wǎng)目前對碳纖維導(dǎo)線的選用持較為慎重的態(tài)度，在特高壓電網(wǎng)尚無運行業(yè)績。

2 新型鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線特點及應(yīng)用

2.1 鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線特點

隨著經(jīng)濟發(fā)展，獲取線路走廊用地來建造新的電力傳輸配電網(wǎng)絡(luò)變得越來越困難，所以采用高溫導(dǎo)線相當(dāng)必要。高溫導(dǎo)線既能解決緊急需要時的大容量，同時又提供低線損，高能效。高壓輸電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)都需要能夠高溫運行具有熱拐點抑制的導(dǎo)線，而且導(dǎo)線熱拐點抑制無需在電塔間對導(dǎo)線進行預(yù)張力處理，避免對輸電鐵塔的安全造成的影響。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)見圖2。這種導(dǎo)線通過確保導(dǎo)線中的承力芯處于預(yù)張應(yīng)力而其足夠多的導(dǎo)電體不承受張應(yīng)力或處于壓應(yīng)力狀態(tài)，在鐵塔架線前無導(dǎo)線損傷（包括燈籠現(xiàn)象）來實現(xiàn)鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線系統(tǒng)的省錢 （導(dǎo)線本身，安裝，修復(fù)及金具），高輸電容量及高能效，高溫及冰凍條件下低弧垂，實現(xiàn)溫度的變化幾乎不影響弧垂的特性［19］。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線不僅保持原有碳纖維導(dǎo)線重量輕、強度高、弧垂低等優(yōu)點，還可優(yōu)化碳纖維復(fù)合芯的機械性能，大幅提升其耐受剪切力的指標(biāo)。由于碳纖維復(fù)合芯外部采用鋁包裹層，其徑向耐壓性能和抗剪切力性能明顯提升。因此新型碳纖維導(dǎo)線為連接金具的改進提供了可靠基礎(chǔ)，降低了對連接金具的要求。通過進一步簡化金具設(shè)計和施工工藝，解決了傳統(tǒng)碳纖維導(dǎo)線存在的問題。確保特高壓線路的安全運行，將大幅降低特高壓線路的綜合建設(shè)成本，對我國特高壓電網(wǎng)建設(shè)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具體重要意義。

圖2 新型碳纖維導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

2.2 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線特性

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線中的承力芯線/棒可為單股或多股的鋼、銦鋼、高強、特高強或超特高強鋼、高溫鋼、非金屬纖維增強金屬基復(fù)合材料，碳纖維增強熱塑性或熱固性復(fù)合材料等其他纖維增強的復(fù)合材料。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線實施例適用于現(xiàn)有的多種導(dǎo)線類型，比如鋼絲鋁絞線（ACSR）；復(fù)合材料芯導(dǎo)線如ACCR（3M公司），ACCC（CTCGlobal公司），C7 （South Wire 公司），Low Sag （Nexans 公司），多股芯線 （Tokyo Rope公司）；鋼絲軟鋁絞線（ACSS）及銦鋼（Invar）導(dǎo)線。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線有類似的其他導(dǎo)線類型的外徑，但具有高強度及低電阻。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在4個分布式導(dǎo)線選擇中運行溫度最低，其具有最高的容量 （幾乎為鋁合金導(dǎo)線AAAC的兩倍）該層可用不同于導(dǎo)電層中的其他導(dǎo)電材料，例如，內(nèi)層用銅，銅合金（包括銅微合金），導(dǎo)電層余下的部分用鋁或鋁合金；與承力芯的接觸層用鋁合金，退火鋁或退火鋁合金，而導(dǎo)電層其余部分用鋁，銅，或其他類似的組合，如表1所示。

表1 同等導(dǎo)線面積的架空導(dǎo)線比較

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線進一步使復(fù)合材料導(dǎo)線能夠安全施工及經(jīng)久耐用，承力芯的外層包覆大大提高了承力芯的有效直徑，減少了承力芯極度尖角的可能，避免了對包覆層內(nèi)的承力芯過多的軸向壓應(yīng)力的發(fā)生。承力芯保留的大預(yù)張應(yīng)力，特別是用纖維增強的單向復(fù)合材料承力芯，獨特地有效抵消了由導(dǎo)線彎曲或尖角產(chǎn)生的承力芯軸向壓應(yīng)力，最小化或甚至消除了在這樣的復(fù)合材料芯導(dǎo)線中的纖維屈曲損傷。包覆的承力芯導(dǎo)線可直接用傳統(tǒng)的夾頭固定，及常規(guī)的低成本工具施工。承力芯包覆密封表面極大提高了導(dǎo)線的耐腐性能，因為污染物質(zhì)不能輕易進入導(dǎo)線，導(dǎo)線內(nèi)的復(fù)合材料芯被有效屏蔽，阻止了氧或水氣的進入及紫外線或臭氧的破壞影響（與現(xiàn)有的復(fù)合芯鋁絞導(dǎo)線構(gòu)造不同）。

基于導(dǎo)線熱拐點的抑制，導(dǎo)線運行溫度高于其熱拐點時導(dǎo)電介質(zhì)如鋁不受張力 （或處于壓力），導(dǎo)線具有優(yōu)越的自阻尼性能，可承受高的架設(shè)張力，比如25%~40%RTS（相比目前較典型的10%~20%RTS架設(shè)張力）。這不僅減少了線路導(dǎo)線舞動的傾向（導(dǎo)線舞動對電力線路是非常有害的，由于不同地區(qū)有不同的原因，其非常難以解決），而且可獲得最佳的導(dǎo)線離地高度，從而減少電塔的高度或增加電塔間的跨度來降低工程成本。緊湊的構(gòu)造使絕大部分導(dǎo)電鋁（如完全退火的）達到最大致密包裝，與目前最佳的導(dǎo)線如ACCC相比，本導(dǎo)線可獲得更高的充填率，使其具最高的輸電容量及最小線損的更好能效。

2.3 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線連接金具

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具優(yōu)點［17，19］：采用非導(dǎo)磁耐熱鋁合金、高強度不銹鋼等材料為主要材料精制而成，傳輸電力容量最大增加1倍，能連續(xù)高溫運行，最高工作溫度可達180℃，具有結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計科學(xué)、不產(chǎn)生電暈和降低無線電的干擾、導(dǎo)流性好、握力極高、節(jié)能環(huán)保、抵抗環(huán)境惡化和抗自然災(zāi)害能力強。適用于各種電壓等級輸變配電新建、改造等工程。

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具缺點：造價成本高，是普通液壓式金具的4~6倍；施工工藝復(fù)雜，施工作業(yè)人員要求嚴(yán)格；由于施工工藝特殊性，容易對碳纖維復(fù)合芯造成損傷，現(xiàn)場壓接時施工作業(yè)人員勞動強度高，需要專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)。

選擇新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具時，主要從金具材質(zhì)、壓接長度、壓力、保壓時間4點對新型彈匣內(nèi)復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具論證。根據(jù)普通鋼芯鋁絞線使用的液壓式連接金具的原理，鋁材、Q235鋼材、不銹鋼三種材質(zhì)從理論上均可滿足壓接需求。但是不銹鋼材質(zhì)剛性太強，壓接不能夠保證芯棒壓接的安全，對芯棒造成損傷太大，故不在考慮之列。配套金具耐張線夾如圖3所示。

圖3 耐張線夾

從理論計算中表明可以使用普通鋼芯鋁絞線相同的液壓式金具。主要需要考慮的為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在壓接過程中不受到外力的損傷，影響碳纖維復(fù)合芯的抗拉強度。

較新類型的導(dǎo)線所用金具往往是昂貴的，因它需要考慮使用特殊昂貴的金具來無損傷地鎖緊芯線［11，20］。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線中的承力芯已自然地被一層導(dǎo)電材料保護，其允許與傳統(tǒng)的金具壓接工藝相匹配，夾具直接壓接于承力芯來實現(xiàn)機械載荷傳遞。相對于多元承力芯如C7中的復(fù)合材料承力芯，Tokyo Rope及ACCR類型導(dǎo)線，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線來避免多根承力芯之間的接觸點過分承力而損傷是有利的。

2.4 應(yīng)用分析

2.4.1 電網(wǎng)增容改造

輸電線路增容改造通常的電壓范圍在110~500 kV，現(xiàn)有的電塔盡可能利用以減少工程成本及斷電時間。線路改造可帶電進行，改造過程中不需要斷電。線路改造的主要重點是在現(xiàn)有的架空間距約束條件下及盡可能利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施來使輸電線路容量最大化。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線對該應(yīng)用是最適合的，包括最高致密度導(dǎo)線（幾乎100%同心層，比典型的致密絞合導(dǎo)線93%填充率的還要高（CTCGlobal公司的ACCC導(dǎo)線），在正常操作條件下提供可能的最高容量（最低的電阻損耗）。在導(dǎo)線操作于高溫的緊急載流運行情況下，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線特別適用，因其承力芯免于氧侵入及熱老化，允許導(dǎo)線在其整個溫度范圍內(nèi)長期運行。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的同心包覆導(dǎo)線不存在傳統(tǒng)導(dǎo)線在燈籠變形后的承力芯暴露于紫外線，潮濕，臭氧等環(huán)境下的負(fù)面影響。承力芯上的金屬包覆層亦有效保護承力芯免于遭受來自這些環(huán)境因素的有害影響［10-11］。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線中的鋁不受張應(yīng)力或處于壓應(yīng)力使其蠕變在導(dǎo)線中完全去除，架線后導(dǎo)線步入最終的弧垂?fàn)顟B(tài)（無蠕變效應(yīng)，假設(shè)沒有嚴(yán)重的冰載條件進一步降低熱拐點）。這允許導(dǎo)線在電塔載荷極限內(nèi)安裝獲得最大的架空間距 （最大化輸電容量及應(yīng)付極端冰載）。其亦顯著簡化了安裝工藝及有效解決高溫導(dǎo)線尤其是分岔導(dǎo)線中（美國PTTP電網(wǎng)［21］）的弧垂變化問題。可預(yù)測的低弧垂有助于電網(wǎng)有效管理其電力傳輸資產(chǎn)。

2.4.2 新建輸配電網(wǎng)及線路

新建項目通常對材料及勞力成本（如導(dǎo)線成本，夾具成本及電塔成本）更敏感。一些新建項目針對長距離傳輸及特高壓，必須控制電暈效應(yīng)，最小化導(dǎo)線電阻及線損。

電力配電線路不涉及電暈效應(yīng)，因其操作電壓低于110 kV。導(dǎo)線可以是裸露或絕緣的。配電導(dǎo)線中電流密度通常是較高的（傳輸導(dǎo)線的2~4倍），線損及能效在配電網(wǎng)是非常重要的。導(dǎo)線、金具及安裝的成本在配電線路中更重要。配電線路中通常有容量限制。對于60 Hz的交流線路，鋁導(dǎo)線的集膚效應(yīng)深度為16.9 mm，銅導(dǎo)線為8.5 mm。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的包覆承力芯導(dǎo)線非常適用于配電線路網(wǎng)絡(luò)中，充填率接近100%，最小化了電阻及線損而最大化了線路容量。由于承力芯預(yù)應(yīng)力處理的結(jié)果，導(dǎo)線熱拐點大幅降低，碳纖維復(fù)合材料承力芯幾乎無熱弧垂，甚至鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線相關(guān)的鋼芯承力芯導(dǎo)線的熱弧垂亦是非常易控制的。致密配電導(dǎo)線相對較小的半徑有助于導(dǎo)線卷繞到導(dǎo)線卷盤上，同時它又足夠大，使導(dǎo)線中的承力芯免受誤操作尤其是尖角的損傷。

2.4.3 特殊區(qū)域（超長跨度、重冰凍及重腐蝕地區(qū)）應(yīng)用

跨江跨河及大跨度工程應(yīng)用或嚴(yán)重冰凍地區(qū)需要高強高模量的致密導(dǎo)線。若該電力傳輸線路受到熱弧垂的約束，則要求部分或整個熱拐點的抑制。若傳輸線路弧垂架空距離受到冰載荷或?qū)Ь€重量驅(qū)使，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線則要求使用高強輕質(zhì)的纖維增強復(fù)合材料承力芯，借助一部分或多數(shù)鋁合金（例如鋁鋯合金，6201-T81）或銅及銅合金承載來降低弧垂，不承受預(yù)應(yīng)力處理。對鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線充分預(yù)應(yīng)力處理使其接近設(shè)計冰載荷以便導(dǎo)線在高張力作用下具有最大架空距離。同時對電塔沒有過度的機械張力載荷。承力芯預(yù)張力處理能夠伸長至少0.1%，最好至少0.25%。微風(fēng)振動在長跨度的應(yīng)用中通常是危險的，使用導(dǎo)線的熱拐點被大幅下降（如拐點降低超過30℃），降低拐點溫度至微風(fēng)振動最常在冬季發(fā)生的典型溫度以下，把導(dǎo)電線的自阻尼最大化。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線尤其適用于腐蝕和侵蝕地區(qū)。線表面完全封閉，沒有通道供污染物，粗糙的砂子或顆粒進入導(dǎo)線內(nèi)部。傳統(tǒng)導(dǎo)線導(dǎo)電絞線間的間隙是容易的通道，導(dǎo)致電線內(nèi)部腐蝕。對于金屬性質(zhì)的承力芯，包覆的導(dǎo)電材料完全將其與外界屏蔽使其免受腐蝕的影響。當(dāng)鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用對導(dǎo)線熱拐點不敏感時，但要求與低成本金具匹配，且易于安裝及修復(fù)，導(dǎo)線生產(chǎn)過程中的預(yù)應(yīng)力處理步驟雖然不絕對需要但仍為可選及首選的，因為冰載荷或?qū)Ь€重量驅(qū)使的電路段導(dǎo)線應(yīng)用通常選用鋁合金，這會導(dǎo)致大幅抬高導(dǎo)線熱拐點。適當(dāng)降低熱拐點使其低于日常的工作溫度有助于應(yīng)付微風(fēng)振動及控制熱弧垂以便處理的緊急情況時高輸電容量要求。拐點沒有過量的降低（即極度重冰事件發(fā)生的溫度以上）以便遭受極度重冰襲擊時，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線有鋁合金部分承載來應(yīng)付及控制載冰弧垂。

2.4.4 經(jīng)濟效益分析

為了降低成本，抵抗誤操作及高容量（常溫及高溫下），鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線 （表1中的新-鋁New-Al）具有最佳高能效。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線有類似的其他導(dǎo)線類型的外徑。但具有高強度及低電阻。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在4個分布式導(dǎo)線選擇中運行溫度最低，其具有最高的容量（幾乎為鋁合金導(dǎo)線AAAC的兩倍）及最低的線損。

表2 同等導(dǎo)線面積的架空導(dǎo)線比較

以美國為例［22］，假設(shè)批發(fā)電價為100 美元／MWh，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與同等大小的碳纖維導(dǎo)線ACCC相比效率提高10%以上，與同等大小的鋁合金導(dǎo)線AAAC相比效率提高25%以上。每年鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與同等大小的碳纖維導(dǎo)線ACCC相比每米節(jié)省大約1.85美元，與同等大小的鋁合金導(dǎo)線AAAC相比由于線損降低每米多損耗6.8美元。對于重冰地區(qū)（如30 mm的冰），或?qū)Ь€有較長的跨度距離（如200 m），鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（鋁鋯合金）弧垂亦是最佳的。

3 結(jié)語

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是新型的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，不僅有傳統(tǒng)碳纖維導(dǎo)線（ACCC）的優(yōu)點：重量輕，強度大，熱弧垂小，低線路損耗，載流量大，良好的自阻尼特性，低風(fēng)阻。而且可降低對連接金具的要求，具備更好的特性：耐腐蝕性能，安裝安全和簡昜，優(yōu)越的熱拐點抑制特性。因此可廣泛適用于新、舊線路的增容改造和超/特高壓線路，大幅降低特高壓線路的綜合建設(shè)成本，對我國特高壓電網(wǎng)建設(shè)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具有重要意義。

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Research Status and Application of Aluminum-coated Carbon Fiber Composite Core Conductor

ZHANG Fangzheng
（State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

The traditional carbon fiber aluminum conduct composite core wire （ACCC wire） has some comprehensive economic and technological advantages，such as low sag，large capacity and energy saving.These advantages gain acceptance of the global power grid，and the ACCC wire achieves large-scale applications.The ACCC wire is easily damaged during construction，and cannot be detected，which will be resulting in power failure and security risks.The application of carbon fiber composite core conductor is severely limited because of the special connection hardware，which needs complex process，high cost and cumbersome construction process.Compared with ACCC wire，aluminum coated carbon fiber composite core wire has advantages of large cross-sectional area，protection of carbon fiber core，not easy to breakage，low cost of connecting fittings，simple operation and convenient construction.It is helpful to construct safe，environmentally friendly and efficient ultra／high voltage transmission networks，and represents the future of the development trend of the carbon fiber composite core wire technology.

carbon fiber conductor；aluminium cladding；carbon fiber reinforced composite core；link fittings

TM211

A

1007－9904（2017）11－0058－07

2017-09-15

張方正（1960），男，高級工程師，主要研究方向為電氣工程。