碳纤维复合芯电缆介绍

       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，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。碳纤维和玻璃纤维复合芯铝绞电缆，英文是Alu-minum conductor composite core reinforced cable，简称ACCC，其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E-GF。E-GF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，E-GF的价格低于T700S，可降低生产成本。E-GF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℃，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。

       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。

ACCC碳纤维复合芯导线系列主要优点是：

1、强度为普通导线的2倍。

      普通钢丝的抗拉强度为1240Mpa，而ACCC导线的碳纤维混合固化芯棒，抗拉强度约为2399MPa是前者的两倍。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。

      2、导电率高，载流量大。
      相同直径ACCC比常规 ACSR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 ,导电率可大大提高。同时由于ACCC导线不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，而且在输送相同负荷的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电损失约6%。
                           

图1：碳纤维复合铝绞电缆（左）和钢芯铝绞电缆（右）

       3、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。

       4、低弧垂，降低2倍以上垂度。ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低弛度特性，在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的1/2，能有效减少架空线的绝缘空间走廊，提高了导线运行的安全性和可靠性。

       5、重量轻10-20%:碳纤维复合芯导线的比重约为钢的1/4，在相同的外径下,ACCC的铝截面积为常规ACSR导线的1.29倍。ACCC导线单位长度重量比常规ACSR导线轻10-20%，显示了ACCC导线重量轻的优点，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。

       6、耐腐蚀，使用寿命高于普通导线的2倍。碳纤维复合材料与环境亲和(见图2)，同时避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，有效地延缓导线的老化，使用寿命高于普通导线的2倍。
             
                                 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;)

       6、同样容量线路投资成本低于普通导线。由于ACCC碳纤维复合导线倍容量运行，而且抗拉强度高、弛度小、重量轻等特点，可使杆、塔之间的跨距增大，高度降低，同样容量线路成本比普通导线低。

        7、节约一半铝材的消耗。按每年电力电路200万吨铝用量计算，能节约铝材近100万吨。从保护环境、改善人类生态环境方面来说，具有划时代的意义。

        特别是国内冬季天气恶劣，大部分地区受冰冻灾害影响严重，而ACCC碳纤维复合导线抗舞动、抗覆冰、重量轻、强度高、弧垂小、载流量大等优良性能在最近冰雪灾害中该导线的表现则更为出色。

       ACCC碳纤维复合导线在国内的开发是继04年美国商业应用以后，第二个开发应用该技术的国家，是目前全世界电力输变电系统理想的取代传统的钢芯铝铰导线、铝包钢导线、铝合金导线及进口殷刚导线的新产品，ACCC碳纤维复合导线与传统导线相比具有重量轻、强度大、低线损、弛度小、耐高温、耐腐蚀、与环境亲和等优点，实现了电力传输的节能、环保与安全。

       国内**控股集团有限公司 2006 年 1 月注册成**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。2007 年 5 月 4 日 ,浙江宁波送变电建设公司员工开始对220KV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220KV 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220KV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 220KV 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 ,110KV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110KV 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。
                    　
　 
                                           图 1，碳纤维复合芯铝绞电缆的生产
                    
      
                                图 2，碳纤维复合芯铝绞电缆的铺放

       由上可见，ACCC碳纤维复合导线在国内的运用已很成熟，走到了国外的前面，已形成国家标准，市场前景看好，**电缆已拿下华北电网的挂网许可，目前已实现销售超过300亿，并计划销售达到600亿以上，是国内最大的碳纤维电缆生产企业。