架空导线用混杂纤维增强复合芯力学性能的研究

王新营，黄一钊，严 波，季世泽，党 鹏，黄国飞

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

随着我国国民经济的高速发展，对电力的需求也与日俱增。虽然已增加对发电设施的投资来提升发电能力，但是输电瓶颈问题一直没有得到很好的解决，其中一个重要的原因是城市及周边的电网建设受到土地供应和线路走廊的限制，无法满足快速增长的城市用电需求。为了提高输电线路的输送容量，利用现有线路走廊尽可能多的输送电力，我们必须采用新的输电导线来满足国民经济发展的需要。

随着复合材料应用的推广，人们开始尝试使用复合材料来替代金属材料制作导线的芯材。美国CTC科技公司研发了纤维复合芯导线，并且已经商业化生产。纤维复合芯导线与传统钢芯铝绞线相比，除了质轻高强、耐高温、耐腐蚀、低热膨胀和低蠕变的优点外，还可提高传输容量1倍，使用寿命延长2倍，同时可以减少传输中的电力损耗，减少20%的塔杆，节省用地和降低有色金属资源消耗。无论是对新线路建设还是旧线路改造，都具有极好的应用前景［1-3］。因此，紧跟国际先进的输电技术，研制具有自主知识产权的纤维复合芯导线技术，对于从根本上解决我国输电“瓶颈”，构筑安全、环保、高效节约型输电网络具有特殊重要的意义。国内目前主要局限于该导线的应用研究，而对纤维复合导线的关键技术——复合芯的研究较少。本文将立足于国产玄武岩纤维和碳纤维制备复合芯，采用混杂纤维拉挤成型方式以及使用耐温改性环氧树脂体系，充分发挥不同纤维的特点来满足架空导线的要求，并对树脂体系、纤维和拉挤工艺等方面对导线加强芯力学性能影响进行了研究，以探索纤维复合芯棒力学性能的影响因素和提高的途径。

1 实验部分

1.1 原料及设备

本文采用的原料包括:玄武岩纤维无捻粗纱;碳纤维;液体酸酐固化剂;耐高温改性环氧树脂。

试验设备:材料万能试验机，DXLL-10000 N;自然通风热老化试验箱，XG-CN3;热膨胀仪，DIL402PC;8 t履带拉挤机。

1.2 拉挤工艺

将树脂、固化剂、助剂等按一定比例混合，搅拌均匀，进行真空脱泡后倒入树脂浸渍槽，将含有不同比例混杂的玄武岩纤维和碳纤维放入浸渍槽浸渍树脂，然后进入模具连续固化成型。其中在纤维芯棒内层纤维为混杂的碳纤维和玄武岩纤维，外层主要为玄武岩纤维;加热模具的温度控制分为3个区段，分别为145℃、160℃、145℃，模具长度为100 cm，拉挤速度为0.1～0.5 m/min。拉挤成型工艺过程如图1所示。

图1 拉挤工艺流程示意图

由本工艺制备的复合芯制成的架空铝绞线的结构如图2所示，其中的导体为高导电率的梯形软铝线。

图2 混杂纤维复合芯架空铝绞线

1.3 试验部分

混杂纤维复合加强芯的弯曲强度和弯曲模量试验是按GB/T 13096—2008，在材料万能试验机上测量;热膨胀系数则采用热膨胀仪进行测量。

2 结果与讨论

2.1 拉挤工艺对复合芯力学性能的影响

(1)纤维含量对复合芯力学性能的影响。在本实验中拉挤速度为0.3 m/min，加热模具的三区段温度分别为145℃、160℃、145℃，制备了纤维含量分别为50%、60%、70%和75%的混杂纤维复合芯(玄武岩纤维/碳纤维体积比为2/1)，并对其进行了160℃、4 h的后固化处理，然后分别测量其弯曲强度和弯曲模量(见图3)。从图中可以发现，混杂纤维复合芯的弯曲强度和弯曲模量随着纤维体积含量的增加而增加，而且近乎成线性关系，因此，通过进一步提高纤维含量和两种纤维体积比，可进一步提高纤维复合芯的力学性能。

图3 纤维含量对弯曲强度与弯曲模量的影响

(2)拉挤速度对复合芯力学性能的影响。在本实验中，分别以0.1、0.3和0.5 m/min的拉挤速度，加热模具的三区段温度分别为145℃、160℃、145℃，制备纤维含量为70%的混杂纤维复合芯(玄武岩纤维/碳纤维体积比为2/1)，其弯曲强度和弯曲模量如表1所示。从表中可以看出，随着拉挤速度的上升，混杂纤维复合芯的弯曲强度和弯曲模量均有下降。这应该是由于拉挤速度的上升，物料在模具中的时间减少，导致环氧树脂固化度下降及固化不均一，从而使得混杂纤维复合芯的性能下降。同样，还可发现，当拉挤速度超过0.3 m/min时，弯曲强度和弯曲性能下降的速度加快。这可能是本实验用树脂体系在反应时间为90～120 s范围内交联密度能在短时间内急剧增加，而超过一定反应时间后便趋于平稳。

表1 拉挤速度对弯曲强度和弯曲模量的影响

2.2 热老化对复合芯的影响

在本实验中，以0.3 m/min的速度拉挤，而加热模具的三区温度分别为145℃、160℃、145℃的条件下，制备了纤维含量为70%的混杂纤维复合芯(玄武岩纤维/碳纤维体积比为2/1)，并对其进行了160℃、4 h的后固化处理，然后在老化烘箱内进行150℃、1000 h的热老化实验，测量获得的弯曲强度见图4。从图中可以发现，混杂纤维复合芯的弯曲强度并未随着老化时间的增加而下降，相反在老化时间为1000 h时弯曲强度达更高值。这可能是由于在长时间高温作用下使复合芯充分固化反应，进一步提高交联程度，从而导致了弯曲强度最终的上升，同样该结果也证明了试验用耐温改性环氧树脂体系具有优异的耐老化性能。

图4 1000 h热老化后的弯曲强度

2.3 复合芯热膨胀性能

混杂纤维复合芯铝绞线采用梯形软铝线，导体载流后温度升高，外层铝线由于热膨胀系数(铝的热膨胀系数为23.0×10－6/℃)远远大于芯线，因此，随着温度的升高，铝线承受的张力越来越小。当超过一定的临界温度后(转移温度)，所有张力全部由加强芯承担。当温度超过铝线的转移温度以上时，混杂纤维复合芯的热膨胀系数即为纤维复合芯铝绞线的热膨胀系数，而复合芯膨胀系数越低则可使得导线弧垂越小，从而提高导线的安全对地系数。

图5为直径8mm复合芯热膨胀试验的测试结果。其中，L0为复合芯的原长;ΔL为受热膨胀后长度的增量;ΔL/L0为热膨胀伸长率。从图中可知，在温度范围为23～100℃时，混杂纤维复合芯的热膨胀系数为0.3302×10－6/℃，远远低于钢的11.5×10－6/℃，即使温度达到250℃，膨胀系数也仅为3.9731×10－6/℃。因此由其制得的混杂纤维复合芯铝绞线在转移点温度上的弧垂变化远比普通钢芯铝绞线小，且混杂纤维复合芯导线弧垂随温度变化不明显，因此对降低导线的弧垂具有非常明显的优越性。

图5 直径为8mm复合芯的热膨胀试验

3 结论

由上述试验结果可以得出如下结论:

(1)随着纤维体积含量的增加混杂纤维复合芯的弯曲强度和弯曲模量均增加，而且近乎成线性关系，通过提高纤维含量和采用高强度纤维，可进一步提高纤维复合芯的力学强度;

(2)随着拉挤速度的上升，混杂纤维复合芯的弯曲强度和弯曲模量均有下降，当拉挤速度超过一定临界值后弯曲强度和弯曲模量下降速度加快，因此在复合芯的制备中应严格控制拉挤速度;

(3)对混杂纤维复合芯进行了150℃、1000 h的热老化实验，其弯曲强度并未随着老化时间的增加而下降，相反在老化时间为1000 h时弯曲强度达到更高值;

(4)在温度范围为23～100℃时混杂纤维复合芯的热膨胀系数仅为0.3302×10－6/℃，在降低线路弧垂方面作用尤为显著。

［1］Ohki Y，等.新颖碳纤维加强的铝导线［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine July/August.2003，19(4):67-69.

［2］尤传永.架空输电线新型复合材料合成导线的研究开发［J］.电力建设，2005(11):1-6.

［3］甘兴忠.碳纤维复合芯软铝绞线等扩容量导线的性能及应用［J］.电线电缆，2007(5):37-41.