碳纤维复合芯导线的特性及应用

魏国彬

摘 要：文章主要论述了碳纤维导线的特性及在老线路改造工程中的应用。希望能够为相关行业的发展提供一些借鉴，并且为保护环境，节能减排，改善人类生态环境等方面做出应有的贡献。

关键词：碳纤维导线；特性；线路增容；ACCC/TW

引言

长期以来，架空输电线路导线主要采用钢芯铝绞线以及相关产品，电力工业的飞速发展对架空输电线路导线提出了更高的要求，促使各国科技人员研发各种新型导线。上世纪90年代末，人们开始尝试用复合材料代替金属材料来制作导线的承载部件，改善导线的弧垂特性，采用软铝型线代替硬铝圆单丝，提高填充率和导电率，以达到提高线路输送容量的目的。远东控股集团于2002年开始跟踪和研究导线领域这一新发展，并于2006年成功专门从事复合芯软铝绞线的研发、生产和销售，经过近几年的产品质量提升及市场化。碳纤维复合芯导线在电力行业中得到了广泛的应用。

碳纤维复合芯软铝绞线的型号为JRLX/T（J-架空导线，RL-软铝，X-型线，T-碳纤维复合材料），规格用软铝型线标称截面和复合芯标称截面表示；国际上的通用型号为ACCC/TW（Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal wire）。

碳纤维复合芯导线由于复合芯的强度足够高，不再需要铝承担受力作用，导电的铝就可以采用退火状态的软铝，软铝的截面设计成瓦型，可大幅减少导线的外径。

随着我国各行业电力需求的不断增长，部分老旧输电线路输送能力不足，面臨增容改造的压力。线路改造中，投资最大的项目是杆塔的更换，最棘手的问题是村民的土地问题，一种新型的导线“碳纤维复合芯导线”的产生，使老线路在不更换杆塔的前提下达到增容的目的。从节能、降低成本、增加输送容量、提高电网安全运行等方面综合看，推广应用具有很大的经济和社会效益。有助于构造安全，经济，环保，高效输电网络。

1 碳纤维导线的结构

碳纤维导线ACCC/TW的结构独特，内部是一根由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的复合芯，外层由一系列呈梯形截面的软铝线绞合而成。碳纤维复核芯承担导线总的力学性能，具有强度高、密度小、膨胀系数小、耐腐蚀等特点。外层软铝具有导电率高、电阻小、自阻尼性能强的特点。碳纤维复合芯与软铝线绞制而成的导线，便具有优良的性能：导线重量轻，电阻小，表面光滑不易舞动，拉力质量比大，弧垂随温度的变化小等。因此，可作为电力部门老旧线路改造、电力增容导线使用。其结构如图1所示。

2 碳纤维导线的优越特性

（1）导线的重量轻、强度大、在相同的运行应力时弧垂小；碳纤维复合芯材料的密度小（1.9g/cm3），约为普通钢芯密度（7.8g/cm3）的1/4，标准导线中使用的钢芯绞合后强度为1244N/mm2，而碳纤维导线ACCC/TW的复合芯抗拉强度最小值可以达到2150N/mm2，为前者的1.73倍。例如，直径9.53mm的复合芯抗拉强度达到2414N/mm2，是钢芯铝绞线中钢芯强度的1.94倍。

（2）导线的直流电阻和交流电阻小，线路运行时线损低；导线导电率高，载流量大允许运行温度180℃，可大幅度增容。

（3）导线的膨胀系数小，复合材料芯线膨胀系数仅为钢芯的1/8。在最低温到最高的运行温度范围内弛度小。

（4）导线的外径小，导线运行时的风偏及覆冰载荷小。

（5）导线耐腐蚀，使用寿命长；ACCC导线的复合芯由玻璃纤维材料制成，具有较高的耐腐蚀性能，与铝线接触不存在电腐蚀问题，可以解决长期运行中的腐蚀问题。

（6）导线表面紧凑、光滑，电晕损耗小。

3 碳纤维复合导线的主要技术要求

3.1 铝线

根据目前的制造技术水平和工程的实际应用情况，提出了架空导线用软铝型线的主要技术要求：

（1）尺寸及尺寸偏差。软铝型线的尺寸应符合绞线的结构技术设计要求：同一绞合层软铝型线应用相同的标称截面积，并且截面积的偏差应在2%的范围内；不同绞合层的软铝型线应用相同标称厚度，并且最大标称截面与最小标称截面的比值应不大于1.2。

（2）表面质量。软铝型线表面应光洁，并不得有良好商品不相称的任何缺陷。

（3）抗拉强度。软铝型线的抗拉强度应在（60-95）MPa范围内。

3.2 碳纤维复合芯

碳纤维复合材料具有高强度、低韧性的特点，而强度和韧性是一对矛盾。为了保证碳纤维复合芯导线的适应性，进行复合芯结构的优化设计和确定碳纤维复合芯的合理强度是十分重要的。

碳纤维复合芯除了自身具有高强度、比重小、线膨胀系数小的特点外，还应具有优秀的高、低温特性，优秀的卷绕、扭转特性、优秀的耐候性、耐腐蚀性、耐震动疲劳性，满意的长期热老化寿命。

碳纤维复合芯的主要技术要求：

（1）表面质量。复合芯表面应光洁，并不得有良好商品不相称的任何缺陷。

（2）接头。所有增强纤维不允许成束插接，成品复合芯不允许有接头。

（3）抗拉强度。复合芯的抗拉强度，常温时应达到2150MPa，180℃。*168h时应达到2000MPa。

（4）缠绕及扭曲性能。复合芯以不超过5转/min的速度，在50倍复合芯直径的芯轴上缠绕2圈，不应有裂纹，并能通过常温强拉强度试验。

（5）线膨胀系数。复合芯的线膨胀系数应不大于1.7*10-6/℃。

（6）密度。复合芯的密度应不大于1.9g/cm3。

（7）抗紫外线。对复合芯在波长340nm、辐照度1.55W/m2*nm的紫外线条件下暴露1008h，表面应不开裂，并且抗拉强度不小于2000MPa。

4 工程应用

华晋公司沙曲矿将由300万吨/年改扩建为800万吨/年，110kV变电所主变由2×25MVA增容至2×63MVA，原线路柳电-华晋3公里110kV线路，华晋110kV变电站一华晋35kV变电站5.6公里35kV线路，线路都为双线LGJ-150型钢芯铝绞线，原有的导线难以满足安全供电的要求，增容后需改为LGJ-300钢芯铝绞线，但由于主要线路已运行20多年，通道复杂，线下房屋密集，原通道改造杆塔的承载力不足，需更换杆塔及塔基，重新涉及村民征地问题，工程难度及费用很大，此时最佳的选择是利用原有杆塔而另换输送容量大的导线，碳纤维复合芯导线在不增加原有杆塔的受力和导线弧垂的条件下，代替原有的普通钢芯铝绞线增加容量已被广泛应用，在經线路设计部门验算后，确定采用ACCC-185/25型碳纤维复合芯耐热导线替换原有导线能够满足改扩建后的用电需求，ACCC-185/25型碳纤维复合芯耐热导线所允许的长期运行温度为160℃，载流量为851A，变电所最大负荷时，线路电压降约0.4U%，经验算，ACCC-185型碳纤维复合芯耐热导线能够满足华晋110kV变电所改扩建后安全用电的需求，而工程费用及工期大为节省。

ACCC-185型碳纤维复合芯耐热导线与LGJ-150钢芯铝绞线的参数详见表1。线路改造后继续利用原有的铁塔和避雷线，将原有导线和金具替换为ACCC-185型碳纤维复合芯导线和配套的耐热型金具。

5 结束语

华晋公司线路增容改造工程已于2014年底完工，运行状况良好，增容效果明显，该工程的成功投入运行，获得了山西焦煤集团、地方电力、施工、监理等单位的一致好评和同行们的赞誉，为今后老旧线路需改造扩容的工程，积累了宝贵经验。由此，我们认识到碳纤维复合芯导线是一种全新结构的节能型增容导线，具有低比重、低驰度、高强度、高导电率、倍容量等特性，同时降低了工程造价，优化了路径方案，缩短施工工期。并可用于大跨越、大落差、重冰区、高污染等特殊气候和地理场合的线路。特别是复合芯外表为绝缘体的玻璃纤维层，碳芯与铝层之间不存在接触电位差，可以保护铝导体免受电腐蚀，其使用寿命是传统钢芯铝绞线的2倍，是一种“环境友好型输电线路用导线”。从保护环境、节能减排、改善人类生态环境方面来说，具有划时代的现实意义。

参考文献

[1]上海电缆研究所.毛庆传.碳纤维复合芯导线的特性研究及标准化发展趋势[J].2010.

[2]远东复合技术有限公司.JRLX/T（ACCC）碳纤维导线产品样本[Z].2009.

[3]福建省第二电力建设公司.冯卫民.碳纤维复合芯导线架设施工交流材料[Z].2010.

[4]刘卫国.工矿供电技术[M].中国矿业大学出版社，2012.