碳纤维复合芯导线自主研发及施工技

碳纤维复合芯导线自主研发及

施工技术研究

1前言中国土地资源有限，输电走廊的选择受到制约，提高单位走廊传输功率的需求日益迫切，对于输电能力取决于导线热稳定性的架空输电线路，更换高性能导线能够显著提高线路输送能力；近年来，随着大风、覆冰等恶劣气候的增多和加剧，导线风偏、舞动引发的线路故障频繁发生，严重影响电网安全稳定运行，更换低弧垂、高强度导线可有效抑制相地、相间放电及导线损伤。碳纤维复合芯导线因具有重量轻、高强度、高弹性模量、低线胀系数、耐高温、耐疲劳、耐腐蚀等技术优势，既能够用于提高输送能力，又可有效提高线路安全运行水平，将成为最具发展潜力的新型导线品种，国家电网公司于2006 年将其列入重点推广技术目录。

碳纤维导线的核心是高性能碳纤维材料，我国T700及以上高性能碳纤维基本依赖进口，国家科

技部将T-700碳纤维攻关列入十五、十一五规划。目前仅有美国、日本等少数发达国家掌握碳纤维及碳纤维导线技术，国内仅有与国外合作生产碳纤维导线的形式，但原材料及配方、工艺等核心技术完全掌握于外方，不具备自主知识产权。发达国家垄断高性能碳纤维及碳纤维导线核心技术与价格的局面已成为制约国内发展、应用碳纤维复合芯导线的瓶颈。

此外，不能连续张力放线是长久以来制约碳纤维导线应用的瓶颈。如不能有效解决，碳纤维导线将难以广泛推广应用。

2碳纤维复合芯导线研发华北电网面对碳纤维复合芯导线的发展机遇与挑战，提出在国内高性能碳纤维实验室研究取得重大突破后，实施第一个具有完全国内自主知识产权的碳纤维复合芯导线的研发与应用。

碳纤维复合芯导线的生产过程主要包括以下三部分：①碳纤维原丝及碳纤维丝的制备。②碳纤维复合芯的生产。③碳纤维复合芯铝绞线的生产。

2.1 碳纤维丝研发碳纤维复合芯铝绞线的核心是高强度碳纤维丝。碳纤维丝的强度、等级越高，则相同规格导线的芯径越小，重量越轻，导线的卷绕性能、施工性能越佳。目前，华北电网研发的碳纤维复合芯导线采用T-700型碳纤维丝。

经过数十年研发，国内研究单位近年来认识到硝酸一步法制备碳纤维原丝的传统技术路线是错误的，在实验室实现了T700型碳纤维的成功试制，并在与华北电科院有长期技术合作关系的河北硅谷化工有限公司建设国内第一条T-700碳纤维原丝的工业化生产线。

碳纤维丝的生产包括两步：①制备碳纤维原丝；②碳纤维原丝经预氧化、炭化处理形成碳纤维

丝。原丝生产中的30多个参数、60多个影响因素以及碳纤维生产中的20多个参数、50多个影响因素将影响、决定最终的碳纤维性能。

年产200t的T700型碳纤维原丝生产线

22碳纤维复合芯研发

碳纤维复合芯是碳纤维导线中的主要承力部件，特别是在高温运行条件下须承受全部的导线张力。碳纤维复合芯以碳纤维丝增强树脂，采用拉挤工艺成型。因此，虽然碳纤维丝具有接近零的线膨胀系数、高强度、重量轻、耐高温、耐疲劳、耐化学腐蚀、耐大气老化等技术优势，但这些一根根独立的丝如同一盘散沙，难以发挥良好的协同作用，只有选择合适的树脂基体与配方，将独立的碳纤维丝良好结合起来形成一个整体，才能充分发挥碳纤维的各项优异性能，即树脂基体是碳纤维复合芯导线的另一核心。

经过选择、试验了环氧树脂、酚醛树脂等多种树脂体系并根据需要进行改性，解决了树脂的耐高温性、柔韧性、高温下的脆化、耐疲劳、耐老化，耐腐蚀等问题，最终确定了树脂基体与配方，满足了应用需求。

复合杆芯拉挤生产线

2.3 碳纤维复合芯导线的生产

碳纤维复合芯导线的生产是在复合芯基础上绞合选定的铝股，形成复合芯导线。

2.3.1碳纤维复合芯导线绞制设备

如果从购买铝锭开始生产所需铝股并进行导线绞制，生产设备包括三部分：

（1）电解炉及铝杆连铸连轧设备：用于从铝锭生产铝杆；

（2）拉线机（铝线大拉机）：用于将铝杆拉制为所需尺寸的铝股；

（3）导线框绞机：用于将铝股绞合在复合芯上，形成导线。

以下为导线框绞机生产碳纤维复合芯导线的过程：

碳纤维复合芯导线的绞制

232 碳纤维复合芯导线的铝股选择

碳纤维复合芯导线铝股的选择考虑如下：

(1)由于碳纤维复合芯能够承受导线的全部张力，因此复合芯导线的铝股可以选用导电性能优

良而机械性能偏差一些的材料。美国CT(公司的碳纤维导线采用软铝股，电导率达到63.7%IACS,而普

通的钢芯铝绞线所用硬铝的电导率为61-62%IACS,即在相同导线运行温度下使用碳纤维复合芯软铝

导线能够降低线损。但因软铝股的硬度、机械强度、熔点相对常规导线所用的硬铝偏低，在线路施

工、导线检修及雷击导线等放电过程中易导致软铝股的变形、损伤、断股，特别是一定程度上增大了运行检修单位的工作难度。

(2)如果采用硬铝(电导率为61-62%IACS)作为碳纤维导线的铝股，当导线经过100 C以上的

高温运行后硬铝股的机械强度有一定损失。

(3)如果采用耐热铝合金作为碳纤维复合芯导线的铝股，则形成的碳纤维导线在施工及运行检修中具有很大优势，在很大程度上解决或避免了目前碳纤维复合芯软铝绞线在施工、运行中存在的

易变形和损伤问题。但由于耐热铝合金的电导率为60%IACS相对略低，存在损耗略大的缺点。

经综合考虑，根据铝股的差异，研发、生产两个系列的碳纤维复合芯导线，由用户根据实际需要进行选择。

a)采用软铝作为碳纤维导线的铝股，形成碳纤维复合芯软铝绞线系列产品。

b)采用耐热铝合金作为碳纤维导线的铝股，形成碳纤维复合芯铝合金绞线系列产品。

2.4 碳纤维复合芯导线检测

根据华北电网安排，碳纤维复合芯铝合金导线及软铝导线试品送上海电缆研究所和国网电力建设研究院进行全面性能检测。

(1)导线常温握力试验：

铝合金导线ACCC/LH-240/35的常温拉断力为165.6kN ;

软铝导线ACCC/LR-240/35的常温拉断力为159.7kN ;

上述导线的计算拉断力为120kN,实测结果比计算拉断力高30%以上。

(2)导线高温拉断力试验：

铝合金导线ACCC/LH-240/35的常温拉断力为165.6kN ;

铝合金导线ACCC/LH-240/35的150 C拉断力为149kN; 铝合金导线ACCC/LH-240/35的170 C拉断力为149.6kN ;

ACCC/LH -300/50的150C及170C拉断力与常温拉断力的比值为90%即本项目研发的碳纤维复

合芯导线具有优良的耐高温性能，高温拉断力显著优于国外技术产品。