碳纤维复合芯导线

1、前言

现代经济的飞速发展加速了电力工业的发展，也大大推动了输电线路的技术进步。架空输电导线作为输送电力的载体，在输电线路中占有极为重要的地位。为了安全可靠地多送电，各国有关科技工作者一直不断努力地寻求架空输电线路用导线，以取代各种传统的导线。长期以来，传统的架空输电导线主要使用钢芯铝绞线，为了提高防腐性能，开发了铝包钢芯铝绞线等。为了提高强度，开发了钢芯铝合金绞线，全铝合金绞线，铝包钢芯铝合金绞线等，为了提高导线的耐热性能和输送容量，开发了各种耐热铝合金导线；为了降低导线弛度，开发了用殷钢芯代替普通钢芯的低弛度导线等。

碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。随着材料科学的不断进步，在上世纪90年代，人们尝试用碳纤维复合材料代替金属材料来制作导线的芯材，并取得了一定的成果，已开发出几种复合材料合成芯导线。

这种新型复合材料合成芯导线充分发挥了有机复合材料的特长，与现有各种架空导线相比，具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度低等优点。可以说，新型复合材料合成型导线是一种全新概念的架空输电线路用导线，它实现了电力传输的节能、环保与安全。

2、国际复合材料芯电缆产业现状及发展趋势

目前国际上在已取得一定成果的碳纤维复合材料芯导线中，日本的碳纤维芯铝绞线和美国的碳纤维和玻璃纤维混合芯铝绞线较为典型。其中日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右

日本是开发架空线路特种导线品种较多的国家。在新型复合合成芯导线方面，最早是作为一种改进型低弛度导线而提出的；而实际上新型复合材料合成芯导线的优点，远止低弛度一个方面。在架空输电线路中，由于周边环境的变化，有时会发生输电导线与线下被跨越物之间电气隔离距离不够的情况。为了确保隔离距离，通常需要迁移铁塔、改建或改造铁塔。但是，由于用地的制约以及铁塔造价等原因，解决电气隔离距离不够问题最好的办法是更换导线。早在20世纪70年代，在城网改造中，为了增加输电容量，对于架空送电旧线路导线对地距离和相间距离不够的问题，根据殷钢的线膨胀系数比普通钢小得多的特点，用殷钢芯代替普通钢芯，开发了作为低弛度导线的殷钢芯铝绞线。由于这种导线的结构与通常的钢芯铝绞线相同，原来的绝缘子和金具均可以照旧使用，施工工具也可以照旧使用，它能在于铁塔不变的情况下，仅更换导线就行。到了20世纪90年代，日本学者研究用碳纤维芯代替钢芯，开发出了一种新型复合材料合成芯导线，即碳纤维芯铝绞线。这种导线与通常的钢芯铝绞线具有相同的外径和强度，架线施工中不需要特殊的机具和方法。在这种导线中，通常的钢芯铝绞线的钢芯被用碳纤维制成的复合材料芯线所代替，这是一种重量轻、线膨胀系数小，具有良好弛度特性的

划时代的新型导线。

之后，美国新型复合材料合成芯导线开发研究较为成功的是CTC（Composite Technology Corporation）公司，该公司于2001年已制造出型号为CRAC-121,CRAC-TelePower等三种样品。CRAC-121结构类似传统的钢芯铝绞线，规格为美国标准DRAKE，仅中间7根钢芯由复合材料代替，截面为扇形。CRAC 为它的改进型，是把复合材料线股放在外层，内层为铝线。而两种导线均可携带光缆成为CRAC-TelePower。上述各种导线曾做过常规的型式试验，尚未进行实际的现场试验。该公司于2003年又推出了型号为ACCC（Aluminum Conductot Composite Core）的复合材料合成芯导线，它的芯线是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，外层与邻外层铝线股为梯形截面。这种导线已完成各种型式试验，包括机械全性能、应力—应变曲线、蠕变、线膨胀系数、载流量、自阻尼特性等，表明具有良好的机械和电气特性。特别是验证了高温条件下的低弛度特性。

目前国际上美国和日本的复合材料芯电缆技术较为成熟，美国2004年8月在得克萨斯州3.2km长的230KV线路上安装了碳纤维复合材料芯电缆导线。以后又在密歇根州和堪萨斯州的配电线路上使用了碳纤维复合材料芯电缆导线。2005和2006年，亚利桑那州、圣安东尼奥和加利福尼亚州的多230KV输电线路上使用了碳纤维复合材料芯电缆导线。此外，近期美国还有多条改造或新建线路计划使用碳纤维复合材料芯电缆导线，其中有若干条230KV的线路。法国也在进行碳纤维复合材料芯电缆导线的应用试验，计划近期在输配电线路的改造中使用碳纤维复合材料芯电缆导线。

3、国内复合材料芯电缆现状及发展趋势

长期以来，我国远程大容量电力输送采用的电线电缆一般以铜线

或铝线为导线，不仅耗能大，而且载流量小，由此造成的停电、断电

故障时有发生，成为电力工业发展的一大“瓶颈”。而新型复合芯导

线具有耐高温、大容量、低能耗、寿命长等特点，是传统导线的理想

替代品。由于生产该产品的核心材料—高性能碳纤维，不仅在超高压

特高压输电、石油工业、海洋开发等民用领域用途广泛，而且具有重大的军事用途，因此，以美、日为主的发达国家长期对我国实行技术封锁和产品禁运，致使我国95%的高性能碳纤维需依赖进口。

早在2006年，国家电网公司就将碳纤维导线技术列入重点推广技术目录。国家电网公司在此基础上，看到了发展复合芯导线的机遇与挑战，响应《国家电网公司新技术推广纲要》的精神，以国家电网公司关于加快电网升级改造，提高电网输送能力与效益，节约资源、降低消耗的重点工作目标为指导，研究开发复合芯导线。“十一五”期间，我国将高性能碳纤维复合芯导线列为重点导体之一进行研发。

长远来看，国产碳纤维技术经过充分发展后，复合芯导线有望在价格上与常规导线逐步缩小差距，促进这种性能优越的导线“平民化”、“常规化”，使之广泛应用于超高压、特高压长距离线路，有效提高线路安全运行水平，同时提高输送能力。

从2005年开始，国内多家单位开始了碳纤维复合材料芯导线的研究工作。主要包括：远东电缆有限公司、中国电力科学研究院(以下简称中国电科院)、航天四院43所、辽宁省电力公司与哈玻院、华北电力科学研究院和河北硅谷化工有限公司等。

国内多家科研单位的研究成果进入了挂网试运行的阶段。2009年1月华北电力科学研究院和河北硅谷化工有限公司合作开发的300/50在500kV万顺Ⅲ线470-473号段挂网运行。2009年11月浙江省金华电力局将中国电科院研制的JLRX/T/TW-430/60碳纤维复合芯梯形软铝导线和配套金具安装在220kV金仙线7+1～8#档挂网运行。