碳纤维复合芯导线的特性及应用

第３０卷第５期２　０　１　

２年５月水　电　能　源　科　学

Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．５

Ｍａｙ　

２　０　１　２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０５－０１２７－

０３碳纤维复合芯导线的特性及应用

鞠彦忠１，李秋晨１，孟亚男２，李大伟３，刘仁凯４

（１．东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林１３２０１２；２．鞍钢建设集团有限公司机械安装工程分公司，辽宁鞍山１１４０００

；３．华北电网北京超高压公司，北京１０２４８８；４．黑龙江省电力勘察设计研究院，黑龙江哈尔滨１５００３６）摘要：阐述了碳纤维复合芯（ＡＣＣＣ）导线的结构和材料特点，比较了直径相近的ＡＣＣＣ导线与传统钢芯铝绞（ＡＣＳＲ）导线的主要材料性能，绘制了两种导线的应力弧垂曲线，将两类导线在最高气温下的弧垂和应力进行了对比。结果表明，ＡＣＣＣ导线的截面积、最高工作温度、载流量均高于ＡＣＳＲ导线，而弧垂明显小于ＡＣＳＲ导线，在实际工程中ＡＣＣＣ导线弧垂小的优势可明显降低铁塔的高度，进而可减少线路的造价。关键词：碳纤维复合芯导线；传统钢芯铝绞导线；特性；应力弧垂曲线中图分类号：ＴＭ７５１

文献标志码：Ａ

收稿日期：２０１１－０７－２７，修回日期：２０１１－０８－

２９基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９７８０４９）；吉林省科技发展计划基金资助项目（２００６０５０６）；吉林省教育厅“十一五”科学技术研究基金资助项目（２００８４３

）作者简介：鞠彦忠（１９６３－），男，教授，研究方向为输电线路工程，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｕｙａｎｚｈｏｎｇ

＠１２６．ｃｏｍ 碳纤维复合芯（

ＡＣＣＣ）导线作为一种新型复合导线，自２００３年由美国ＣＴＣ公司成功研制以来，因其重量轻、弛度低、导电率高、弧垂小、热膨胀系数小、

耐高温、载流量大等优点而成为目前电力系统中取代传统钢芯铝绞（ＡＣＳＲ）

导线的理想产品［１］

。近年来，国内外关于ＡＣＣＣ导线的研究较多，Ｂｕｒｋｓ　Ｂ等［２］

研究了碳纤维复合芯棒在承受过度弯曲载荷时的力学性能；

费斐［３］

分析比较了ＡＣＣＣ导线的电气、

拉力弧垂等性能；王新营等［４］

研究了架空导线中应用的混杂纤维增强复合

芯的力学性能。鉴此，本文阐述了ＡＣＣＣ导线的结构和材料特点，比较了直径相近的ＡＣＣＣ导线与ＡＣＳＲ导线的主要材料性能，并绘制了两种导线的应力弧垂曲线，将两类导线在最高气温下的弧垂和应力进行了对比，

具有一定的实用价值。１　ＡＣＣＣ导线的结构和材料特点

（１）ＡＣＣＣ导线的结构特点。ＡＣＣＣ导线的

芯线由碳纤维和玻璃纤维构成，芯线内、外部分别由碳纤维丝、玻璃纤维与热固型改性环氧树脂粘

合而成［５］

。外层的铝线由高纯度软

铝线组成，并

采用梯形截面，有效增大了其截面积。图１为ＡＣＣＣ导线结构示意图。

（２）ＡＣＣＣ导线的材料特点［６］

。①采用碳纤维取代过去ＡＣＳＲ导线的钢芯，

减轻了导线的重图１　ＡＣＣＣ导线结构示意图

Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇ

ｒａｍ　ｏｆ　ＡＣＣＣ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ量，增加了导线的强度。②采用紧压式双层梯形铝绞线，增加了导线的铝截面面积。③采用退火工艺铝线，其导电率更高，传输容量也得到增强。

２　ＡＣＣＣ导线的特性

（１

）重量轻。碳纤维复合芯材料的密度仅为钢的１／４，因此ＡＣＣＣ导线的重量较ＡＣＳＲ导线轻［７］

。（２）导电率高、强度高。ＡＣＣＣ导线中铝的电导率可达ＩＡＣＳ（国际退火铝标准）６３％以上，梯形截面使ＡＣＣＣ导线的铝材截面积大幅提升，

因此可显著提高载流量［８］

。ＡＣＣＣ导线的芯棒抗拉

强度可达２　３９９ＭＰａ以上，而高强钢丝抗拉强度仅为１　４１０ＭＰａ，明显小于ＡＣＣＣ导线。（３）弧垂小、热膨胀系数小。ＡＣＣＣ导线具有

明显的低弧垂特性，在高温工作条件下ＡＣＣＣ导线弧垂不及ＡＣＳＲ导线的１／１０。碳纤维复合芯

的热膨胀系数为１．６×１０

－６

／℃，铝线的热膨胀系数为２３．０×１０－６

／℃。由于ＡＣＣＣ导线复合芯线

的热膨胀系数远小于外层的梯形软铝线，随着温度的逐渐升高，外层铝线所受的张力逐渐变小，直至最后所有张力均由复合芯线承受［９］。此时，复合芯线的热膨胀系数即为碳纤维复合芯导线的热膨胀系数，因此ＡＣＣＣ导线的热膨胀系数在超过迁移点温度（约为８０℃）后低于ＡＣＳＲ导线，且导线的弧垂随温度变化不明显。

（４）耐高温、载流量大。ＡＣＣＣ导线能在１４０℃温度下长期运行，是ＡＣＳＲ导线工作温度的两倍。同时ＡＣＣＣ导线具有更高的载流量［１０］。

３　ＡＣＣＣ导线与ＡＣＳＲ导线的比较

３．１　材料性能比较

两种导线主要材料性能［１１］见表１。由表可看出：①ＡＣＣＣ导线的截面积、最高工作温度、载流量均高于ＡＣＳＲ导线。②由于ＡＣＣＣ导线的弹性模量和热膨胀系数随温度的变化而改变，在迁移温度点之上时，其弹性模量高于ＡＣＳＲ导线，而ＡＣＣＣ导线的热膨胀系数则相反，远低于ＡＣＳＲ导线。

表１　ＡＣＣＣ导线与ＡＣＳＲ导线材料性能比较

Ｔａｂ．１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＡＣＣＣｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ａｎｄ　ＡＣＳＲ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

对比项ＡＣＣＣ　ＡＣＳＲ

导线结构形式铝（第一层）８根

铝（第二层）１４根

复合芯线铝２６根钢７根钢芯线

铝线／芯线截面积／ｍｍ２（５１７／７１）５８８（３９９／６５）４６４导线外径／ｍｍ　２８．１４　２８．００

导线重量／（ｋｇ·ｋｍ－１）１　５５５　１　６１１

弹性模量Ｅ／ＭＰａ迁移点温度以下６５　０００

迁移点温度以上１２９　３２０７６　０００７６　０００

热膨胀系数α／（１０－６·℃－１）迁移点温度以下１３．０

迁移点温度以上１．６１８．９１８．９

最高工作温度／℃２００　１２０

７５℃时载流量／Ａ　１　０２５　９０８１００℃时载流量／Ａ　１　２６５　１　１２３２００℃时载流量／Ａ　１　８６３

３．２　应力弧垂曲线比较

ＡＣＣＣ导线与ＡＣＳＲ导线的相关参数见表２。

表２　ＡＣＣＣ导线与ＡＣＳＲ导线相关参数Ｔａｂ．２　Ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＡＣＣＣ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

ａｎｄ　ＡＣＳＲ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

导线类别计算拉断

力／Ｎ

抗拉强度

σｐ／ＭＰａ

安全系数

Ｋ

许用应力

σ０／ＭＰａ

年均应力上限

σｃｐ／ＭＰａ

ＡＣＣＣ　１８２　２５６　３０９．９６　２．５　１２３．９８　７７．４９

ＡＣＳＲ　１２８　４４０　２７６．２０　２．５　１１０．４９　６９．１０

计算各待求条件下的应力及弧垂，采用等高悬挂点架空线状态方程式［１２］：

σ０２－Ｅγ２２ｌ２

２４σ２０２

＝σ０１－

Ｅγ２１ｌ２

２４σ２０１

－αＥ（ｔ２－ｔ１）（１）

式中，σ０１、σ０２分别为两种状态下架空线的弧垂最

低点处的应力；γ１、γ２分别为两种状态下架空线的比载；ｔ１、ｔ２分别为两种状态下架空线的温度；α、Ｅ分别为架空线的温度膨胀系数和弹性系数；ｌ为档距。

计算临界档距，按等高悬点进行考虑，判断控制气象条件。经计算得两种导线的控制气象均为年均气温。根据计算结果分别绘制５００ｋＶ线路通过典型气象区Ⅰ区的ＡＣＣＣ导线和ＡＣＳＲ导线的应力弧垂曲线，见图２

。

图２　ＡＣＣＣ导线与ＡＣＳＲ导线应力弧曲线Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｅｓｓ－ｓａｇ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ＡＣＣＣ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

ａｎｄ　ＡＣＳＲ　ｃｏｎｄｕｃｔｏ

ｒ

图３　两种导线最高气温弧垂和应力对比

Ｆｉｇ．３　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｓａｇ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ＡＣＣＣ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ａｎｄ　ＡＣＳＲ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ将两种导线的最高气温弧垂和应力进行对比，见图３。由图可看出：①随档距的增大，ＡＣＣＣ导线与ＡＣＳＲ导线的最高气温弧垂均增大，但ＡＣＣＣ导线的弧垂增加缓慢，且弧垂大小约为ＡＣＳＲ导线的１／２，这充分体现了ＡＣＣＣ导线弧

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·水　电　能　源　科　学 ２０１２年