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碳纤维复合芯导线成型技术
随着我国经济高速发展和城市化建设大步向前,输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求,由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生,对于负荷中心区域的增容改造工程很有必要.然而在土地资源越来越紧张的情况下,重新开辟走廊新建输电线路愈发困难[1].在老旧线路增容改造过程中,铁塔不进行改造,只更换导线实现增容,是投资省、见效快的一种方案.各国均在研究新型架空输电路用导线,以取代传统的钢芯铝绞线,碳纤维复合芯导线由此应运而生.碳纤维复合芯导线抗拉强度大、弧垂低,可以增加杆塔跨距、降低杆塔高度,因而能降低工程成本.这种导线运行温度高、有效通流截面大,不仅能实现载流量倍增,而且可以减小导线覆冰量；另外,碳纤维导线为复合材料芯,质量轻、耐腐蚀,可以减小导线质量、降低线路的磁损,适用于重腐蚀地区的线路应用[2].
碳纤维复合芯导线具有的上述优势性能,可以有效解决电网扩容的需要和线路走廊占地成本高升的现实难题.因此,当该导线的进口产品首次出现在国内电网市场时,就受到了行业内的一致认可和高度评价.然而,其6倍于传统导线的使得大多用户望而却步.经过国内相关单位的不懈努力,最终实现了碳纤维复合芯导线的国产化.
一、国内外碳纤维复合芯导线的发展
碳纤维复合芯导线最早源于日本和美国.20世纪90年代,日本昭和电线电缆株式会社、制纲株式会社和东北电力株式会社共同开发了一种称为碳纤维芯铝绞线（A l umi n umCo n d u c t o r F i b e r R e i n f o r c e d ,AC F R）的低驰度导线,主要用于解决架空输电线路导线弧垂过大、对地净距不足的问题.其基本思想是用相同直径的碳纤维复合材料（C a r b o nFiber Reinforced Polymer,CFRP）代替一般钢芯铝绞线（Al umi n umConductor Steel Reinforced, ACSR）中的钢芯,结构和外观如图1所示.复合材料芯主要由碳纤维和热固性树脂构成.复合材料芯质量约为常规钢芯的1/5,线膨胀系数约为1/12.
同时期,美国开发出了2种碳纤维复合芯导线.一是美国加州能源委员会1998年发起的一项复合材料增强铝导线( C o m p o s i t eReinforced Aluminum Conductor,C RAC )公共利益能源研究计划之战略能源研究项目,二是由美国C o m p o s i t e T e c h n o l o g yCorporation（CTC,Irvine,CA）研制开发的复合芯铝导线( A l u m i n u mC o n d u c t o r C o m p o s i t e C o r e,ACCC),其芯材是一种碳纤维和玻璃纤维混杂纤维增强复合材料.
C R A C 由W . B r a n d tGoldsworthy and Associates的C R A C研究组于2000年完成第1阶段的原型研制,开发了CR A C－ 121（与ACSR一对一的导线结构）和CRACAdvanced两种CRAC导线,其结构如图2所示,导线外层导体可以为圆截面绞线或梯形截面绞线.与普通导线相比,CRAC导线强度更高、质量更轻、载流量更大,运行发热温度可以比ACSR导线降低9％～25％.CRAC导线性能优良,外观与传统导线相同,可以作为ACSR的替代导线.
这种导线可用于恶劣气象条件和高负荷输电线路,以避免因导线弧垂过大和风偏摆动过大引起的事故,大大提高线路的安全可靠性.在现有输电线路的升级改造中能换线不换塔而实现线路增容的目的,从而大大降低线路建设成本,节省工程投资,减小线路改造周期.
ACCC导线是由美国复合材料技术有限公司（Composite TechnologyCorporation,CTC）研制开发的一种新型导线,如图3所示[3].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,其外层与邻外层为梯形截面纯铝线股,具有良好的机械特性和电气特性[6-8].
2006年,美国C T C公司与远东电缆公司合作,将开发的碳纤维复合芯导线A C C C引入到中国,在我国福建龙岩建成首条220k V输电导线,并逐步在输电线路工程中试用,取得了良好的效果.2008年,国内多家单位陆续开始研制类似于ACCC结构的碳纤维复合芯导线,包括中国电力科学研究院、辽宁省电力公司、华北电网公司等10多家单位[9].到目前为止,上述单位突破国外公司技术垄断,在吸收国外技术并有所创新的基础上,已经成功研制出国产碳纤维复合芯导线,并进行了部分线路的推广应用.上海电缆研究院牵头完成国家标准《纤维增强树脂基复合材料芯棒》和《纤维增强树脂基复合芯软型铝绞线》,中国电力科学研究院牵头完成国家电网公司标准《碳纤维复合材料芯架空导线》.
碳纤维复合芯导线属于新型导线,其施工技术与方案与传统导线有所区别.中国电力科学研究院牵头的《碳纤维复合芯铝绞线施工工艺及验收导则》/GDW 387-2009已经发布实施,从目前已批准实施和正在起草的相关标准体系来看,其内容已基本包含了产品及施工的相关内容.但处于企业标准阶段的“碳纤维复合芯铝绞线施工工艺及验收导则”还有待进一步完善后升级为更高级别标准,以服务于更大范围.
1. 碳纤维复合芯导线技术优势
碳纤维复合芯导线（见图4）在电气、机械等诸多性能方面领先于普通钢芯铝绞线,具有突出的技术优势[6-8],主要体现在强度高、载流量大、弧垂小、耐高温、质量轻和耐腐蚀等方面.
（1）强度高
1级强度镀锌钢线的抗拉强度为1 290M P a,2级为1 410M P a,最高（3级）为1 590M P a；而1级强度碳纤维复合材料芯（以下简称“碳纤维芯”或“芯线”）的抗拉强度为2 100M P a,2级为2 400M P a,实验室的数据更高,抗拉强度最小值达到2 700M P a.碳纤维芯与钢芯的强度比为1.5 ～2.1倍,因此,可以通过提高导线最大使用张力的方式增大杆塔跨距,减少杆塔使用数量,降低工程成本[10].
（2）允许运行温度高,载流量大
载流量大主要有4个因素：一是碳纤维芯是非铁磁性材料,不存在磁滞损耗和涡流损耗,导线的交流电阻小；二是碳纤维芯导线的铝导体采用梯形（或Z形、S形）截面,充填率高,在相同外径时,最大可增加导体截面积28%；三是碳纤维芯的长期允许使用温度可以达到160℃,铝线采用高温退火软铝,200℃下仍能有效运行,而钢芯铝绞线的极限运行温度只有70℃（最高90℃）；四是软铝线的相对电导率为63%IACS,而钢芯铝绞线中硬铝线为61%IACS,导电性能提高3.3%,线损小.综合以上因素,当碳纤维芯导线运行温度提高到160℃时,即可将同样直径钢芯铝绞线的载流量提高1倍.
（3）弧垂小
碳纤维芯的线膨胀系数只有(1.6 ～2.0) ×10-6/℃ [8],是镀锌钢线（线膨胀系数11.5×10-6/℃）的1/7～1/5,碳纤维芯导线的综合线膨胀系数通常比钢芯铝绞线低20%,同样温度下比钢芯铝绞线的弧垂小；同时,碳纤维芯导线可以在160℃下运行,当温度升高到某一温度（通常在80℃左右）时,铝导体所承受的张力全部释放,导线仅靠芯线承受全部张力,由于芯线的线膨胀系数很小,继续增加温度,导线的伸长非常缓慢,弧垂增加很小.一般情况下（档距不大于400 m）,160 ℃时的弧垂仅比钢芯铝绞线40 ℃时的弧垂增加不到1 m,有效减少了架空线路的空间走廊,提高导线高温运行的安全性和可靠性.利用碳纤维芯导线的这种低弧垂特性,通过提高导线运行温度的方式提高输电线路的载流量,是这种导线的主要功用之一.
（4）质量轻
碳纤维芯的密度只有2.0 kg/dm3,是镀锌钢线的1/4,以同样截面的2种导线（JLRX1/ F1B -240/30和J L / G1A-240/30）比较,碳纤维芯导线比钢芯铝绞线轻22%.自重的减轻和低弧垂的特性可以有效降低杆塔高度,节省工程投资.
（5）耐腐蚀[7,11,12]
碳纤维芯外表面包覆的玻璃纤维为绝缘材料,芯棒与导体之间无接触电位差,不存在电化学腐蚀；同时,碳纤维芯抵抗大气腐蚀的能力也远较普通钢线强很多,所以,碳纤维芯导线具有优良的耐腐蚀性能,可以有效延长导线的使用寿命.
2. 碳纤维复合芯导线性能
同其他类型导线相比,碳纤维复合芯导线在密度、抗拉强度、线膨胀系数、载流量、使用寿命长等方面具有明显的技术优势,不同种类导线性能对比见表1.
二、碳纤维复合芯及导线制备技术
一般地讲,碳纤维复合芯是通过拉挤工艺成型的由1种或2种以上纤维混杂增强树脂基体构成的复合材料,其原材料涉及纤维和树脂.原材料的选择是否合理,决定了成型工艺是否可行；反过来,成型工艺也对材料有所限制.因此,在复合芯设计的初始阶段,就应将原材料的选择作为设计的一部分加以整体的考虑.
1. 增强纤维的选择
纤维状增强材料是作用最明显、应用最广泛的增强材料.选择具体纤维时,首先要确定纤维的类别,其次要确定纤维的品种规格.选择纤维类别时,应按比强度、比刚度、延伸率、热稳定性、性能比等指标并结合结构的使用要求综合权衡后择优选定.增强复合芯铝绞导线中应用的主要品种是玻璃纤维(Glass Fiber,GF)[12]和碳纤维(CarbonF i b e r,C F ).T700S聚丙烯腈基碳纤维既有高比强度又有高比模量,延伸率较大,可用作复合芯内芯的增强纤维.E -玻璃纤维拉伸强度较高,延伸率大于T700S,因而可为所制复合芯提供韧性和耐冲击性能；同时,E -玻璃纤维的低于T700S,可降低生产成本；更为重要的是E -玻璃纤维属非金属绝缘材料,可包裹在碳纤维内芯表面作为铝导体的绝缘层,从而可以有效地解决传统钢芯铝绞线存在的电损,因而可选用耐碱的E -玻璃纤维作复合芯外芯的增强纤维.由此可见,选用T700碳纤维与E-玻璃纤维组合作为复合芯的增强材料很合适.
2. 树脂体系的选择
复合材料芯在生产、运输及挂线施工过程中,除了本身可能含有的空隙和气泡等缺陷外,挤压、弯曲、扭曲及冲击等方式对复合材料芯会造成不同程度的破坏.这些不确定外力的瞬时作用所引起的变形和应力比静载荷大得多,可能会瞬时超过其承载上限.当树脂基体的韧性无法满足生产、运输及挂线施工过程中外力引起的形变时,将会引起树脂基体内部微细裂缝的产生和生长,最终导致脆性分离,从而产生破坏.这些破坏方式的产生将逐渐影响复合材料芯的综合性能及使用寿命,甚至产生复合材料芯开裂及断裂现象,从而影响其安全运行.因此,复合芯不仅要满足机械力学性能要求,还必须兼备足够的韧性.高韧性在复合芯导线生产、施工及运行过程中极其重要和必要.
根据碳纤维复合芯导线高耐热、高强度、高韧性和快速拉挤的工艺要求的要求,需对各类树脂进行综合对比及选型[13-15].碳纤维复合芯树脂基体可选用粘接性好、易于加工的环氧树脂.环氧树脂形式多样、品种多、粘附力强、收缩率低、高T g值、固化温度范围宽,适合拉挤工艺成型,固化后的环氧树脂具有优良的尺寸稳定性、力学性能、电性能和化学稳定性.兼具耐热性、力学性能和良好粘接性的多官能度环氧树脂具有活性高、环氧当量小的特点,其高温力学性能优异,固化收缩率低,成型工艺性好,性能比高；另外,固化剂的不同使其性能调节范围广,应用面大,作为碳纤维增强复合材料的基体树脂已广泛应用于航空、航天、电子、电力等领域,具有良好的发展前景.因此,选用多官能度环氧树脂能较好的满足复合芯耐热性、韧性和成型工艺.此外,为满足碳纤维复合芯高韧性要求,需对树脂体系进行增韧改性研究,在满足耐高温指标的同时提高复合芯的韧性.与此同时,所用的树脂还需满足碳纤维复合芯快速拉挤的工艺要求.因此,需要对树脂配方进行合理优化.
3. 碳纤维复合芯成型工艺
拉挤成型工艺是一种快速生产恒定截面的单向增强复合材料的自动化连续加工工艺,是制造高性能、低成本连续复合材料的一种重要方法,可保证产品在顺着纤维方向上具有最大的强度和刚度.拉挤产品无需后期修整,质量一致,成品率高一般的履带式或往复式牵引机拉挤成型设备都可以用于复合芯的生产.要求拉挤设备对成型温度、拉挤速度、牵引拉力等具有很高的可控性和安全性,尤其是能保持纤维张力的稳定以及纤维被充分浸渍.牵引机可采用变频调速,其夹持部分可采用液压传动或气压传动.用拉挤成型工艺制造复合芯棒非常合适,不仅能够降低复合芯棒的生产成本,提高生产率,还能确保产品质量稳定.
4. 碳纤维复合芯导线制备技术
（1）软铝单丝成型技术
碳纤维复合芯架空导线除了采用特殊材料的碳纤维复合芯外,其铝线部分的工艺结构与传统的钢芯铝绞线有着本质的区别.传统的钢芯铝绞线为非紧压圆形结构,而复合加强芯架空导线的铝线部分为梯型结构设计.它的优点是铝线部分绞合紧密,提高导体部分的填充系数,在外径尺寸相同情况下,该导线的导电截面将增加23%以上.施工工艺与普通钢芯铝绞线相似,复合加强芯架空导线采用特殊碳纤维复合芯做承载,使导线的综合线膨胀系数较普通钢芯铝绞线有明显降低.
软铝单丝拉制工艺过程,应重点关注以下几个方面：①梯型线的拉制模具设计.②拔丝槽的设计与加工.设计拉丝槽时,使梯形单线从成梯形线后经过几道模具均是水平出线,可有效避免梯形线翻身的问题.③循环冷却装置、介质及拔丝剂的配制与筛选.④收线盘设计.与普通圆线的拉制有着本质不同,收线时需保证梯型线上盘方向一致,避免出现翻身现象,同时还要满足设计长度需求.⑤梯型线的除油去污工艺.梯型线由于结构的差异性,截面比较大,为保证产品的光洁性,润滑油污比较大,因而需要采取措施对梯型线进行除油去污.⑥铝线的软化工艺设计.
（2）导线绞制
研究导线的绞制工艺十分必要.特别是碳纤维复合芯梯形软铝扩容导线的绞制工艺研究可为我国特种导线制造提供技术储备.碳纤维复合芯梯形软铝扩容导线的绞制工序与普通导线工序基本相似,不同之处主要在于防止碳纤维复合芯梯形软铝扩容导线擦伤和防梯形线翻身工艺.
三、碳纤维复合芯导线国内外应用现状
全球使用的碳纤维复合芯导线主要来自美国C T C公司.C T C公司研制的碳纤维复合芯导线（型号为A C C C / TW）2004年8月首次安装在试验线段上,2005年1月正式在美国尼亚加拉瀑布工程上应用.随着2011年C T C公司A S T M标准的获批以及公司引入新的投资伙伴,CTC公司的碳纤维复合芯导线产品应用获得飞跃式发展.截至2016年底,CTC公司的碳纤维复合芯导线在全球得到广泛应用,现已投运于中国、美国、欧洲各国、印尼、印度、巴西、智利、南非、中非等17个国家30 000余米,电压等级覆盖13.8k～500kV,在全球各种极端条件下（台风、冰雪灾害、大地震、海洋沿岸等）经受考验并表现优异.C TC公司生产的碳纤维复合芯导线安装量在全球达到17 000k m,其中中国施工应用近7 000km,其他如美国新建345kV输电线路2 600km,俄罗斯总计3 000km,印尼1 000km,中非共计3 000km.
国内自2006年6月第一条碳纤维复合芯导线开始在福建省220k V线路龙岩工程中使用算起,至今已有200多条使用该种导线的线路投运.碳纤维复合芯导线的安全可靠性和技术经济性决定了其推广应用的可行性,作为复合芯导线产业发展的铺垫,对复合芯导线各项关键技术作全面的研究十分重要,是复合材料芯导线输电技术的基础.目前,碳纤维复合芯导线还没有得到大规范的推广应用,主要原因有以下2点：①安全可靠性.碳纤维复合芯导线在应用初期施工不规范、对复合材料认识不足以及对芯棒老化问题没有得到有效分析和研究,导致该类型导线在应用过程中曾经出现断线事故,致使在碳纤维复合芯导线选型设计和使用过程中存在顾虑；②技术经济性.碳纤维复合芯导线的高,为普通铝导线的2.5 ～3.5倍,导致初期线路建设投资大,如何减低复合芯导线的成本,对于新型导线的推广应用至关重要.
四、结语
碳纤维复合芯导线具有强度大、弧垂小的特性,在输电线路上有大跨越、低弧垂要求的路段具有不可比拟的优势.对线路改造工程来说,在输送容量不变的条件下,碳纤维复合芯导线将会造成静态投资增长,但是由于复合芯导线的质量轻、弧垂小,杆塔的吨位和呼高可以降低,基础费用也随之降低,静态投资费用增加率在25%左右,整体年费用增加率在10%左右.对于550kV线路扩容,电流强度的增加和交流电阻的增加,会导致线碳纤维复合芯架空输电导线损的快速提高.因此,推广应用时应注意扩容容量的增加程度.电阻率对复合芯导线输电线路经济性影响较大,建议全部使用高电导率软铝复合芯绞线；建议利用大截面复合芯导线替换原有的钢芯铝绞线,降低电阻率.国内碳纤维复合芯导线生产厂家较多,复合芯产品质量差别较大,建议对复合芯导线关键性能如玻璃化转变温度、长期耐老化性能、卷绕性能、径向耐压性能等进行严格要求,达标后再进行全面推广.
目前我国部分发达地区用电需求的大幅度增长与电网的快速建设在土地资源方面的矛盾正日益加剧,过负荷造成的停电、断电故障时有发生,严重影响电网的安全运行.采用常规的更塔换线技术改造方案不但投资大,建设周期长,而且政策纠纷处理困难,不利于大面积推广.采用碳纤维复合芯替代传统钢芯铝绞线中的钢芯制成,具有强度高、载流量大、弧垂小等突出的综合性能,是高性能复合材料在输电导线中的创新性应用.碳纤维复合芯导线可以在一定程度上提高线路输送容量、降低铁塔设计高度、增加杆塔跨度、减少塔基数、降低线路损耗,可节能降耗、减少线路走廊占地,具有较高的社会效益和环境效益,符合国家电网公司提出的“两型三新”发展思路,可以作为国家电网公司需推广应用的技术.
10.19599/j.issn.1008-892x.2018.04.010
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