电缆用碳纤维复合芯及其成型工艺

钱小磊马立伟叶峥嵘

摘要：目前，架空输电仍是输送电力的主体，电缆的技术革新已取得显著成效。碳纤维复合材料代替钢芯来研发新一代电缆。这种新型电缆具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、输送电容量大、线损小、弛度低和热膨胀系数小等一系列优异性能，从而引起各国的极大关注。随着时间的推移，在累积实际经验并解决一系列具体的技术问题后，有望大面积推广使用，必将带来巨大的经济效益和社会效益。

关键词：碳纤维；导线；复合芯；拉挤成型

前言：

碳纤维复合芯铝绞电缆是一种容量大、损耗低、节能环保的新型复合芯导线。它具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损小、弛度低、热膨胀系数小等一系列优异性能。国外技术研发以美国和日本较为成熟，并在工程实际应用。国内的技术研发近3年取得了突破性进展，部分企业已批量生产，产品已在百余条电网中挂网运行。

1碳纤维复合芯导线概述

目前，架空输电仍是输送电力的主体，电缆的技术革新已取得显著成效。早在20世纪90年代，日本就开始用碳纤维复合材料代替钢芯来研发新一代电缆。这种新型电缆具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、输送电容量大、线损小、弛度低和热膨胀系数小等一系列优异性能，从而引起各国的极大关注。之后，美国研制碳纤维和玻璃纤维复合芯铝绞电缆，获得成功，使其成为典型的新一代电缆，是传统钢芯铝绞电缆的更新换代产品[1]。

碳纤维和玻璃纤维复合芯铝绞电缆，英文是Aluminumconductorcompositecorereinforcedcable，简称ACCC，其核心技术是芯棒的制造，关键材料是高温韧性环氧树脂。在碳纤维复合芯棒中，碳纤维占35%，玻璃纤维占35%，高温韧性环氧树脂占30%。所用碳纤维的拉伸强度高和断裂伸长大，例如采用日本东丽公司生产的T700S；玻璃纤维采用耐碱的E型，即E-GF。E-GF的断裂伸长值大于T700S，因而为所制芯棒提供韧性和耐冲击性能。同时，E-GF的价格低于T700S，可降低生产成本。这种高温固化型环氧树脂具有特殊的耐热结构，树脂固化温度高达260℃。据CTC公司报道，该公司在2005年出售了3500公里长的ACCC产品。犹他州电力系统于2006年在盐湖城开始在电网中投入试用。从田纳西州到加利福尼亚州的另外7个项目于2007年开始实施。CTC公司估计，2008年中期，市场对该产品的需求量每年超过60亿美元[2]。

2碳纤维复合芯导线特点与结构

ACCC碳纤维复合芯导线与传统导线相比具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、线损小、弛度低、热膨胀系数小、与环境亲和等一系列优异性能，实现了电力传输的节能、环保与安全，从而引起各国的极大关注[3-4]。

碳纤维复合芯电缆与传统的钢芯铝绞电缆相比较具有以下优点：（一）重量轻。碳纤维复合芯的密度约为1.909cm3，钢的密度为7.89cm3。因此，架空电缆的杆塔跨距可增长，减少塔杆数约为16％左右，同时减少占地面积[5]。（二）强度为普通导线的2倍。普通钢丝的抗拉强度1240Mpa，而ACC的碳纤维混合固化芯棒，抗拉强度约为2399MPa。试验表明，ACCC导线破断力提高了30%。（三）导电率高，载流量大。相同直径中的铝线截面积是常规ACSR的1.29倍，载流量提高29％左右。（四）低弧垂。ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低弛度特性，在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的1/2，有效减少架空线的绝缘空间走廊，提高安全性和可靠性。（五）耐腐蚀，使用寿命长。碳纤维复合芯棒避免了钢芯在通电时铝线与镀锌钢丝之间的电化学腐蚀，使铝导线长期使用而耐老化。（六）节约铝材的消耗。按每年电力电路200万吨铝用量计算，能节约铝材近100万吨。（七）投资成本低。ACCC碳纤维复合导线倍容量运行，且抗拉强度高、弛度小、重量轻等特点，可使杆、塔之间的跨距增大，高度降低，同样容量线路成本比普通导线低。

3碳纤维复合芯导线的成型工艺

复合材料的性能、产品的质量在很大程度上依赖于制造技术。在实际生产中，复合材料构件成本中大约72%为制造成本。因此，降低制造成本，提升制造水平是扩大复合材料应用的重要措施。复合材料成型工艺的关键是要满足材料的形状尺寸、表面质量和经济效益等前提下，尽量减少其性能的下降，通过增强纤维与基体材料的结合能力，尽量较少复材制品的孔隙率。

碳纤维复合芯导线的生产主要通过拉挤成型。拉挤成型是将纤维和其他连续增强材料等在外力的牵引下，进行树脂浸渍，然后通过保持一定截面形状的模具，并使其在模内固化成型后连续出模或模内成型模外固化，由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。具有生产效率高、易于控制、产品质量稳定等优点，成型制品具有高的拉伸强度和弯曲强度[6]。这种工艺最适于生产各种截面形状一定的制品，如棒，板，管等。拉挤成型工艺生产流程是在牵引力作用下，纤维或织物经过纤维除湿器，除去纤维或织物表面水分，经导纱装置进入胶槽，经环氧树脂充分浸渍，浸渍完成后通过低温加热模具进行预成型，再经高温成型模具进行固化，即可获得碳纤维复合芯。在碳纤维复合芯的拉挤成型工艺中，模具温度、树脂黏度、内压力、牵引力及牵引速率等对成型制品的质量有重要影响。

4碳纤维复合芯导线的发展前景展望

碳纤维材料的产业化是实现碳纤维复合芯导线在国内输电行业的产业化应用的前提和保证，碳纤维材料价格则是制约产业化应用的关键。目前，河北硅谷生产的ACCC导线价格8万元/km，美国CTC价格为15万元/km。在相同环境条件下ACCC导线的价格是ACSR导线的3-5倍，需要较多的资金投入是目前制约ACCC导线推广应用的主要制约因素。我国电力工业每年以13%的速度发展，电线电缆市场需求巨大，2010年1-11月，我国电力电缆产量达到2395.84万km，同比增长26.87%。按10%的需求以ACCC导线替换，每年需求量将超过200万km，潜在的应用市场相当可观。

碳纤维复合芯导线采用新的复合材料技术，可消除钢芯铝导线存在的磁阻现象和热效应，在相同传输容量下，综合线损可减少6%-8%。按2010年全国年发电量41413亿kWh，线损率6.5%计算，可减少线损约160-215亿kWh，按发电煤耗335g/kWh计算，相当于每年节约电煤约540-720万t，减少相应的CO2排放量，节能减排效果显著。

总结

我国购买国外碳纤维复合芯铝绞电缆已在许多电网中开始试用。与此同时，国内研发这种新型电缆也正在进行。新型电缆价格是传统产品的3-5倍，需投入较多的资金，因此建设成本是目前ACCC导线推广应用的主要制约因素。随着碳纤维质量提高、产量扩大价格下降，有利于ACCC电缆的推广使用。

参考文献：

[1]用于电缆的碳纤维复合芯及其制作方法[J].高科技纤维与应用，2014，39（05）：62.

[2]付晶晶.碳纤维复合芯导线在输电线路工程中的应用研究[D].华北电力大学，2014.

[3]尤传永.增容导线在架空输电线路上的应用研究[J].电力设备，2006，7（10）：1-7.

[4]梁旭明，余军，尤传永.新型复合材料合成芯导线技术综述[J].电网技术，2006，30（19）：1-6.

[5]亢晓峰.碳纤维复合芯导线在天津电网应用[D].天津大学，2014.

[6]包建文.等.复合材料辐射固化技术与传统工艺的结合[J].宇航材料工艺，2000（5）：19-23