隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求不斷增長，電力負荷不斷增加。在土地資源日益稀缺、用電需求持續(xù)增長的情況下，如何使輸電走廊盡可能少地占用土地資源，又能提高電網(wǎng)的輸電能力，已經(jīng)成為日益重要、亟待解決的難題，提高新建線路的單位輸送容量和實施現(xiàn)有線路的擴容改造是兩條有效的途徑。

相比于同規(guī)格的鋼芯鋁絞線，碳纖維復合材料芯導線具有質(zhì)量輕、抗拉強度大、線膨脹系數(shù)小、弧垂小、載流量大、耐高溫、耐腐蝕等特點。[1]碳纖維復合材料芯導線的共同特點是芯主要由碳纖維和熱硬化性樹脂構(gòu)成。碳纖維是由含碳量較高且在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的特種纖維。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，同時沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度，具有很高的比強度。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料比重小、剛性好、強度高，其比強度、比模量等綜合指標在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的，能夠滿足輸電導線在強度、剛度、重量、疲勞特性等方面的嚴格要求。[2]碳纖維復合材料芯導線技術(shù)的工程應(yīng)用推廣，符合國家電網(wǎng)公司推動“兩型三新”線路建設(shè)的精神，不僅對于提高輸電線路的輸送容量和電網(wǎng)的安全可靠性，以及降低架空輸配電工程總造價具有非常重要的意義;還將促進新技術(shù)、新工藝、新材料的研究;也勢必推動國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級與進步。

碳纖維復合材料芯導線能否在新建線路和擴容改造工程中應(yīng)用，不僅要在技術(shù)上可行還要在經(jīng)濟上合理，因此要結(jié)合具體的工程進行技術(shù)經(jīng)濟比較。

2 國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 日本的概況

20世紀90年代，日本昭和電線電纜株式會社、東京制綱株式會社和東北電力株式會社共同開發(fā)了一種稱為ACFR(碳纖維芯鋁絞線)的低馳度導線，主要用于解決既有架空輸電線路導線弧垂過大、對地凈距不足的問題。其基本思想是用相同直徑的碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)代替一般鋼芯鋁絞線(ACSR)中的鋼芯，結(jié)構(gòu)和外觀如圖2-1所示。復合材料芯的質(zhì)量是常規(guī)鋼芯的約1/5，線膨脹系數(shù)約為1/12。試驗證明，這種新型復合材料芯導線的抗拉強度遠遠超過了ACSR，在常溫下的應(yīng)力——伸長特性呈現(xiàn)彈性體，沒有塑性變性，斷裂時的伸長量比鋼絞線小，約為1.6%。耐熱性基本與ACSR相同。ACFR在提高導線強度、降低導線重量和馳度方面具有突出的優(yōu)點，其遷移點溫度約為70℃，運行溫度達150℃，重量比相同直徑的ACSR導線輕30%。當導電體采用耐熱鋁時，可以得到耐熱性能更好的TACFR導線，在降低導線馳度的同時，提高導線的載流量[3]。ACFR是ACSR一對一的材料替換，導線外形、結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式和尺寸與傳統(tǒng)導線完全一樣。

圖2-1 日本的ACFR導線

日本的ACFR已在日本東北電力公司宮城支店的66kV輸電線路上試用。但由于日本的新建線路極少，原有線路大多采用耐熱鋁合金導線，碳纖維復合材料芯導線所以沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。

2.2 美國的概況

美國Composite Technology Corporation(CTC，Irvine, CA)研制開發(fā)的碳纖維復合材料芯軟鋁導線 (Aluminum Conductor Composite Core，簡稱ACCC) 如圖2-2所示。其芯線是由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的單根芯棒，碳纖維采用聚酰胺耐火處理、碳化而成；高強度、高韌性配方的環(huán)氧樹脂具有很強的耐沖擊性、耐抗拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。將碳纖維與玻璃纖維進行預拉伸后，在環(huán)氧樹脂浸漬，然后在高溫模子中固化成型為復合材料芯線。其導體為梯形截面的鋁線股。

圖2-2 ACCC導線(左)與ACSR導線(右)

[1]據(jù)目前所了解的資料，國外碳纖維復合芯軟鋁導線的生產(chǎn)廠家有兩個，均在美國，分別是CTC公司(Composite Technology Corporation)和水銀電纜公司(Mercury Cable & Energy LLC)。其中美國CTC公司研制的碳纖維復合芯軟鋁導線(型號為ACCC/TW)2004年8月首次在安裝在試驗線段上，2005年1月正式在實際線路工程上應(yīng)用。迄今為止，國外共有15條線路(均為單回路)使用該種導線，在這15條線路中，美國有13條，其中試驗線路1條，長1.06km;230kV線路2條，共計4.0km;161kV線路1條，長0.15km;138kV線路3條，共計34.96km;115kV線路1條，長0.14km;69kV線路2條，共計1.37km;34.5kV線路2條，共計35.05km;13.8kV線路1條，長1km，詳見下表。

法國2005年開始進行碳纖維復合芯軟鋁導線應(yīng)用試驗，有兩條使用該種導線的試驗線路，長度分別為0.8km和0.4m。美國水銀電纜公司生產(chǎn)的碳纖維復合芯軟鋁導線(型號為HVCRC)未見實際應(yīng)用的報告。由此可見，碳纖維復合芯軟鋁導線在國外應(yīng)用并不廣泛，每條線路使用長度較短(大部分線路長度不超過3km)，多數(shù)電壓等級較低(138kV及以下)，且運行時間短(不足5年)，運行經(jīng)驗不夠豐富。[4]

表2-1 碳纖維導線在國外應(yīng)用情況一覽表

2.3 國內(nèi)的情況

我國目前已基本掌握纖維增強復合材料的設(shè)計與制備技術(shù)。我國在玻璃纖維和樹脂體系的研究和生產(chǎn)方面，已實現(xiàn)了國產(chǎn)化。部分高端纖維如碳纖維原絲的生產(chǎn)也即將實現(xiàn)國產(chǎn)化。因此，研制具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的導線用碳纖維復合芯材料以及實現(xiàn)碳纖維復合材料芯導線國產(chǎn)化的條件已基本成熟。