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(fù)合材料芯導(dǎo)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(fù)合材料芯導(dǎo)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(xué)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(dǎo)電、導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(fù)合材料芯導(dǎo)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(fù)合材料芯導(dǎo)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(dǎo)線，主要用于解決既有架空輸電線路導(dǎo)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(fù)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(fù)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(fù)合材料芯導(dǎo)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(dǎo)線強度、降低導(dǎo)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(dǎo)線輕30%。當導(dǎo)電體采用耐熱鋁時，可以得到耐熱性能更好的TACFR導(dǎo)線，在降低導(dǎo)線馳度的同時，提高導(dǎo)線的載流量[3]。ACFR是ACSR一對一的材料替換，導(dǎo)線外形、結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式和尺寸與傳統(tǒng)導(dǎo)線完全一樣。

圖2-1 日本的ACFR導(dǎo)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(dǎo)線，碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)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(fù)合材料芯軟鋁導(dǎo)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(yù)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(fù)合材料芯線。其導(dǎo)體為梯形截面的鋁線股。

圖2-2 ACCC導(dǎo)線(左)與ACSR導(dǎo)線(右)

[1]據(jù)目前所了解的資料，國外碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)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(fù)合芯軟鋁導(dǎo)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(dǎo)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(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線應(yīng)用試驗，有兩條使用該種導(dǎo)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(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線(型號為HVCRC)未見實際應(yīng)用的報告。由此可見，碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)線用碳纖維復(fù)合芯材料以及實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線國產(chǎn)化的條件已基本成熟。