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[材料应用] 复材新增长点：碳纤维复合芯电缆 |
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我国是个缺电的国家，不仅发电业的发展滞后，输电业的弊端也凸现出来，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，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”，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。 碳纤维复合芯铝绞电缆 （见图1）① ( ACCC--Alu-minum conductor composite core reinforced cable) 是传统钢芯铝绞电缆 ( ACSR) 的更新换代产品。这种新型电缆具有一系列优异性能，是电缆的高端产品。日本和美国已经研发成功ACCC 电缆，并在电网中得到实际应用。我国从美国已购买这种电缆，在多种电网中开始试用。同时，我国已开始研制 ACCC，以取代传统的ACSR 电缆，这必将使我国架空输电技术提高到一个新水平。  图1：碳纤维复合铝绞电缆（左）和钢芯铝绞电缆（右） 技术关键 碳纤维和玻璃纤维复合芯铝绞电缆，主要采用连续拉挤法。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，因而为所制芯棒提供韧性和耐冲击性能。所用环氧树脂为高温型的韧性树脂。这是制造复合芯棒的又一技术核心。这种树脂固化温度高达260℃，一般环氧树脂648或AG80的固化温度都低于此值。换言之，这种高温固化型环氧树脂具有特殊的耐热结构。此外，还需要增韧改性，使所制芯棒具有韧性，而不是硬棒。否则不会通过放线滑轮试验。连续拉挤成型是成熟工艺。但制造碳纤维复合芯棒具有一定的特殊性。 工艺流程 将碳纤维筒放在整理架上，单向(0°)集束，包覆玻璃纤维，浸渍环氧树脂胶液，通过钢制模口，以控制直径，然后通过固化炉，固化成型。芯棒直径可在0.19~19mm范围内调节，拉挤速度可在2.7－18m/min范围内调节。 性能分析 1. 与ACSR电缆相比，可有效提高29%载流容量，减少输电损失6% 一方面，由于碳纤维复合芯强度高于钢芯，因而芯棒直径比钢芯细，可容纳的铝线多，加之，ACCC的梯形截面，导线排列更紧密，因此总体上导电截面更大。与传统的ACSR相比，载流量提高29%左右的载流量。此外，ACCC不存在传统钢丝的磁损和热效应，可有效减少输电损失6%。 2. 线膨胀系数小、弛度小 首先，ACCC导线具有显著的低弛度特性，ACCC的线膨胀变化仅为ACSR的9.6%，下垂度不到ACSR的1/2；其次，ACCC复合芯可在急冷急热的环境中工作，例如，上至200℃，下至－180℃的极寒低温，任然可以用于输电载体的设计和制造。因此，碳纤维复合芯不仅能够适应温差变化，还有效减少架空电缆的绝缘空间，提高导线运行的安全性。 3. 重量轻、强度高、破断力大 ACCC的复合芯的密度约为1.9g/cm3 ，而ACSR的芯材密度要高出4倍（约为7.8 g /cm3 ），同时，ACCC的拉伸强度为2399MPa，是ACSR的1.97倍。要知道，电缆的承载外力主要由芯材承担。而碳纤维复合芯相比钢丝不仅具有重量轻、强度高的优势，还大大提高了30%的破断力。 4. 耐腐蚀性 ACCC复合芯可以避免ACSR线芯的双金属间腐蚀的问题。更重要的是，ACCC芯棒外层包覆着玻璃纤维层，该层能起到绝缘功能，有的产品还在玻璃纤维外层包覆四氟乙烯使芯棒与铝线完全绝缘，免受电腐蚀（见图2：碳纤维复合芯铝绞电缆的界面图）。  图2：1、碳纤维环氧树脂复合材料内芯;2、玻璃纤维增强环氧树脂复合材料外芯;3、第一层梯形铝导线;4、第二层梯形铝导线;5、保护性涂层。 ACCC在中国市场的应用概况 ? 远东控股集团---远东控股集团与美国CTC公司保持密切合作，于2009年3月合作成功把碳纤维的应用拓展到了电力领域，推出的碳纤维导线具有强度高、重量轻、弧垂小、导电率高、载流量大、运行温度高等优良特性，解决了输变电行业中大容量与低损耗并存的系统性技术问题，并已经在全国40余条输电线路挂网运行。碳纤维导线的出现颠覆了传统的钢芯铝绞线输电，被业内专家誉为输变电领域的革命。2011年1月，远东碳纤维复合导线在北京挂网运行。 ? 福建省龙岩电业局---2006年7月，我国首条220kvACCC碳纤维复合碳纤维复合芯导线在福建省龙岩电业局园田塘变电站至曹溪变电站220kv线路挂网运行，导线全长5.2km。工程利用原线路铁塔及大部分金具瓷瓶等原设备，改造后使该线路输送容量提高了一倍。工程正式施工与常规导线工程改造相比至少缩短了3个月的工期。既满足了增容要求，同时缩短了改造旧线路的施工、停电时间。2007年2月，由福建南平市电业局投资引进的ACCC碳纤维复合导线，在南平市区220kv古杨Ⅱ线较密集地段挂网并正式投入运行，导线全长3.9km。 ? 江苏无锡---2006年10月，江苏无锡110kv孟村至陆区4.1km长的ACCC导线顺利建成竣工投运，这是我国首次在110kv线路工程中使用碳纤维复合材料导线。应用此种新型导线，对于需要较大载流量的苏南地区来说，效益十分明显。以无锡地区为例，常规的110kv回线路新建的综合造价约为80万元/km，而采用碳纤维复合芯铝绞线，其每公里的投资仅需约50万元，能够节约近40%的费用，可大大减少工程投资。 ? 浙江宁波送变电公司---2007年，浙江宁波送变电建设公司对220kv河慈、河溪线两回导线实施增容改造，总长35km的普通钢芯铝绞线被换成远东复合技术有限公司和美国CTC公司生产的ACCC碳纤维复合芯导线，改造后，两条线路共增容30万KW?A，极大地缓解了慈溪地区困扰已久的电网卡脖子问题，对慈溪地区迎峰度夏期间减少拉限电起到了重要作用。 ? 河北硅谷化工公司---2007年，河北硅谷化工公司投资2亿元建成年产1200吨高性能碳纤维生产线，填补了国内空白，为我国大批量生产碳纤维复合芯导线提供了核心材料。2008年10月份，该公司又筹资3.8亿元开工建设碳纤维复合芯导线生产线，建设期两年。2009年2月18日华北电网公司完成碳纤维导线自主研发项目由华北公司牵头，华北电力科学研究院有限责任公司为技术总负责单位，河北硅谷化工有限公司、山东大学为协作单位。经过项目组的努力，目前已经实现了碳纤维复合芯的完全国产化，完成了碳纤维导线的自主研发，并在华北电网500千伏万顺三回线挂网试运行。 天津电网---2008年，天津景卫220千伏线路碳纤维复合芯铝绞线总长度11.26千米，试运行一年以来安全稳定，是目前国内正在运行的碳纤维复合芯铝绞线最长的一条。天津公司针对施工中导线受力状态下相关参数进行了测定，已具备ACCC导线在设计、施工、运行、检修维护方面的初步经验。 ? 河南谢安---2009年8月，110V泰康高朗输变电工程碳纤维复合芯铝绞线顺利通过验收，这是ACCC在河南省首次用于110V输电线路，对今后高压电里输电线路使用ACCC电缆提供有价值的运行数据。 ? 三普药业---2011年，三普药业公司完成医药行业重组工作，转型发展碳纤维电缆。隶属于远东集团电缆业务。 发展建议 首先，一直以来碳纤维材料价格导致的建设成本过高是制约产业化应用的关键。例如，我国福建电网从美国CTC公司购买了60公里ACCC导线应用在福建省厦门和福州电网中，其价格水平为１５万元人民币／公里。这比我们一直使用的钢芯铝绞线的价格要高3-5倍。但是相信随着碳纤维质量提高，产量扩大价格下降，必将有利于 ACCC 电缆的推广使用。 其次，碳纤维复合导线金具直接制约了导线的推广应用。据国家电网公司称，目前碳纤维复合芯导线采用的配套金具具有大长度、大直径特点，其中接续金具总长度达到170厘米左右，不能顺利通过放线滑车，导致目前碳纤维复合芯导线的放线施工均采用定长距离、分段放线的施工方法，需频繁转场，施工难度、施工周期及费用大幅度增加，甚至在地形条件恶劣区段无法施工，构成了碳纤维复合芯导线推广应用的瓶颈。据悉，华北电网已经联合相关院所自主研发了碳纤维复合芯配套金具，包括耐张线夹、接续管，并通过了一系列试验，一定程度上解决了电缆线展放的问题，有效降低长距离路段的施工难度。 相信，ACCC电缆将会随着我国碳纤维及其配套金具工业的发展迎来良好的应用前景。 | |
发表于 2015-11-11 01:25:59
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