鋁包覆碳纖維復合芯導線性能研究

董 罡

（國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

鋁包覆碳纖維復合芯導線性能研究

董 罡

（國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

碳纖維導線以其重量輕、強度高、熱膨脹系數低、輸送容量大等特點在電力系統有巨大的應用潛力，但由于碳纖維芯棒抗剪切力差、金具壓接施工工藝復雜等缺點限制其發展。采用碳纖維芯棒鋁包覆技術及新型耐熱樹脂制備了一種新型碳纖維導線，實驗研究表明：與鋼芯鋁絞線相比，新型碳纖維導線拉伸性能提高明顯，鋁截面積增大，線膨脹系數小，同時有效提高了碳纖維芯棒抗剪切力，明顯減小彎曲半徑，解決了現場壓接施工工藝復雜的難題，大大提高了新型碳纖維導線使用推廣性能，具備替代傳統鋼芯鋁絞線的能力。

碳纖維復合芯棒；鋁包覆；碳纖維導線

0 引言

架空輸電導線作為輸送電力的載體，在輸電線路中占有極為重要的地位。長期以來，架空導線主要使用鋼芯鋁絞線［1］。鋁包鋼芯鋁絞線采用鋁包鋼芯替代普通的鋼芯，以碳鋼作為芯線，在鋼的表面均勻包覆一定厚度的鋁，是一種通過連續強制拉拔構成的高效雙金屬材料，既具有鋁的良好導電，通信和耐腐蝕性，又具有鋼的高強度、耐振動等優點［2-3］。但其耐熱性能、抗腐蝕性能相對較弱，線路的輸電量受到一定限制。另外，隨著運行溫度提高，導線弧垂相應增加，檔距越大，弧垂增加越多。隨著材料技術的發展，人們嘗試用有機復合材料代替金屬材料來制作導線的芯材，并已開發出幾種復合材料合成芯導線［4-9］。這些新型導線充分發揮了有機復合材料的特長，與鋼芯導線相比，新型復合芯導線重量更輕，強度更大，熱膨脹系數更小，彈性系數更高，導電性能更好，且耐腐蝕、線損低。其中以碳纖維復合材料導線芯的發展尤為迅速。20世紀90年代早期，日本首先研制出碳復合材料芯導線（ACFR），是采用碳復合材料替代鋼芯。但是后來證明在碳復合材料與鋁絞線二者之間發生電偶腐蝕 （也就是電池效應，雨水充當電解液角色）。2003年美國復合技術有限公司（CTC）推出了型號為ACCC（Aluminum Conduct Composite Core）復合材料合成芯導線，這種導線具有重量輕、強度高、載流量大、低膨脹、低線損等優點［10］。由于生產該產品的核心材料須美國CTC公司提供碳纖維芯棒，造成該導線價格高，推廣使用的難度大。

傳統碳纖維復合芯導線也存在問題：傳碳纖維芯棒抗剪切力差、金具壓接施工工藝復雜等缺點，造成了多起因施工工藝問題而導致的掉線故障。為解決上述問題，提高碳纖維復合材料導線實際應用能力，采用鋁包覆技術生產新型碳纖維復合芯導線，解決碳纖維導線徑向耐壓強度低，金具壓接困難問題，提高鋁包覆碳纖維復合芯導線現場施工應用能力。

1 鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線

1.1 導線結構

鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線結構如圖1所示，由碳纖維組成中心層，玻璃纖維為外包覆層浸漬特定樹脂高溫固化制成的單根芯棒或多根絞合復合芯棒，外層使用軟鋁進行無縫連接，形成一層鋁包覆，進而使用鋁線股為T型截面［6］的軟鋁絞制而成。

圖1 碳纖維復合芯導線

1.2 主要原材料

碳纖維復合芯棒是由碳纖維為主、玻璃纖維或其他纖維為輔浸泡特殊樹脂以高溫拉擠成型的方式制成的單根芯棒。將碳纖維與玻璃纖維進行預拉伸后，用環氧樹脂浸漬，然后在模具中高溫固化成型為復合材料芯線［7］。主要原材料如表1所示。

在碳纖維復合芯棒的外層，通過高溫擠拉技術，包覆一層無縫鏈接的鋁管，進而外層絞制軟鋁T型線而成的。

表1 主要原材料

2 性能測試

2.1 碳纖維芯棒力學性能

對所制的碳纖維芯棒依照GB／T 29324—2012進行檢測，徑向耐壓性能取5個平行試樣，其余檢測項目取3個平行試樣，所得檢測結果如表2所示。

表2 碳纖維芯棒力學性能

根據測試結果，檢測樣品符合GB／T 29324—2012標準的相應指標要求，其中徑向耐壓性能優越，所得檢測壓力遠高于標準中的30 kN，可以提高施工性能，保證線路運行的安全性。線膨脹系數小，對降低架空導線的弧垂效果明顯。

2.2 鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線性能

2.2.1 物理性能

在線徑相同的情況下，將鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線與鋼芯鋁絞線的物理參數與性能參數進行對比，選用 JL／G1A－300／40 鋼芯鋁絞線與 FBLRX／F3C－400／40新型碳纖維導線進行對比，具體對比數據如表3所示。

表3 兩種導線的參數對比

從表3中數據可以看出，在選用相同線徑的情況下，鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線試驗數據有更大的額定拉斷力，同時，由于其線膨脹系數小，使導線具有更優良的弧垂特性，鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線的熱膨脹系數比鋁絞線要小的多，并且在溫度升高到一定值時導線的弧垂基本不再增加，大大降低了導線的弧垂，從而允許導線在更高的溫度下使用。對降低架空導線的弧垂效果明顯，能夠實現更大跨距。更大的鋁截面積和更高最高運行溫度，可有效提高安裝和使用的工作溫度，增大工作電流，也就更能滿足大功率遠距離輸電的要求。

2.2.2 導線載流量測試結果

載流量分別根據 DL／T 5092—1999和 IEC 61597—1995推薦公式及參數計算，通過對比鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線FBLRX／F3C－400／40與常用鋼芯鋁絞線LGJ－400／50在不同環境情況下的載流量，分析兩種導線在載流能力上的差異。表4為環境條件Ⅰ （國內常用參數）和環境條件Ⅱ （IEC 61597－1995推薦值）。表5至表8為鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線與常用鋼芯鋁絞線在不同環境下的載流量數據。其中環境條件Ⅰ載流量數據由DL／T 5092—1999推薦公式及參數計算獲得，環境條件Ⅱ載流量數據由IEC 61597—1995推薦公式及參數計算獲得。

表4 環境條件Ⅰ和環境條件Ⅱ

表5 環境條件Ⅰ鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線載流量

表6 環境條件Ⅰ鋼芯鋁絞線載流量

表7 環境條件Ⅱ鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線載流量

表8 環境條件Ⅱ鋼芯鋁絞線載流量

從表4～8中數據中看出，在環境條件Ⅰ下，鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線在導線溫度120℃，環境溫度40℃下的載流量是1 109 A，而鋼芯鋁絞線在導線溫度70℃，環境溫度40℃下的載流量是604 A，前者是后者的1.83倍。在環境條件Ⅱ下，鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線在導線溫度120℃，環境溫度40℃下的載流量是1 280 A，而鋼芯鋁絞線在導體溫度70℃，環境溫度40℃下的載流量是799 A，前者是后者的1.6倍。可見，采用鋁包覆碳纖維芯棒復合芯導線作為線路增容改造的線種，效果非常顯著。

2.2.3 應力應變曲線

圖2為整個鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線的應力應變曲線，選取122.4 kN為設計拉伸強度（RTS），將試樣依次加載到RTS的30%、50%、70%、85%，保持一段時間后卸載到RTS的10%。在加載到30%RTS時，在應變為0.1%處斜率有突變，卸載時，斜率較大，呈線性變化。第二次加載到50%RTS時，初始部分斜率和第一次加載時相比較小。卸載時，斜率較大，隨卸載進行，降為與加載時斜率大致相同。重新加載時，與卸載變化規律基本相同，之后加載到70%和85%的變化規律與50%相似。

圖2 鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線的應力—應變曲線

由于碳纖維芯棒的強度比鋁絞線大得多，在加載初始階段，芯棒承載了大部分載荷，隨應變增大，當載荷達到鋁絞線的屈服點時，鋁發生塑性變形，將絞線上應力轉移至芯棒上，反映在曲線上是在第一次加載到應變為0.1%時，斜率突增。在卸載過程中，初始階段，鋁已經發生塑性變形，卸載主要為碳纖維的表現行為，即卸載前期斜率與加載時前期斜率相同。隨卸載再進一步進行，鋁絞線被壓縮發生彈性變形，使斜率要比卸載初始過程中要小。

在循環加載時，當應變達到鋁絞線的彈性變形極限時，斜率就發生變化。這是由于在加載時應力的重新分布和兩者的彈性模量的不同。開始是兩者都經歷彈性形變，當應力超過屈服點時鋁線發生塑性形變。當鋁絞線發生彈性變形曲線斜率較大。隨著彈性變形結束，斜率恢復。完全卸載后再次加載時重復之前的規律。因此應力—應變曲線形成是由于芯棒是完全彈性的，而鋁線會經歷彈塑性變形兩個階段造成的。

2.2.4 過滑輪測試

將鋁包覆碳纖維芯棒鋁導線進行過滑輪測試，經檢測該樣品過滑輪符合Q／GDW 1851—2012標準的相應指標要求，試驗樣品長度21 m，兩端壓接耐張線夾，導線過滑輪檢測參數如表9所示。

表9 導線過滑輪檢測參數

該樣品在20%RTS張力下通過滑輪后，經檢查導線表面無損傷，無明顯松股、起燈籠現象，軟鋁型線無斷裂，芯棒抗拉強度達到2 942 MPa。通過鋁包覆碳纖維芯棒技術，有效地減小了導線彎曲半徑，提高了施工性能。

3 結語

采用碳纖維芯棒鋁包覆技術及新型耐熱樹脂制備了新型碳纖維導線，測試并分析了自制碳纖維芯棒和碳纖維復合芯鋁導線的各項性能，新型導線的各種表觀質量均達到標準要求，與傳統鋼芯導線相比，主要優勢為：碳纖維芯棒徑向耐壓強度高，扭轉后斷裂強度高達2 952 MPa，大大超過普通鋼芯；新型碳纖維導線的重量輕，抗拉強度大，熱膨脹系數小，大大降低了導線的弧垂，從而允許導線在更高的溫度下使用；通過無縫鋁包覆技術，新型碳纖維導線的載流量大大超過傳統鋼芯鋁導線，可以實現對輸電線路擴容的改造，增加了導線徑向耐壓性能，提高金具和導線之間的摩擦力，可實現與普通金具配合，避免了在施工過程中可能存在的安全隱患，大幅降低了金具投資；加了新型碳纖維導線鋁的截面積，大幅度降低了線損。

［1］胡文堂.電線電纜［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］雷毅.新一代鋁包鋼芯鋁絞線的特點及應用［J］.山西電力技術，2000（1）：44－45.

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［4］張國光.碳纖維復合芯導線在電力傳輸線路上的應用［J］.河南電力，2007（4）：56－57，64.

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［8］尤志魏，朱愛鈞，潘裕新，等.碳纖維復合芯（ACCC）導線在上海電網應用分析［J］.華東電力，2009，37（8）：1 292－1 295.

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［10］何桂明，湯濤，李如振.高強度全鋁合金導線在輸電線路中的應用［J］.山東電力技術，2004（3）：56－58，64.

Research on Applications of Aluminum Coating Carbon Fiber Mandrel Composite Mandrel Conductor

DONG Gang
（State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

Carbon fiber wire has great potential applications in the power system because of its light weight，high strength，low thermal expansion coefficient，large transmission capacity and so on.However the wider application has been greatly limited due to its poor resistance of shear and complex crimping process.In this paper，a new type of carbon fiber wire is prepared by using aluminum coating carbon fiber mandrel technology and new heat-resistant resin.It is shown that，compared with steel core aluminum stranded wire，the tensile strength of the new carbon fiber wire is enhanced，aluminum cross-sectional area is increased，and linear expansion coefficient becomes smaller.At the same time，the carbon fiber mandrel shear resistance is improved，bending radius is decreased，and problems of complex crimping construction process are solved.As a consequence，its performance for wider use is promoted，and there is great ability to replace the traditional aluminum conductor steelreinforced cable.

carbon fiber composite mandrel；aluminum coating；carbon fiber conductor

TM211

A

1007－9904（2017）11－0065－04

2017－10－10

董 罡（1962），男，高級工程師，主要研究方向為電氣工程。