鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

張方正

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

·新材料應(yīng)用·

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

張方正

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)（ACCC導(dǎo)線(xiàn)）具有低弧垂、大容量、節(jié)能減排等綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。ACCC導(dǎo)線(xiàn)施工過(guò)程中容易折損，且無(wú)法探測(cè)，易造成停電及安全隱患；碳纖維導(dǎo)線(xiàn)需要特種連接金具，工藝復(fù)雜、成本高、施工過(guò)程繁瑣，嚴(yán)重限制了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)的推廣使用。與ACCC導(dǎo)線(xiàn)相比，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)具有截面積大、保護(hù)碳纖維芯、不易折損、連接金具成本低、操作簡(jiǎn)單和施工方便等特性，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型超／特高壓等輸電網(wǎng)絡(luò)，代表了未來(lái)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

碳纖維導(dǎo)線(xiàn)；鋁包覆；碳纖維復(fù)合芯；連接金具

0 引言

20世紀(jì)90年代早期，日本首先研制了碳復(fù)合材料芯導(dǎo)線(xiàn)（ACFR），采用碳復(fù)合材料替代鋼芯。但是后來(lái)證明在碳復(fù)合材料與鋁絞線(xiàn)二者之間發(fā)生電偶腐蝕（電池效應(yīng)，雨水充當(dāng)電解液角色）。因此，該產(chǎn)品未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用［1］。美國(guó)CTC公司研制的碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線(xiàn)，2004年8月首次在安裝在試驗(yàn)線(xiàn)段上，2005年1月正式在實(shí)際線(xiàn)路上應(yīng)用。我國(guó)是繼美國(guó)之后第二個(gè)在輸電線(xiàn)路上使用碳纖維導(dǎo)線(xiàn)的國(guó)家。2006年我國(guó)遠(yuǎn)東電纜通過(guò)與美國(guó)CTC的合作，使用美國(guó)CTC公司的碳纖維復(fù)合芯棒在遠(yuǎn)東公司進(jìn)行軟鋁型線(xiàn)整體絞合生產(chǎn)碳纖維導(dǎo)線(xiàn)［2-4］。2007年底，在220 kV及以下電壓等級(jí)的輸電線(xiàn)路已經(jīng)有20多條已建成或是在建項(xiàng)目，2009年碳纖維導(dǎo)線(xiàn)首次使用在500 kV輸電線(xiàn)路。

1 輸電線(xiàn)路架空導(dǎo)線(xiàn)技術(shù)現(xiàn)狀

隨著技術(shù)進(jìn)步及電力行業(yè)發(fā)展的需要，世界上許多國(guó)家的輸電線(xiàn)路上廣泛使用各類(lèi)鋁合金導(dǎo)線(xiàn)，主要有全鋁合金絞線(xiàn) （AAAC）、鋁合金芯鋁絞線(xiàn)（ACAR）、鋼芯鋁合金絞線(xiàn)（AACSR）等幾類(lèi)［5］。 鋁質(zhì)材料本身的特征決定了ACSR導(dǎo)線(xiàn)有限的傳輸能力。輸電線(xiàn)路的允許傳輸容量（載流量）取決于鋁導(dǎo)體耐受溫度和截面積（在交流輸電時(shí)，由于集膚效應(yīng)電流密度是集中在鋁導(dǎo)體內(nèi)中，從而鋁導(dǎo)體運(yùn)行溫度和截面積決定了ACSR的運(yùn)行電阻）。熱拐點(diǎn)除了跟導(dǎo)線(xiàn)的構(gòu)成材料特性有關(guān)外，亦受到導(dǎo)線(xiàn)的張力和張力歷史影響。預(yù)應(yīng)力處理能降低熱拐點(diǎn)，如圖1所示。值得注意的是溫度低于每一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)類(lèi)型的熱拐點(diǎn)時(shí)弧垂增加迅速，因?yàn)榈陀跓峁拯c(diǎn)時(shí)，鋁導(dǎo)電材料決定導(dǎo)線(xiàn)的熱膨脹率。在熱拐點(diǎn)以上，導(dǎo)線(xiàn)的熱膨脹由承力芯控制。為了彌補(bǔ)鋁合金導(dǎo)線(xiàn)的不足，國(guó)外研究學(xué)者研發(fā)了很多改良型鋼芯鋁絞線(xiàn)。

圖1 不同種類(lèi)的鋁導(dǎo)線(xiàn)類(lèi)型的典型熱拐點(diǎn)

1.1 間隙型導(dǎo)線(xiàn)（GAP）

間隙型導(dǎo)線(xiàn)（GAP）是一種可抑制其熱拐點(diǎn)、耐高溫、低弧垂的特種導(dǎo)線(xiàn)。間隙型導(dǎo)線(xiàn)必須通過(guò)拉緊在張力塔間的導(dǎo)線(xiàn)承力芯鋼絲來(lái)安裝［6］。該預(yù)應(yīng)力工序可能需要48 h或更長(zhǎng)時(shí)間，并且需要特殊的裝置和額外的架線(xiàn)工勞動(dòng)時(shí)間，該導(dǎo)線(xiàn)熱拐點(diǎn)位于或接近安裝溫度，此時(shí)的導(dǎo)線(xiàn)熱弧垂僅僅由鋼絲的熱膨脹控制（鋼絲的熱膨脹系數(shù)大約是鋁的一半）。然而，間隙型導(dǎo)線(xiàn)通常非常昂貴，且安裝困難，要求專(zhuān)業(yè)的培訓(xùn)及工具、更多的現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間。此外，該導(dǎo)線(xiàn)的承力芯幾乎承受所有的載荷，其若斷裂會(huì)縮回導(dǎo)線(xiàn)鋁層內(nèi)部，使得間隙型導(dǎo)線(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)的修復(fù)不可能。必須替換及安裝張力塔間的整段間隙型導(dǎo)線(xiàn)，造成電力傳輸恢復(fù)的延遲。

1.2 銦鋼芯鋁絞線(xiàn)（INVAR）和鋁基陶瓷纖維復(fù)合芯鋁絞線(xiàn)（ACCR）

高溫導(dǎo)線(xiàn)如銦鋼芯鋁絞線(xiàn)（INVAR）［7］及鋁基陶瓷纖維復(fù)合芯鋁絞線(xiàn)（ACCR）［8］，使用能夠經(jīng)受高溫操作的鋁—鋯高溫合金材料。這些導(dǎo)線(xiàn)通常有高的熱拐點(diǎn)，常常達(dá)到甚至超過(guò)100℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)線(xiàn)日常載流運(yùn)行溫度 （圖1）。針對(duì)高溫操作，INVAR和ACCR導(dǎo)線(xiàn)承力鋼絲芯用薄的鋁包層進(jìn)行保護(hù)。然而，導(dǎo)線(xiàn)芯鋁包層在預(yù)拉伸絞合過(guò)程中會(huì)經(jīng)受高達(dá)190 MPa的張力，易造成振動(dòng)疲勞損傷。薄鋁包層不能有效支撐處于張力的導(dǎo)線(xiàn)芯，并使其緊縮最小化，導(dǎo)線(xiàn)的末端在導(dǎo)線(xiàn)芯中的張力釋放前必須進(jìn)行固定，承力鋼絲芯應(yīng)力釋放后，所有的鋁線(xiàn)會(huì)變得非常松弛。松弛的鋁線(xiàn)及導(dǎo)線(xiàn)末端固定裝置使得導(dǎo)線(xiàn)在制造及現(xiàn)場(chǎng)架線(xiàn)施工時(shí)難于處理。

1.3 鋼芯軟鋁絞線(xiàn)（ACSS）

鋼芯軟鋁絞線(xiàn)（ACSS）［9］的預(yù)張力處理偶爾被采用。ACSS導(dǎo)線(xiàn)處于電塔之間，在完成張力塔張力金具夾合工序之前對(duì)導(dǎo)線(xiàn)施加顯著的張應(yīng)力（載荷相當(dāng)于40%的導(dǎo)線(xiàn)拉伸強(qiáng)度）數(shù)小時(shí)來(lái)完成。ACSS的預(yù)拉伸處理的確降低了熱拐點(diǎn)及改善了熱弧垂，然而ACCS拉伸中高的應(yīng)力要求增加了電塔安全運(yùn)行的危險(xiǎn)性，尤其是線(xiàn)路改造項(xiàng)目中，老舊傳輸電塔隙保持并充填高溫潤(rùn)滑油來(lái)協(xié)助滿(mǎn)足鋼芯與鋁層在導(dǎo)線(xiàn)安裝過(guò)程中必需的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

1.4 纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料芯導(dǎo)線(xiàn)

纖維增強(qiáng)有機(jī)高分子基復(fù)合材料承力芯及退火鋁絞線(xiàn)制作的導(dǎo)線(xiàn)在過(guò)去十年中獲得廣泛認(rèn)可及應(yīng)用，這些導(dǎo)線(xiàn)有來(lái)自CTC-GLOBAL公司的碳纖維復(fù)合芯鋁絞線(xiàn)（ACCC）［5］，SOUTHWire 公司的 C7［10］，Nexans公司的 Low Sag［11］，及其他類(lèi)似類(lèi)型的導(dǎo)線(xiàn)［12-13］。 這些導(dǎo)線(xiàn)通常用碳纖維復(fù)合材料作為承力芯，承力芯與鋁之間含有絕緣層以防止電耦合化學(xué)反應(yīng)。目前該類(lèi)導(dǎo)線(xiàn)基本上都用于舊線(xiàn)路的增容改造。通常這些導(dǎo)線(xiàn)不進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理，因?yàn)槔吓f電塔或許不能承受抑制導(dǎo)線(xiàn)熱拐點(diǎn)所要求的高應(yīng)力。當(dāng)復(fù)合材料芯中的張力不足時(shí)，更易受到損傷。若承力芯受到部分損傷而外觀(guān)又無(wú)法發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)斷裂可能會(huì)被推遲幾個(gè)月甚至幾年，給電網(wǎng)的安全及可靠性帶來(lái)嚴(yán)重威脅［4］。如果復(fù)合材料芯導(dǎo)線(xiàn)制造時(shí)能增加有效防止施工失誤的結(jié)構(gòu)，其承力芯處于大的預(yù)張應(yīng)力，而其導(dǎo)電材料幾乎不承受張應(yīng)力，該導(dǎo)線(xiàn)會(huì)很適合于安全操作與安裝，保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

1.5 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)

1.5.1 碳纖維導(dǎo)線(xiàn)

從2005年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)多家研究院所開(kāi)始了碳纖維芯復(fù)合導(dǎo)線(xiàn)的研發(fā)工作，主要有：遠(yuǎn)東電纜有限公司、中國(guó)電力科學(xué)研究院、華北電科院與河北硅谷合作開(kāi)發(fā)、遼寧省電力公司與哈爾濱玻璃鋼研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)哈玻院）合作開(kāi)發(fā)、常州鴻澤瀾線(xiàn)纜有限公司、航天四院 43 所等［1，4，14］。 遠(yuǎn)東電纜與美國(guó) CTC 合作生產(chǎn)，但核心部分由美國(guó)公司提供，價(jià)格較高，成為國(guó)內(nèi)推廣使用的障礙。中國(guó)電力科學(xué)研究院于2008年1月開(kāi)始碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)研究工作，依托國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目 “碳纖維復(fù)合芯擴(kuò)容導(dǎo)線(xiàn)的研制開(kāi)發(fā)”，項(xiàng)目研究成果總體上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平［9］。華北電力科學(xué)研究院與河北硅谷化工有限公司合作自主開(kāi)發(fā)了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)，采用的是耐熱鋁合金圓線(xiàn)配合碳纖維復(fù)合芯，參照GB／T 1179—2008《圓線(xiàn)同心絞架空導(dǎo)線(xiàn)》標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)線(xiàn)尺寸將鋼芯替換成碳纖維復(fù)合芯，而鋁絞線(xiàn)單絲參數(shù)不變，因此發(fā)揮了導(dǎo)線(xiàn)拉伸強(qiáng)度大、低弧垂、重量輕等部分特性，但沒(méi)有為了提高載流面積而采用梯形軟鋁結(jié)構(gòu)［1］。遼寧省電力公司與哈爾濱玻璃鋼研究院合作開(kāi)發(fā)了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)，復(fù)合芯的研制由哈玻院負(fù)責(zé)，導(dǎo)線(xiàn)由沈陽(yáng)供電公司電纜廠(chǎng)生產(chǎn)，其使用溫度能達(dá)到160℃，并已在沈陽(yáng) 66 kV 文桃線(xiàn)應(yīng)用［15］。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)的施工中存在問(wèn)題。1）長(zhǎng)度在5 km內(nèi)，須頻繁轉(zhuǎn)場(chǎng)，大大增加施工難度及費(fèi)用；在環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜的山地施工，如果沒(méi)有適合的張力場(chǎng)，甚至面臨無(wú)法放線(xiàn)的問(wèn)題。不能連續(xù)放線(xiàn)成為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)在長(zhǎng)距離線(xiàn)路（包括超高壓、特高壓線(xiàn)路）上應(yīng)用的瓶頸。2）由于A(yíng)CCC彎曲度不能過(guò)小，以防止碳纖維復(fù)合芯損傷，牽引角度較大的耐張塔、直線(xiàn)塔均使用雙滑車(chē)，在平衡開(kāi)線(xiàn)時(shí)，用繩子將導(dǎo)線(xiàn)與鋼絲繩捆扎，托住導(dǎo)線(xiàn)，防止尾線(xiàn)下垂角度過(guò)大。緊線(xiàn)時(shí)速度放慢，避免導(dǎo)線(xiàn)受到外部沖擊受損。3）在冰凍環(huán)境下弧垂大。為保持弧垂避免電塔承受過(guò)度的架線(xiàn)張力，在導(dǎo)線(xiàn)第一次遭受冰載荷張應(yīng)力下降后，有時(shí)需要調(diào)整導(dǎo)線(xiàn)張力來(lái)進(jìn)一步改善弧垂。若這些導(dǎo)線(xiàn)施工前已具有低的熱拐點(diǎn)，且對(duì)電塔沒(méi)有高的預(yù)張應(yīng)力處理要求，這些導(dǎo)線(xiàn)可被安裝更高的位置而電塔無(wú)需承受更高的預(yù)張應(yīng)力。4）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)還未獲得可靠的壽命年限 （估計(jì)為40 a）。在復(fù)雜的野外氣象條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，不排除由有機(jī)物構(gòu)成的碳纖維芯是否會(huì)出現(xiàn)酸腐蝕、電化學(xué)腐蝕、疲勞斷裂等不可預(yù)見(jiàn)事故的可能。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)的運(yùn)行維護(hù)、導(dǎo)線(xiàn)探傷、導(dǎo)線(xiàn)損壞修復(fù)等問(wèn)題還需要實(shí)踐積累加以解決。

1.5.2 連接金具

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)是一種節(jié)能型增容導(dǎo)線(xiàn)，在電氣、機(jī)械等諸多性能方面領(lǐng)先于普通鋼芯鋁絞線(xiàn)，具有非常突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。其結(jié)構(gòu)新穎，更有利于提高壓接管、耐張線(xiàn)夾與導(dǎo)線(xiàn)的壓接強(qiáng)度［2，16，17］。 由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)依靠承力芯承載，通常要求特別的金具來(lái)夾緊固定。耐張金具、中間接續(xù)金具與普通導(dǎo)線(xiàn)不同，壓接及安裝方法較普通導(dǎo)線(xiàn)有所區(qū)別，必須確保碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)在安裝時(shí)沒(méi)有任何損傷。在施工過(guò)程中，工藝復(fù)雜，施工質(zhì)量要求高，尤其以金具壓接最為突出，除需專(zhuān)用金具，還應(yīng)特別注意不要損傷導(dǎo)線(xiàn)。導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)的備品備件、應(yīng)急搶修等方面均存在一定的難度。

這些導(dǎo)線(xiàn)使用的金具成本有時(shí)高達(dá)整個(gè)工程造價(jià)的50%，對(duì)于電網(wǎng)成本控制有不利影響，尤其對(duì)費(fèi)用敏感的工程，比如低壓配電網(wǎng)應(yīng)用。同時(shí)，碳纖維復(fù)合芯承力芯導(dǎo)線(xiàn)必須使用昂貴及特別的配件，如來(lái)自CTC-Global公司的夾頭及外殼技術(shù)或來(lái)自AFL公司的壓合接頭鋁襯套方式［18］。此外，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)必須特別嚴(yán)格遵循架線(xiàn)溫度及時(shí)間要求，尤其是分岔線(xiàn)路，造成安裝過(guò)程復(fù)雜昂貴。若同相導(dǎo)線(xiàn)的架線(xiàn)施工張力及時(shí)間不同，每根導(dǎo)線(xiàn)可能具有不同的熱拐點(diǎn)及在安裝后同相導(dǎo)線(xiàn)會(huì)有不同的弧垂，甚至導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行溫度改變時(shí)發(fā)生短路。同時(shí)，ACCC導(dǎo)線(xiàn)需要特種金具（普通金具的5倍價(jià)格），施工需專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)及施工指導(dǎo) （普通導(dǎo)線(xiàn)的6~8倍價(jià)格），進(jìn)一步規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)方案成本降低勢(shì)在必行，ACCC導(dǎo)線(xiàn)能解決上述問(wèn)題，將有效促進(jìn)該類(lèi)產(chǎn)品在智能電網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

由于傳統(tǒng)碳纖維芯棒存在抗剪切力差、金具且壓接工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，造成了多起因施工工藝問(wèn)題而導(dǎo)致的掉線(xiàn)故障。因此我國(guó)電網(wǎng)目前對(duì)碳纖維導(dǎo)線(xiàn)的選用持較為慎重的態(tài)度，在特高壓電網(wǎng)尚無(wú)運(yùn)行業(yè)績(jī)。

2 新型鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)特點(diǎn)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，獲取線(xiàn)路走廊用地來(lái)建造新的電力傳輸配電網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越困難，所以采用高溫導(dǎo)線(xiàn)相當(dāng)必要。高溫導(dǎo)線(xiàn)既能解決緊急需要時(shí)的大容量，同時(shí)又提供低線(xiàn)損，高能效。高壓輸電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)都需要能夠高溫運(yùn)行具有熱拐點(diǎn)抑制的導(dǎo)線(xiàn)，而且導(dǎo)線(xiàn)熱拐點(diǎn)抑制無(wú)需在電塔間對(duì)導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行預(yù)張力處理，避免對(duì)輸電鐵塔的安全造成的影響。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。這種導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)確保導(dǎo)線(xiàn)中的承力芯處于預(yù)張應(yīng)力而其足夠多的導(dǎo)電體不承受張應(yīng)力或處于壓應(yīng)力狀態(tài)，在鐵塔架線(xiàn)前無(wú)導(dǎo)線(xiàn)損傷（包括燈籠現(xiàn)象）來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)系統(tǒng)的省錢(qián) （導(dǎo)線(xiàn)本身，安裝，修復(fù)及金具），高輸電容量及高能效，高溫及冰凍條件下低弧垂，實(shí)現(xiàn)溫度的變化幾乎不影響弧垂的特性［19］。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)不僅保持原有碳纖維導(dǎo)線(xiàn)重量輕、強(qiáng)度高、弧垂低等優(yōu)點(diǎn)，還可優(yōu)化碳纖維復(fù)合芯的機(jī)械性能，大幅提升其耐受剪切力的指標(biāo)。由于碳纖維復(fù)合芯外部采用鋁包裹層，其徑向耐壓性能和抗剪切力性能明顯提升。因此新型碳纖維導(dǎo)線(xiàn)為連接金具的改進(jìn)提供了可靠基礎(chǔ)，降低了對(duì)連接金具的要求。通過(guò)進(jìn)一步簡(jiǎn)化金具設(shè)計(jì)和施工工藝，解決了傳統(tǒng)碳纖維導(dǎo)線(xiàn)存在的問(wèn)題。確保特高壓線(xiàn)路的安全運(yùn)行，將大幅降低特高壓線(xiàn)路的綜合建設(shè)成本，對(duì)我國(guó)特高壓電網(wǎng)建設(shè)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具體重要意義。

圖2 新型碳纖維導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)

2.2 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)特性

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)中的承力芯線(xiàn)/棒可為單股或多股的鋼、銦鋼、高強(qiáng)、特高強(qiáng)或超特高強(qiáng)鋼、高溫鋼、非金屬纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)熱塑性或熱固性復(fù)合材料等其他纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)實(shí)施例適用于現(xiàn)有的多種導(dǎo)線(xiàn)類(lèi)型，比如鋼絲鋁絞線(xiàn)（ACSR）；復(fù)合材料芯導(dǎo)線(xiàn)如ACCR（3M公司），ACCC（CTCGlobal公司），C7 （South Wire 公司），Low Sag （Nexans 公司），多股芯線(xiàn) （Tokyo Rope公司）；鋼絲軟鋁絞線(xiàn)（ACSS）及銦鋼（Invar）導(dǎo)線(xiàn)。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)有類(lèi)似的其他導(dǎo)線(xiàn)類(lèi)型的外徑，但具有高強(qiáng)度及低電阻。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)在4個(gè)分布式導(dǎo)線(xiàn)選擇中運(yùn)行溫度最低，其具有最高的容量 （幾乎為鋁合金導(dǎo)線(xiàn)AAAC的兩倍）該層可用不同于導(dǎo)電層中的其他導(dǎo)電材料，例如，內(nèi)層用銅，銅合金（包括銅微合金），導(dǎo)電層余下的部分用鋁或鋁合金；與承力芯的接觸層用鋁合金，退火鋁或退火鋁合金，而導(dǎo)電層其余部分用鋁，銅，或其他類(lèi)似的組合，如表1所示。

表1 同等導(dǎo)線(xiàn)面積的架空導(dǎo)線(xiàn)比較

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)一步使復(fù)合材料導(dǎo)線(xiàn)能夠安全施工及經(jīng)久耐用，承力芯的外層包覆大大提高了承力芯的有效直徑，減少了承力芯極度尖角的可能，避免了對(duì)包覆層內(nèi)的承力芯過(guò)多的軸向壓應(yīng)力的發(fā)生。承力芯保留的大預(yù)張應(yīng)力，特別是用纖維增強(qiáng)的單向復(fù)合材料承力芯，獨(dú)特地有效抵消了由導(dǎo)線(xiàn)彎曲或尖角產(chǎn)生的承力芯軸向壓應(yīng)力，最小化或甚至消除了在這樣的復(fù)合材料芯導(dǎo)線(xiàn)中的纖維屈曲損傷。包覆的承力芯導(dǎo)線(xiàn)可直接用傳統(tǒng)的夾頭固定，及常規(guī)的低成本工具施工。承力芯包覆密封表面極大提高了導(dǎo)線(xiàn)的耐腐性能，因?yàn)槲廴疚镔|(zhì)不能輕易進(jìn)入導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)的復(fù)合材料芯被有效屏蔽，阻止了氧或水氣的進(jìn)入及紫外線(xiàn)或臭氧的破壞影響（與現(xiàn)有的復(fù)合芯鋁絞導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)造不同）。

基于導(dǎo)線(xiàn)熱拐點(diǎn)的抑制，導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行溫度高于其熱拐點(diǎn)時(shí)導(dǎo)電介質(zhì)如鋁不受張力 （或處于壓力），導(dǎo)線(xiàn)具有優(yōu)越的自阻尼性能，可承受高的架設(shè)張力，比如25%~40%RTS（相比目前較典型的10%~20%RTS架設(shè)張力）。這不僅減少了線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)的傾向（導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)對(duì)電力線(xiàn)路是非常有害的，由于不同地區(qū)有不同的原因，其非常難以解決），而且可獲得最佳的導(dǎo)線(xiàn)離地高度，從而減少電塔的高度或增加電塔間的跨度來(lái)降低工程成本。緊湊的構(gòu)造使絕大部分導(dǎo)電鋁（如完全退火的）達(dá)到最大致密包裝，與目前最佳的導(dǎo)線(xiàn)如ACCC相比，本導(dǎo)線(xiàn)可獲得更高的充填率，使其具最高的輸電容量及最小線(xiàn)損的更好能效。

2.3 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)連接金具

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)配套金具優(yōu)點(diǎn)［17，19］：采用非導(dǎo)磁耐熱鋁合金、高強(qiáng)度不銹鋼等材料為主要材料精制而成，傳輸電力容量最大增加1倍，能連續(xù)高溫運(yùn)行，最高工作溫度可達(dá)180℃，具有結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計(jì)科學(xué)、不產(chǎn)生電暈和降低無(wú)線(xiàn)電的干擾、導(dǎo)流性好、握力極高、節(jié)能環(huán)保、抵抗環(huán)境惡化和抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)。適用于各種電壓等級(jí)輸變配電新建、改造等工程。

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)配套金具缺點(diǎn)：造價(jià)成本高，是普通液壓式金具的4~6倍；施工工藝復(fù)雜，施工作業(yè)人員要求嚴(yán)格；由于施工工藝特殊性，容易對(duì)碳纖維復(fù)合芯造成損傷，現(xiàn)場(chǎng)壓接時(shí)施工作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度高，需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。

選擇新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)配套金具時(shí)，主要從金具材質(zhì)、壓接長(zhǎng)度、壓力、保壓時(shí)間4點(diǎn)對(duì)新型彈匣內(nèi)復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)配套金具論證。根據(jù)普通鋼芯鋁絞線(xiàn)使用的液壓式連接金具的原理，鋁材、Q235鋼材、不銹鋼三種材質(zhì)從理論上均可滿(mǎn)足壓接需求。但是不銹鋼材質(zhì)剛性太強(qiáng)，壓接不能夠保證芯棒壓接的安全，對(duì)芯棒造成損傷太大，故不在考慮之列。配套金具耐張線(xiàn)夾如圖3所示。

圖3 耐張線(xiàn)夾

從理論計(jì)算中表明可以使用普通鋼芯鋁絞線(xiàn)相同的液壓式金具。主要需要考慮的為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)在壓接過(guò)程中不受到外力的損傷，影響碳纖維復(fù)合芯的抗拉強(qiáng)度。

較新類(lèi)型的導(dǎo)線(xiàn)所用金具往往是昂貴的，因它需要考慮使用特殊昂貴的金具來(lái)無(wú)損傷地鎖緊芯線(xiàn)［11，20］。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)中的承力芯已自然地被一層導(dǎo)電材料保護(hù)，其允許與傳統(tǒng)的金具壓接工藝相匹配，夾具直接壓接于承力芯來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械載荷傳遞。相對(duì)于多元承力芯如C7中的復(fù)合材料承力芯，Tokyo Rope及ACCR類(lèi)型導(dǎo)線(xiàn)，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)來(lái)避免多根承力芯之間的接觸點(diǎn)過(guò)分承力而損傷是有利的。

2.4 應(yīng)用分析

2.4.1 電網(wǎng)增容改造

輸電線(xiàn)路增容改造通常的電壓范圍在110~500 kV，現(xiàn)有的電塔盡可能利用以減少工程成本及斷電時(shí)間。線(xiàn)路改造可帶電進(jìn)行，改造過(guò)程中不需要斷電。線(xiàn)路改造的主要重點(diǎn)是在現(xiàn)有的架空間距約束條件下及盡可能利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)使輸電線(xiàn)路容量最大化。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)對(duì)該應(yīng)用是最適合的，包括最高致密度導(dǎo)線(xiàn)（幾乎100%同心層，比典型的致密絞合導(dǎo)線(xiàn)93%填充率的還要高（CTCGlobal公司的ACCC導(dǎo)線(xiàn)），在正常操作條件下提供可能的最高容量（最低的電阻損耗）。在導(dǎo)線(xiàn)操作于高溫的緊急載流運(yùn)行情況下，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)特別適用，因其承力芯免于氧侵入及熱老化，允許導(dǎo)線(xiàn)在其整個(gè)溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)的同心包覆導(dǎo)線(xiàn)不存在傳統(tǒng)導(dǎo)線(xiàn)在燈籠變形后的承力芯暴露于紫外線(xiàn)，潮濕，臭氧等環(huán)境下的負(fù)面影響。承力芯上的金屬包覆層亦有效保護(hù)承力芯免于遭受來(lái)自這些環(huán)境因素的有害影響［10-11］。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)中的鋁不受張應(yīng)力或處于壓應(yīng)力使其蠕變?cè)趯?dǎo)線(xiàn)中完全去除，架線(xiàn)后導(dǎo)線(xiàn)步入最終的弧垂?fàn)顟B(tài)（無(wú)蠕變效應(yīng)，假設(shè)沒(méi)有嚴(yán)重的冰載條件進(jìn)一步降低熱拐點(diǎn)）。這允許導(dǎo)線(xiàn)在電塔載荷極限內(nèi)安裝獲得最大的架空間距 （最大化輸電容量及應(yīng)付極端冰載）。其亦顯著簡(jiǎn)化了安裝工藝及有效解決高溫導(dǎo)線(xiàn)尤其是分岔導(dǎo)線(xiàn)中（美國(guó)PTTP電網(wǎng)［21］）的弧垂變化問(wèn)題。可預(yù)測(cè)的低弧垂有助于電網(wǎng)有效管理其電力傳輸資產(chǎn)。

2.4.2 新建輸配電網(wǎng)及線(xiàn)路

新建項(xiàng)目通常對(duì)材料及勞力成本（如導(dǎo)線(xiàn)成本，夾具成本及電塔成本）更敏感。一些新建項(xiàng)目針對(duì)長(zhǎng)距離傳輸及特高壓，必須控制電暈效應(yīng)，最小化導(dǎo)線(xiàn)電阻及線(xiàn)損。

電力配電線(xiàn)路不涉及電暈效應(yīng)，因其操作電壓低于110 kV。導(dǎo)線(xiàn)可以是裸露或絕緣的。配電導(dǎo)線(xiàn)中電流密度通常是較高的（傳輸導(dǎo)線(xiàn)的2~4倍），線(xiàn)損及能效在配電網(wǎng)是非常重要的。導(dǎo)線(xiàn)、金具及安裝的成本在配電線(xiàn)路中更重要。配電線(xiàn)路中通常有容量限制。對(duì)于60 Hz的交流線(xiàn)路，鋁導(dǎo)線(xiàn)的集膚效應(yīng)深度為16.9 mm，銅導(dǎo)線(xiàn)為8.5 mm。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)的包覆承力芯導(dǎo)線(xiàn)非常適用于配電線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò)中，充填率接近100%，最小化了電阻及線(xiàn)損而最大化了線(xiàn)路容量。由于承力芯預(yù)應(yīng)力處理的結(jié)果，導(dǎo)線(xiàn)熱拐點(diǎn)大幅降低，碳纖維復(fù)合材料承力芯幾乎無(wú)熱弧垂，甚至鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)相關(guān)的鋼芯承力芯導(dǎo)線(xiàn)的熱弧垂亦是非常易控制的。致密配電導(dǎo)線(xiàn)相對(duì)較小的半徑有助于導(dǎo)線(xiàn)卷繞到導(dǎo)線(xiàn)卷盤(pán)上，同時(shí)它又足夠大，使導(dǎo)線(xiàn)中的承力芯免受誤操作尤其是尖角的損傷。

2.4.3 特殊區(qū)域（超長(zhǎng)跨度、重冰凍及重腐蝕地區(qū)）應(yīng)用

跨江跨河及大跨度工程應(yīng)用或嚴(yán)重冰凍地區(qū)需要高強(qiáng)高模量的致密導(dǎo)線(xiàn)。若該電力傳輸線(xiàn)路受到熱弧垂的約束，則要求部分或整個(gè)熱拐點(diǎn)的抑制。若傳輸線(xiàn)路弧垂架空距離受到冰載荷或?qū)Ь€(xiàn)重量驅(qū)使，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)則要求使用高強(qiáng)輕質(zhì)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料承力芯，借助一部分或多數(shù)鋁合金（例如鋁鋯合金，6201-T81）或銅及銅合金承載來(lái)降低弧垂，不承受預(yù)應(yīng)力處理。對(duì)鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)充分預(yù)應(yīng)力處理使其接近設(shè)計(jì)冰載荷以便導(dǎo)線(xiàn)在高張力作用下具有最大架空距離。同時(shí)對(duì)電塔沒(méi)有過(guò)度的機(jī)械張力載荷。承力芯預(yù)張力處理能夠伸長(zhǎng)至少0.1%，最好至少0.25%。微風(fēng)振動(dòng)在長(zhǎng)跨度的應(yīng)用中通常是危險(xiǎn)的，使用導(dǎo)線(xiàn)的熱拐點(diǎn)被大幅下降（如拐點(diǎn)降低超過(guò)30℃），降低拐點(diǎn)溫度至微風(fēng)振動(dòng)最常在冬季發(fā)生的典型溫度以下，把導(dǎo)電線(xiàn)的自阻尼最大化。

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)尤其適用于腐蝕和侵蝕地區(qū)。線(xiàn)表面完全封閉，沒(méi)有通道供污染物，粗糙的砂子或顆粒進(jìn)入導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部。傳統(tǒng)導(dǎo)線(xiàn)導(dǎo)電絞線(xiàn)間的間隙是容易的通道，導(dǎo)致電線(xiàn)內(nèi)部腐蝕。對(duì)于金屬性質(zhì)的承力芯，包覆的導(dǎo)電材料完全將其與外界屏蔽使其免受腐蝕的影響。當(dāng)鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)用對(duì)導(dǎo)線(xiàn)熱拐點(diǎn)不敏感時(shí)，但要求與低成本金具匹配，且易于安裝及修復(fù)，導(dǎo)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力處理步驟雖然不絕對(duì)需要但仍為可選及首選的，因?yàn)楸d荷或?qū)Ь€(xiàn)重量驅(qū)使的電路段導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)用通常選用鋁合金，這會(huì)導(dǎo)致大幅抬高導(dǎo)線(xiàn)熱拐點(diǎn)。適當(dāng)降低熱拐點(diǎn)使其低于日常的工作溫度有助于應(yīng)付微風(fēng)振動(dòng)及控制熱弧垂以便處理的緊急情況時(shí)高輸電容量要求。拐點(diǎn)沒(méi)有過(guò)量的降低（即極度重冰事件發(fā)生的溫度以上）以便遭受極度重冰襲擊時(shí)，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)有鋁合金部分承載來(lái)應(yīng)付及控制載冰弧垂。

2.4.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

為了降低成本，抵抗誤操作及高容量（常溫及高溫下），鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn) （表1中的新-鋁New-Al）具有最佳高能效。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)有類(lèi)似的其他導(dǎo)線(xiàn)類(lèi)型的外徑。但具有高強(qiáng)度及低電阻。鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)在4個(gè)分布式導(dǎo)線(xiàn)選擇中運(yùn)行溫度最低，其具有最高的容量（幾乎為鋁合金導(dǎo)線(xiàn)AAAC的兩倍）及最低的線(xiàn)損。

表2 同等導(dǎo)線(xiàn)面積的架空導(dǎo)線(xiàn)比較

以美國(guó)為例［22］，假設(shè)批發(fā)電價(jià)為100 美元／MWh，鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)與同等大小的碳纖維導(dǎo)線(xiàn)ACCC相比效率提高10%以上，與同等大小的鋁合金導(dǎo)線(xiàn)AAAC相比效率提高25%以上。每年鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)與同等大小的碳纖維導(dǎo)線(xiàn)ACCC相比每米節(jié)省大約1.85美元，與同等大小的鋁合金導(dǎo)線(xiàn)AAAC相比由于線(xiàn)損降低每米多損耗6.8美元。對(duì)于重冰地區(qū)（如30 mm的冰），或?qū)Ь€(xiàn)有較長(zhǎng)的跨度距離（如200 m），鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)（鋁鋯合金）弧垂亦是最佳的。

3 結(jié)語(yǔ)

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)是新型的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)，不僅有傳統(tǒng)碳纖維導(dǎo)線(xiàn)（ACCC）的優(yōu)點(diǎn)：重量輕，強(qiáng)度大，熱弧垂小，低線(xiàn)路損耗，載流量大，良好的自阻尼特性，低風(fēng)阻。而且可降低對(duì)連接金具的要求，具備更好的特性：耐腐蝕性能，安裝安全和簡(jiǎn)昜，優(yōu)越的熱拐點(diǎn)抑制特性。因此可廣泛適用于新、舊線(xiàn)路的增容改造和超/特高壓線(xiàn)路，大幅降低特高壓線(xiàn)路的綜合建設(shè)成本，對(duì)我國(guó)特高壓電網(wǎng)建設(shè)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具有重要意義。

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Research Status and Application of Aluminum-coated Carbon Fiber Composite Core Conductor

ZHANG Fangzheng
（State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

The traditional carbon fiber aluminum conduct composite core wire （ACCC wire） has some comprehensive economic and technological advantages，such as low sag，large capacity and energy saving.These advantages gain acceptance of the global power grid，and the ACCC wire achieves large-scale applications.The ACCC wire is easily damaged during construction，and cannot be detected，which will be resulting in power failure and security risks.The application of carbon fiber composite core conductor is severely limited because of the special connection hardware，which needs complex process，high cost and cumbersome construction process.Compared with ACCC wire，aluminum coated carbon fiber composite core wire has advantages of large cross-sectional area，protection of carbon fiber core，not easy to breakage，low cost of connecting fittings，simple operation and convenient construction.It is helpful to construct safe，environmentally friendly and efficient ultra／high voltage transmission networks，and represents the future of the development trend of the carbon fiber composite core wire technology.

carbon fiber conductor；aluminium cladding；carbon fiber reinforced composite core；link fittings

TM211

A

1007－9904（2017）11－0058－07

2017-09-15

張方正（1960），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>