[科普中国]-ACCC碳纤维复合芯导线

背景

利用架空导线输送电能是电力输送的主要手段。伴随着社会经济的高速发展，上地资源日趋紧张，架空输电线路新通道的审批和新建成为电网建设的突出难题。部分地区由于经济高速发展，用电负荷呈几何级数增长，原有输电线路输送能力已不能满足负荷的快速增长，更换导线、加粗导线、新出专线势在必行。

拆除旧有线路、改造杆塔再架设新导线的传统方法成本高，工期长，一旦线路架设不及时，原有线路通道将被政府规划部门收回，新架线路将无法使用原有线路通道，给电网规划和建设带来极大困难，一定程度的提高了工程造价并延长了建设周期；线路架设过程中的长时间停电，也极大影响了电网的供电可靠性和设备可用系数。为解决上述矛盾，寻找一种既能利用原有线路通道又能最大程度减少杆塔改造，同时还能大幅提高线路输送能力的工程施工方法成为唯一出路，工程人员将着力点放在了架空输电导线的革新上，寻找一种新型的架空输电导线材料成为关键1。

碳纤维复合芯导线介绍自从输电线路投运以来，输电架空导线的主要类型就是钢芯铝绞线(ACSRW)伴随着新材料技术的发展，70世纪末外国材料公司对有机复合材料代替金属材料制作导线芯材进行了研发和实验，经过探索和攻关，开发出了新型复合材料合成芯导线。复合材料合成芯导线使用碳纤维等新型复合材料代替传统的导线中的钢芯，形成一种全新的架空输电线路导线，该技术的研发成功是架空输电线路一个里程碑式的标志。目前，应用较多并取得一定成果的新型复合材料合成芯导线中，以美国CTC公司生产的碳纤维复合芯导线(ACCC)最为典型，己投入商业运行并取得了一系列的成功案例。

碳纤维复合芯导线技术说明碳纤维复合芯导线的技术关键是碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆形成的单根芯棒，利用碳纤维、环氧树脂耐冲击性强、拉伸应力和弯曲应力承受能力大的特点，将碳纤维与玻璃纤维进行拉伸后，浸渍在环氧树脂中，然后经高温固化形成复合材料芯线，芯线外层与临外层为梯形截面铝线股。与钢芯铝绞线相同，碳纤维复合芯导线主要靠铝单线部分完成电能传输，导线木身重力、风力、导线应力等机械力主要由碳纤维复合芯承受，经过各种型式试验，碳纤维复合芯导线表现出了良好的机械性能和电气性能2。

（1）强度高，膨胀系数小，特殊环境适应性强：碳纤维复合芯导线的抗拉强度为普通导线的2倍。通过对比实验，碳纤维复合芯导线的破断力是常规钢芯铝绞线的1.3倍。该特性使得架设碳纤维复合芯导线时可以适当增加杆、塔间的档距，减少杆塔数量，降低工程成木；碳纤维复合芯导线与钢芯铝绞线相比弛度特性显著降低，高温下弧垂较钢芯铝绞线减少90%，能有效节省架空线路通道的绝缘空间，提高导线运行的安全性和可靠性。在相同跨度下可有效减少导线长度，节省线材，同时在大跨越工程中使用的杆塔高度较传统线材要低，并可有效减小风偏，保证特殊气候条件下的通流能力。

（2）重量轻、载流能力大：碳纤维复合芯导线的比重约为钢芯铝绞线的1/4；

在相同的外径下，碳纤维复合芯导线的铝材截面积比常规钢芯铝绞线截面积大29%，在相同运行条件下，其理论通流能力为常规钢芯铝绞线的两倍。

（3）抗腐蚀、使用寿命长：碳纤维复合材料与环境亲和，同时避免了导体在通电时铝芯与镀锌钢线之间的电化腐蚀，有效延缓导线老化，使用寿命通常能能达到普通钢芯铝绞线的2倍。

（4）导电率高，节能效果好。由于碳纤维复合芯导线不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，在输送相同负荷的条件下，可减少电能损失6%。

（5）便于导线展放和施工：碳纤维复合芯导线的外层导电线路部分直径和螺旋状结构与常规钢芯铝绞线相同，完全可按常规钢芯铝绞线的施放方法进行安装、施工，原有杆塔、金具等构件不必更换、改造。

（6）同样容量线路投资成木低。由于碳纤维复合芯导线可双倍载流量运行，而且强度高、弛度小，重量轻等特点，可增大杆塔跨距，降低高，同容量线路成木比普通导线低。

碳纤维复合芯导线的性能与结构输电工程用架空导线由承力芯和铝单丝构成。理想的承力芯应具有抗拉强度高、弧垂低、密度小等特点，理想的铝单丝应具有高导电性能。碳纤维复合芯具有高比强度、高比模量等特点，且耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变，还有导电、传热和热膨胀系数小等优异性能，其在输电线路中应用为导线的承力芯；高导电率(63% IACS)的软铝单丝是未来理想的导电材料。

碳纤维复合芯导线（ACCC）是一种新型导线，最早由美国、日本等国家开发，主要用于航天设备及空间站。ACCC的芯线是以碳纤维为中心层、外包覆玻璃纤维制成的单根芯棒，其外层与邻外层铝线股为梯形截面，是一种性能优越的新型导线。碳纤维导线分为碳纤维棒芯铝绞线和耐热碳纤维棒芯铝合金绞线，结构与常规钢芯铝绞线相同。碳纤维复合芯导线内部结构如图所示3。

一般钢丝的抗拉强度为1240 MPa，高强钢丝的抗拉强度为1 410 MPa，而碳纤维复合芯导线的抗拉强度可达到2399 MPa，分别为前两者的1.93倍和1.70倍。

碳纤维复合芯导线与传统导线的比较结构对比1) ACCC导线将传统钢芯铝绞线(AluminumConductor Steel Reinforced, ACSR)的钢芯用碳纤维和玻璃纤维复合芯取代，减轻了导线的质量，增加了导线的强度。

2) ACCC导线将外层圆形铝绞线改为紧压双层梯形铝绞线，在总截面相同的情况下，ACCC导线的铝截面积较钢芯铝绞线铝截面积要大，铝的用量要多出20%-30%，增大了导电的面积。

3) ACCC导线外层铝线采用退火工艺铝线，与ACSR相比，其导电率更高，传输容量也得到增强。

材料性能对比碳纤维复合芯导线在外径大致相同时，其铝线截面积、最高工作温度、不同温度下的载流量均高于钢芯铝绞线。当高于迁移点温度(约80度)之后，ACCC导线的弹性模量比ACSR导线要高，面热膨胀系数则要远低于ACSR导线。热膨胀系数小这一特点，对于输电线路中大跨越铁塔的弧垂的减小是最为显著的4。

弧垂一温升曲线对比ACCC导线与ACSR导线的弧垂一温升曲线对比如图所示。

从图中可以看出，ACCC导线的温度迁移点约为80度 , ACSR导线温度迁移点约为120度。当温度升高时，ACCC导线随温度的升高，其弧垂变化不大；而ACSR导线随温度的升高，其弧垂发生巨大变化。

安装曲线对比分别绘制220 kV线路通过典型气象区I区的ACCC导线与ACSR导线的安装曲线，安装曲线见右图所示。

在导线外径大致相同的情况下，ACCC导线的截面积、抗拉强度等参数均高于ACSR导线。这些参数对于输电线路的输送能力、导线及铁塔的承受力有着重要的影响。图中，ACCC导线与ACSR导线自上而下的安装温度依次为40,30,20,10,0度。在相同档距情况下，随着温度的升高，两种导线的百米档距弧垂逐渐增大，但ACCC导线的增幅较小，且ACCC导线的最大弧垂比ACSR导线的最小弧垂都要小，这充分体现了ACCC导线弧垂小的优势。

优点1.强度为普通导线的2倍。普通钢丝的抗拉强度为1240Mpa-1410Mpa，而ACCC导线的碳纤维混合固化芯棒，是前者的两倍。

2.导电率高，节能6%。由于ACCC导线不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，而且在输送相同负荷的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电损失约6%。

3.低弧垂，降低2倍以上垂度。ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低弛度特性，在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的1/2，能有效减少架空线的绝缘空间走廊，提高了导线运行的安全性和可靠性。

4.重量轻10-20%。碳纤维复合芯导线的比重约为钢的1/4，在相同的外径下,ACCC的铝截面积为常规ACSR导线的1.29倍。ACCC导线单位长度重量比常规ACSR导线轻10-20%，显示了ACCC导线重量轻的优点。

5、耐腐蚀，使用寿命高于普通导线的2倍。碳纤维复合材料与环境亲和，同时避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，有效地延缓导线的老化，使用寿命高于普通导线的2倍。

6、同样容量线路投资成本低于普通导线。由于ACCC碳纤维复合导线倍容量运行，而且抗拉强度高、弛度小、重量轻等特点，可使杆、塔之间的跨距增大，高度降低，同样容量线路成本比普通导线低。

碳纤维复合材料的用途碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。

碳纤维的主要用途与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。

最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。

总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面：

（1）宇航工业 用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。

（2）航空工业 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。

（3）交通运输 用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件；船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

（4）运动器材 用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。

（5）土木建筑 幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。

（6）其它工业 化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂，吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。

碳纤维复合材料在电线电缆中的应用碳纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能和必然。

碳纤维加热电缆的开发和应用：

人们早就知道，以金属材料为发热体的电加热技术已在各个领域得到了广泛的应用。但是金属丝在高温状态下表面易氧化，由于氧化层不断的增厚，造成了有效通过电流的面积减小，增大了电流的负荷，因此易烧断。在相同的允许的电流负荷面积下，金属丝的强度比碳纤维低6－10倍，在使用过程中易折断。

碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成，是一种全黑体材料，因此在电热应用中，表现出来的电热转换效率高。在特定的条件下，高温不氧化，单位面积的电流的负荷强度和机械强度不发生改变。

目前碳纤维加热电缆的应用如下：

低温辐射发热电缆地板采暖系统。

恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温采暖。

道路化雪、机场跑道化雪：用于混凝土结构中楼面加热的理想产品，也可以用在融雪装置中，对屋面雨水和排水管进行防霜，还可以用于土壤加热。

管道、罐体保温防冻：电伴热产品近几年在中国得到了大力的推广和广泛的应用。其应用领域主要集中在石油、化工、电力、铁路和民用或商业建筑等。随着中国电力工业的发展，以清洁、无二次污染的电能为主要能源的电伴热产品市场前景非常广阔，同时，也为电伴热产品的性能提出了更高的要求。

足球场草坪、公共绿地土壤保温：太阳能热水器电能补充加热器，主要用于在长期阴雨天或寒冬季节，因光照不足而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需要时，为补充热能而设计的。它具有较强的耐酷暑、严寒和高温潮湿环境的性能，并具有防干烧的功能。即使偶尔水箱缺水误通电，也不至于烧坏电加热器和水箱，故能确保安全使用。

碳纤维复合芯导线的开发和应用：

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。

与钢芯铝绞线相比，碳纤维复合芯导线具有以下优点：

1、和同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量。

2、有效解决电缆下垂问题。

3、可以在更高的温度下工作，最高可达200摄氏度。

4、线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题。

5、因为可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程成本。

6、与相同直径传统电缆相比可以多容纳28%的导体。

7、高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度。

8、有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全 。

除了上述提及的优点外，还可减少传输中电力的损耗，减少20%的塔杆，节省用地，减少有色金属资源消耗，有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。

目前世界上只有美国和日本开发出这种新型导线，他们还达成默契：不向第三国输出，日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右。

目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。国内电缆厂家也加大与外方合作，将这种新型电缆引进到中国生产，积极推动我国架空输电线路的技术革命。最近福建电网已经将该新型导线架设运行。

碳纤维细如蛛丝，三型碳纤维比强度是钢的62倍以上，成形工艺性好，是一代新型工程材料，其弹性量高，抗变性能力比钢大2倍多，抗拉强度30～40t/cm2pa,而比重还不到钢的四分之一，是铝合金的二分之一，高弹模量比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。且碳纤维比钢等柔软。因此，碳纤维可用于要求能承重、不易损伤内部元件的电缆的加强芯，如海底光缆等。

碳纤维可以耐－180℃的低温，在此条件下，许多材料都变的很脆，连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎，而碳纤维在此条件下依旧很柔软。因此，碳纤维复合芯可用于极寒（如南极考察研究等）条件下输电载体的设计和制造。

碳纤维又可以耐3000℃～3500℃的高温，在此高温下最好的耐热钢也变成钢水，但在没有氧气的情况下，碳纤维没有变化。碳纤维即使从3000℃的高温快速冷却到室温也不会炸裂，因而可在急冷急热的环境中工作。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场合电缆的设计提供了可能。此外，碳纤维纱、碳纤维绳、碳纤维布都可用于消防电缆产品的设计选用。

碳纤维有超强的耐腐蚀性。金属中耐腐蚀性最强的是黄金和铂，在一份硝酸（浓度70%）和三份硫酸（浓度39%）配成的称“王水”的溶液中黄金、铂会被腐蚀的千疮百孔，而“王水”中的碳纤维却安然无恙。为各种化学环境下轻型耐化学腐蚀电缆的设计提供了新的思路。

结语碳纤维复合线导线在我国许多地区均己挂网运行，我国有多条线路在增容改造中采用了该类新型导线，并且暂无导线过热、松股、断线等事故发生。

目前ACCC /TW导线在国内的生产工艺及其技术仍不成熟，新型导线的价格比一般的钢芯铝绞线高出许多倍，导线的安装、运行、验收等各项规范也不完善，这些因素在不同程度上影响了碳纤维复合芯导线的大规模生产，对导线的应用也造成了阻碍。随着我国电力行业的不断发展，碳纤维复合芯导线存在的问题终将得到解决，导线的应用也会更加广泛。