隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求不斷增長(zhǎng)，電力負(fù)荷不斷增加。在土地資源日益稀缺、用電需求持續(xù)增長(zhǎng)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(shí)施現(xiàn)有線路的擴(kuò)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(qiáng)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(diǎn)。[1]碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線的共同特點(diǎn)是芯主要由碳纖維和熱硬化性樹(shù)脂構(gòu)成。碳纖維是由含碳量較高且在熱處理過(guò)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(shí)沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，具有很高的比強(qiáng)度。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料比重小、剛性好、強(qiáng)度高，其比強(qiáng)度、比模量等綜合指標(biāo)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(qiáng)度、剛度、重量、疲勞特性等方面的嚴(yán)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(guó)家電網(wǎng)公司推動(dòng)“兩型三新”線路建設(shè)的精神，不僅對(duì)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(jià)具有非常重要的意義;還將促進(jìn)新技術(shù)、新工藝、新材料的研究;也勢(shì)必推動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)與進(jìn)步。

碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線能否在新建線路和擴(kuò)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(jì)上合理，因此要結(jié)合具體的工程進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2 國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 日本的概況

20世紀(jì)90年代，日本昭和電線電纜株式會(huì)社、東京制綱株式會(huì)社和東北電力株式會(huì)社共同開(kāi)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(guò)大、對(duì)地凈距不足的問(wèn)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(yàn)證明，這種新型復(fù)合材料芯導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了ACSR，在常溫下的應(yīng)力——伸長(zhǎng)特性呈現(xiàn)彈性體，沒(méi)有塑性變性，斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)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(qiáng)度、降低導(dǎo)線重量和馳度方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，其遷移點(diǎn)溫度約為70℃，運(yùn)行溫度達(dá)150℃，重量比相同直徑的ACSR導(dǎo)線輕30%。當(dāng)導(dǎo)電體采用耐熱鋁時(shí)，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(shí)，提高導(dǎo)線的載流量[3]。ACFR是ACSR一對(duì)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(méi)有得到大規(guī)模應(yīng)用。

2.2 美國(guó)的概況

美國(guó)Composite Technology Corporation(CTC，Irvine, CA)研制開(kāi)發(fā)的碳纖維復(fù)合材料芯軟鋁導(dǎo)線 (Aluminum Conductor Composite Core，簡(jiǎn)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(qiáng)度、高韌性配方的環(huán)氧樹(shù)脂具有很強(qiáng)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(jìn)行預(yù)拉伸后，在環(huán)氧樹(shù)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(guó)外碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線的生產(chǎn)廠家有兩個(gè)，均在美國(guó)，分別是CTC公司(Composite Technology Corporation)和水銀電纜公司(Mercury Cable & Energy LLC)。其中美國(guó)CTC公司研制的碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線(型號(hào)為ACCC/TW)2004年8月首次在安裝在試驗(yàn)線段上，2005年1月正式在實(shí)際線路工程上應(yīng)用。迄今為止，國(guó)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(guó)有13條，其中試驗(yàn)線路1條，長(zhǎng)1.06km;230kV線路2條，共計(jì)4.0km;161kV線路1條，長(zhǎng)0.15km;138kV線路3條，共計(jì)34.96km;115kV線路1條，長(zhǎng)0.14km;69kV線路2條，共計(jì)1.37km;34.5kV線路2條，共計(jì)35.05km;13.8kV線路1條，長(zhǎng)1km，詳見(jiàn)下表。

法國(guó)2005年開(kāi)始進(jìn)行碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線應(yīng)用試驗(yàn)，有兩條使用該種導(dǎo)線的試驗(yàn)線路，長(zhǎng)度分別為0.8km和0.4m。美國(guó)水銀電纜公司生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線(型號(hào)為HVCRC)未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用的報(bào)告。由此可見(jiàn)，碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線在國(guó)外應(yīng)用并不廣泛，每條線路使用長(zhǎng)度較短(大部分線路長(zhǎng)度不超過(guò)3km)，多數(shù)電壓等級(jí)較低(138kV及以下)，且運(yùn)行時(shí)間短(不足5年)，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不夠豐富。[4]

表2-1 碳纖維導(dǎo)線在國(guó)外應(yīng)用情況一覽表

2.3 國(guó)內(nèi)的情況

我國(guó)目前已基本掌握纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)。我國(guó)在玻璃纖維和樹(shù)脂體系的研究和生產(chǎn)方面，已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。部分高端纖維如碳纖維原絲的生產(chǎn)也即將實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。因此，研制具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)線用碳纖維復(fù)合芯材料以及實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線國(guó)產(chǎn)化的條件已基本成熟。