铝包覆碳纤维复合芯导线性能研究

董 罡

（国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

铝包覆碳纤维复合芯导线性能研究

董 罡

（国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

碳纤维导线以其重量轻、强度高、热膨胀系数低、输送容量大等特点在电力系统有巨大的应用潜力，但由于碳纤维芯棒抗剪切力差、金具压接施工工艺复杂等缺点限制其发展。采用碳纤维芯棒铝包覆技术及新型耐热树脂制备了一种新型碳纤维导线，实验研究表明：与钢芯铝绞线相比，新型碳纤维导线拉伸性能提高明显，铝截面积增大，线膨胀系数小，同时有效提高了碳纤维芯棒抗剪切力，明显减小弯曲半径，解决了现场压接施工工艺复杂的难题，大大提高了新型碳纤维导线使用推广性能，具备替代传统钢芯铝绞线的能力。

碳纤维复合芯棒；铝包覆；碳纤维导线

0 引言

架空输电导线作为输送电力的载体，在输电线路中占有极为重要的地位。长期以来，架空导线主要使用钢芯铝绞线［1］。铝包钢芯铝绞线采用铝包钢芯替代普通的钢芯，以碳钢作为芯线，在钢的表面均匀包覆一定厚度的铝，是一种通过连续强制拉拔构成的高效双金属材料，既具有铝的良好导电，通信和耐腐蚀性，又具有钢的高强度、耐振动等优点［2-3］。但其耐热性能、抗腐蚀性能相对较弱，线路的输电量受到一定限制。另外，随着运行温度提高，导线弧垂相应增加，档距越大，弧垂增加越多。随着材料技术的发展，人们尝试用有机复合材料代替金属材料来制作导线的芯材，并已开发出几种复合材料合成芯导线［4-9］。这些新型导线充分发挥了有机复合材料的特长，与钢芯导线相比，新型复合芯导线重量更轻，强度更大，热膨胀系数更小，弹性系数更高，导电性能更好，且耐腐蚀、线损低。其中以碳纤维复合材料导线芯的发展尤为迅速。20世纪90年代早期，日本首先研制出碳复合材料芯导线（ACFR），是采用碳复合材料替代钢芯。但是后来证明在碳复合材料与铝绞线二者之间发生电偶腐蚀 （也就是电池效应，雨水充当电解液角色）。2003年美国复合技术有限公司（CTC）推出了型号为ACCC（Aluminum Conduct Composite Core）复合材料合成芯导线，这种导线具有重量轻、强度高、载流量大、低膨胀、低线损等优点［10］。由于生产该产品的核心材料须美国CTC公司提供碳纤维芯棒，造成该导线价格高，推广使用的难度大。

传统碳纤维复合芯导线也存在问题：传碳纤维芯棒抗剪切力差、金具压接施工工艺复杂等缺点，造成了多起因施工工艺问题而导致的掉线故障。为解决上述问题，提高碳纤维复合材料导线实际应用能力，采用铝包覆技术生产新型碳纤维复合芯导线，解决碳纤维导线径向耐压强度低，金具压接困难问题，提高铝包覆碳纤维复合芯导线现场施工应用能力。

1 铝包覆碳纤维芯棒铝绞线

1.1 导线结构

铝包覆碳纤维芯棒铝绞线结构如图1所示，由碳纤维组成中心层，玻璃纤维为外包覆层浸渍特定树脂高温固化制成的单根芯棒或多根绞合复合芯棒，外层使用软铝进行无缝连接，形成一层铝包覆，进而使用铝线股为T型截面［6］的软铝绞制而成。

图1 碳纤维复合芯导线

1.2 主要原材料

碳纤维复合芯棒是由碳纤维为主、玻璃纤维或其他纤维为辅浸泡特殊树脂以高温拉挤成型的方式制成的单根芯棒。将碳纤维与玻璃纤维进行预拉伸后，用环氧树脂浸渍，然后在模具中高温固化成型为复合材料芯线［7］。主要原材料如表1所示。

在碳纤维复合芯棒的外层，通过高温挤拉技术，包覆一层无缝链接的铝管，进而外层绞制软铝T型线而成的。

表1 主要原材料

2 性能测试

2.1 碳纤维芯棒力学性能

对所制的碳纤维芯棒依照GB／T 29324—2012进行检测，径向耐压性能取5个平行试样，其余检测项目取3个平行试样，所得检测结果如表2所示。

表2 碳纤维芯棒力学性能

根据测试结果，检测样品符合GB／T 29324—2012标准的相应指标要求，其中径向耐压性能优越，所得检测压力远高于标准中的30 kN，可以提高施工性能，保证线路运行的安全性。线膨胀系数小，对降低架空导线的弧垂效果明显。

2.2 铝包覆碳纤维芯棒铝绞线性能

2.2.1 物理性能

在线径相同的情况下，将铝包覆碳纤维芯棒铝绞线与钢芯铝绞线的物理参数与性能参数进行对比，选用 JL／G1A－300／40 钢芯铝绞线与 FBLRX／F3C－400／40新型碳纤维导线进行对比，具体对比数据如表3所示。

表3 两种导线的参数对比

从表3中数据可以看出，在选用相同线径的情况下，铝包覆碳纤维芯棒铝绞线试验数据有更大的额定拉断力，同时，由于其线膨胀系数小，使导线具有更优良的弧垂特性，铝包覆碳纤维芯棒铝绞线的热膨胀系数比铝绞线要小的多，并且在温度升高到一定值时导线的弧垂基本不再增加，大大降低了导线的弧垂，从而允许导线在更高的温度下使用。对降低架空导线的弧垂效果明显，能够实现更大跨距。更大的铝截面积和更高最高运行温度，可有效提高安装和使用的工作温度，增大工作电流，也就更能满足大功率远距离输电的要求。

2.2.2 导线载流量测试结果

载流量分别根据 DL／T 5092—1999和 IEC 61597—1995推荐公式及参数计算，通过对比铝包覆碳纤维芯棒铝绞线FBLRX／F3C－400／40与常用钢芯铝绞线LGJ－400／50在不同环境情况下的载流量，分析两种导线在载流能力上的差异。表4为环境条件Ⅰ （国内常用参数）和环境条件Ⅱ （IEC 61597－1995推荐值）。表5至表8为铝包覆碳纤维芯棒铝绞线与常用钢芯铝绞线在不同环境下的载流量数据。其中环境条件Ⅰ载流量数据由DL／T 5092—1999推荐公式及参数计算获得，环境条件Ⅱ载流量数据由IEC 61597—1995推荐公式及参数计算获得。

表4 环境条件Ⅰ和环境条件Ⅱ

表5 环境条件Ⅰ铝包覆碳纤维芯棒铝绞线载流量

表6 环境条件Ⅰ钢芯铝绞线载流量

表7 环境条件Ⅱ铝包覆碳纤维芯棒铝绞线载流量

表8 环境条件Ⅱ钢芯铝绞线载流量

从表4～8中数据中看出，在环境条件Ⅰ下，铝包覆碳纤维芯棒铝绞线在导线温度120℃，环境温度40℃下的载流量是1 109 A，而钢芯铝绞线在导线温度70℃，环境温度40℃下的载流量是604 A，前者是后者的1.83倍。在环境条件Ⅱ下，铝包覆碳纤维芯棒铝绞线在导线温度120℃，环境温度40℃下的载流量是1 280 A，而钢芯铝绞线在导体温度70℃，环境温度40℃下的载流量是799 A，前者是后者的1.6倍。可见，采用铝包覆碳纤维芯棒复合芯导线作为线路增容改造的线种，效果非常显著。

2.2.3 应力应变曲线

图2为整个铝包覆碳纤维芯棒铝绞线的应力应变曲线，选取122.4 kN为设计拉伸强度（RTS），将试样依次加载到RTS的30%、50%、70%、85%，保持一段时间后卸载到RTS的10%。在加载到30%RTS时，在应变为0.1%处斜率有突变，卸载时，斜率较大，呈线性变化。第二次加载到50%RTS时，初始部分斜率和第一次加载时相比较小。卸载时，斜率较大，随卸载进行，降为与加载时斜率大致相同。重新加载时，与卸载变化规律基本相同，之后加载到70%和85%的变化规律与50%相似。

图2 铝包覆碳纤维芯棒铝绞线的应力—应变曲线

由于碳纤维芯棒的强度比铝绞线大得多，在加载初始阶段，芯棒承载了大部分载荷，随应变增大，当载荷达到铝绞线的屈服点时，铝发生塑性变形，将绞线上应力转移至芯棒上，反映在曲线上是在第一次加载到应变为0.1%时，斜率突增。在卸载过程中，初始阶段，铝已经发生塑性变形，卸载主要为碳纤维的表现行为，即卸载前期斜率与加载时前期斜率相同。随卸载再进一步进行，铝绞线被压缩发生弹性变形，使斜率要比卸载初始过程中要小。

在循环加载时，当应变达到铝绞线的弹性变形极限时，斜率就发生变化。这是由于在加载时应力的重新分布和两者的弹性模量的不同。开始是两者都经历弹性形变，当应力超过屈服点时铝线发生塑性形变。当铝绞线发生弹性变形曲线斜率较大。随着弹性变形结束，斜率恢复。完全卸载后再次加载时重复之前的规律。因此应力—应变曲线形成是由于芯棒是完全弹性的，而铝线会经历弹塑性变形两个阶段造成的。

2.2.4 过滑轮测试

将铝包覆碳纤维芯棒铝导线进行过滑轮测试，经检测该样品过滑轮符合Q／GDW 1851—2012标准的相应指标要求，试验样品长度21 m，两端压接耐张线夹，导线过滑轮检测参数如表9所示。

表9 导线过滑轮检测参数

该样品在20%RTS张力下通过滑轮后，经检查导线表面无损伤，无明显松股、起灯笼现象，软铝型线无断裂，芯棒抗拉强度达到2 942 MPa。通过铝包覆碳纤维芯棒技术，有效地减小了导线弯曲半径，提高了施工性能。

3 结语

采用碳纤维芯棒铝包覆技术及新型耐热树脂制备了新型碳纤维导线，测试并分析了自制碳纤维芯棒和碳纤维复合芯铝导线的各项性能，新型导线的各种表观质量均达到标准要求，与传统钢芯导线相比，主要优势为：碳纤维芯棒径向耐压强度高，扭转后断裂强度高达2 952 MPa，大大超过普通钢芯；新型碳纤维导线的重量轻，抗拉强度大，热膨胀系数小，大大降低了导线的弧垂，从而允许导线在更高的温度下使用；通过无缝铝包覆技术，新型碳纤维导线的载流量大大超过传统钢芯铝导线，可以实现对输电线路扩容的改造，增加了导线径向耐压性能，提高金具和导线之间的摩擦力，可实现与普通金具配合，避免了在施工过程中可能存在的安全隐患，大幅降低了金具投资；加了新型碳纤维导线铝的截面积，大幅度降低了线损。

［1］胡文堂.电线电缆［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［2］雷毅.新一代铝包钢芯铝绞线的特点及应用［J］.山西电力技术，2000（1）：44－45.

［3］陈峰.铝包钢芯铝绞线在架空输电线路中的使用［J］.江西电力，2002，26（4）：46－48.

［4］张国光.碳纤维复合芯导线在电力传输线路上的应用［J］.河南电力，2007（4）：56－57，64.

［5］甘兴忠.碳纤维复合芯软铝绞线等扩容量导线的性能及应用［J］.电线电缆，2007（5）：37－41.

［6］尤传永.增容导线在架空输电线路上的应用研究［J］.电力设备，2006，7（10）：1－7.

［7］尤传永.架空输电线路新型重合材料合成导线的开发研究［J］.电力建设，2004，25（11）：1－6.

［8］尤志魏，朱爱钧，潘裕新，等.碳纤维复合芯（ACCC）导线在上海电网应用分析［J］.华东电力，2009，37（8）：1 292－1 295.

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［10］何桂明，汤涛，李如振.高强度全铝合金导线在输电线路中的应用［J］.山东电力技术，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，高级工程师，主要研究方向为电气工程。