《碳纤维复合芯导线的应用研究》报告

碳纤维复合芯导线的性能与应用研究作者：詹恒富詹克明张宇时法智来源：《中国科技博览》2014年第06期摘要：阐述碳纤维复合芯导线（ACCC）的基本结构，将ACCC与传统钢芯铝绞线（ACSR）在结构、材料性能、弧垂—温升曲线、安装曲线方面进行对比。

结果表明，ACCC 铝线截面积、最高工作温度、载流量均高于ACSR，在工程中应用ACCC可有效提高线路的送电能力。

关键词：碳纤维复合芯导线；钢芯铝绞线；结构；中图分类号：TQ342+.741 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（Aluminum Conductor Composite Core，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1所示。

图1 ACCC内部结构图Figure 1 Internal structure diagram of ACCC一般钢丝的抗拉强度为1 240 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2 399 MPa，分别为前两者的1.93倍和1.70倍。

2 碳纤维复合芯导线与传统导线的比较2.1 结构对比1） ACCC导线将传统钢芯铝绞线（Aluminum Conductor 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。

碳纤维复合材料及其在电线电缆中的应用一、碳纤维复合材料的发展和战略地位碳纤维的出现是材料史上的一次革命。

碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。

现已广泛应用于航天、航空和军事领域。

世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。

碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。

在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。

80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。

我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。

二、碳纤维复合材料的性能和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。

1、碳纤维的化学性能碳纤维是一种纤维状的碳素材料。

我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。

这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。

除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。

0.引言针对目前电网中部分输电线路输送能力不足、部分老旧线路技术改造困难的情况，为有效利用目前电网的输电线路，考虑应用新型碳纤维复合芯导线，提高电网的输电能力。

我国是一个缺电的国家，输电线路已不堪承受传输容量快速扩大的需求，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线路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线[1]。

目前增容导线包括耐热铝合金导线(TACSR)、殷钢芯耐热铝合金金绞线(ZTACIR)、间隙型钢芯耐热铝台金(GTACSR)，铝基陶瓷纤维馏绞线(ACCR)、碳纤维芯复合材料合成芯软铝导线(JRLX/T)，碳纤维复合芯软铝导线（ACCC）等种类[2]。

各种增容导线的特点各不相同，相比较而言碳纤维复合芯软铝导线（ACCC）是从材料和结构上的总体更新，具有较多优势，具有更为广阔的发展前景。

1. 项目背景1.1国内外ACCC导线的研究现状本世纪初，日本和美国相继取得了新型碳纤维复合芯铝导线研究的成功。

并于2004年首次挂网试运行。

据目前所了解的资料，国外碳纤维复合芯软铝导线的生产厂家有两个，均在美国，分别是CTC公司(Composite Technology Corporation)和水银电缆公司(Mercury Cable & Energy LLC)。

其中美国CTC公司研制的碳纤维复合芯软铝导线(型号为ACCC/TW)。

2004年8月首次在安装在试验线段上，2005年1月正式在实际线路工程上应用。

迄今为止，国外共有15条线路(均为单回路)使用该种导线，在这15条线路中，美国有13条，其中试验线路1条[3]。

2006年我国开始引进美国CTC(Composite Technology Corporation)公司生产的碳纤维复合芯软铝导线。

国内挂网运行的碳纤维导线线路有近60条，除了2009年上半年建成投运的万泉一顺义III线送电线路是500 kV电压等级之外，其余线路都是220 kV及以下电压等级[4]。

碳纤维导线在固安35kV输电线路上的应用【摘要】碳纤维复合芯导线（ACCC）是一种节能型输电线路用导线，具有耐高温、重量轻、强度大、低线损、弛度小、耐腐蚀等特点，本文结合固安刘家园-柏村35千伏线路新建工程，研究其在工程应用中存在的问题及解决方案。

【关键词】碳纤维复合芯导线；工程应用；新建工程0 前言随着电力负荷的大幅度增加和输电走廊选择的日益困难，提高单位走廊传输功率的需求日益迫切，常规的钢芯铝绞线已难以满足输电需求。

在固安刘家园-柏村35千伏线路新建工程项目中，我们对碳纤维复合芯导线（ACCC）的特点进行了介绍，在达到预期建设规模的同时，不仅提高线路输送能力、降低电网损耗，而且有效提高线路安全运行水平。

1 工程建设的方案由于固安刘家园-柏村35千伏线路新建工程的主要路径在规划路的绿化带中，走廊宽度有限且占用了原10kV线路的路径，故采用35kV单回与10kV四回路并架输电线路设计方案（本设计只考虑35kV设计部分及钢杆上的10kV横担）。

刘家园110kV变电站采用电缆出线，35kV单回输电线路导线采用碳纤维复合芯导线（ACCC）。

2 碳纤维复合芯导线（ACCC）特点[1-3]碳纤维复合芯导线（ACCC）是一种节能型增容导线，在电气、机械等诸多性能方面领先于普通钢芯铝绞线，具有非常突出的应用优势，实现了电力传输的节能环保与安全。

（a）导线允许运行温度大幅度提高，输电能力大幅度提高，节省输电走廊，碳纤维丝具有优异的耐高温性，在2000℃下强度不降低。

通过选取合适的树脂基体与配方，与碳纤维丝制成导线的复合芯，确保高温下复合芯的机械强度。

这样使碳纤维导线运行于高温（150～200℃）条件时，能够由碳纤维复合芯承担全部导线张力，导线的外部铝股仅承担传导电流的作用，解决了高温下常规导线机械强度大幅度降低的问题，即通过提高导线允许运行温度从而使输电能力大幅度提高。

（b）导线重量轻、线膨胀系数小（温度拐点以上）、弛度（弧垂）小，对杆塔强度及（或）杆塔高度的要求降低。

碳纤维复合材料芯导线在电网建设中推广应用的技术经济分析发表时间：2017-03-28T09:35:24.687Z 来源：《电力设备》2017年第2期作者：王新欣1 门吉光2[导读] 根据国内近年来碳纤维复合材料芯导线的应用情况，分析提出了取代常规钢芯铝绞线的碳纤维复合芯导线的推荐线型。

（1.国网北京海淀供电公司 100195；2.国网北京市电力公司 100010）摘要：根据国内近年来碳纤维复合材料芯导线的应用情况，分析提出了取代常规钢芯铝绞线的碳纤维复合芯导线的推荐线型，通过对220kV改造线路和500kV新建线路模型的计算分析，得出在改造线路和新建线路工程中，应用碳纤维复合芯铝绞线与常规钢芯铝绞线的技术经济比较，并进一步对碳纤维复合芯导线价格构成及未来推广应用条件进行了分析。

关键词：碳纤维复合材料芯导线；工程；应用；费用；价格0 引言上世纪90年代，日本昭和电线电缆株式会社、东京制纲株式会社和东北电力株式会社共同开发出ACFR导线。

主要用于解决既有架空输电线路导线弧垂过大、对地净空距离不足的问题。

ACFR导线已在日本东北电力公司宫城支店的66kV输电线路上试用，但是由于日本的新建线路极少，碳纤维复合芯导线在日本没有得到大规模应用。

碳纤维复合材料芯导线在国外应用的线路数量和公里数都远少于在国内的应用数量。

然而，在国内推广应用碳纤维复合材料芯导线的技术经济性究竟如何，在何种情况下采用该导线占优，本文就该问题进行了分析研究，提出了在改造工程和新建工程中应用碳纤维复合芯导线的建议，并对导线的价格进行了分析。

1 碳纤维复合材料芯导线概述1.1 碳纤维复合材料芯导线分类目前已研制出来的碳纤维复合材料芯导线的种类很多，可以按以下三种方式分类。

第一种是按碳纤维复合材料芯的形状分类，可以分为两类。

一类是多股碳纤维复合材料芯绞合而成。

第二种是按导体材料分类，可分为三类。

一是硬铝，二是软铝，三是耐热铝合金。

第三种是按导体的形状分类，可分为两类。

碳纤维导线性能的初步研究【摘要】碳纤维材料因其较好的物理、化学性能而广泛应用于航空航天、土木建筑、电子电器、电缆等领域。

目前，国内碳纤维导体的研究主要集中于碳纤维复合芯铝绞线，而在中低压电缆方面的研究较少。

本研究选用不同石墨化温度处理后的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维经过编织形成碳纤维导线，对其质量、电气性能（导体直流电阻）和断裂强度进行研究，发现该碳纤维导线较普通电缆具有更好的电气性能和断裂强度及更轻的质量。

【关键词】碳纤维直流电阻断裂强度碳纤维是一种耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、高比强度的新型材料，且因其较小的导电、传热和热膨胀系数使之在航空航天、土木建筑、电子电器、医疗、电缆等领域被广泛应用[1]。

目前，碳纤维在电缆领域中开发的主要产品为于碳纤维复合芯铝绞线（简称ACCC）。

ACCC最早由美国、日本等国家开发，我国国内直至2006才开始真正投入使用，它具有普通钢芯铝绞线（简称ACSR）无法比拟的优点[2]：（1）ACCC的比重约为钢的1/4，在相同的外径下，ACCC的铝截面积为ACSR的1.29倍；（2）强度为ACSR的2倍；（3）ACCC导电率较高，同样条件下使用较ACSR节能6%；（4）ACCC较ACSR降低了2倍以上垂度；（5）耐腐蚀，使用寿命是普通导线的2倍。

目前，碳纤维复合电缆的研究主要集中在ACCC导线上，而在中低压电缆方面的研究较少。

本文用聚丙烯腈（PAN）基碳纤维经过编织形成碳纤维导线，通过对该碳纤维导线及其经过石墨化处理后试样的质量、电气性能（导体直流电阻）和断裂强度进行研究，发现该碳纤维导线较普通电缆具有更好的电气性能和断裂强度及更轻的质量。

基于这些突出的性能，此种碳纤维电缆有广阔的开发前景。

1 实验步骤1.1 实验材料本研究使用了3种经高温石墨化处理的（PAN）基碳纤维导线，并选用了原（PAN）基碳纤维导线作为对比参照样，如下表所示：表1 4种（PAN）基碳纤维导线试样1.2 实验方法及设备外径测量：使用纸带法对电缆外径进行测量。

2014年，全球碳纤维区域理论产能到达118000吨，而且各大碳纤维制造商还陆续宣布了大幅扩产计划。

国际碳纤维应用市场需求量为53500吨，继续以6%～8%的年增速不断扩大，应用领域进一步拓展，其主要应用领域比例如下：航空航天29%、体育休闲14%、汽车13%、叶片11%、压力容器5%。

国际碳纤维产业及下游应用市场均呈现欣欣向荣的景象。

国内碳纤维应用水平差距近10年，国产高性能碳纤维及其复合材料在关键技术、装备及应用等方面取得了突破性进展。

我国T300级规模化碳纤维产品性能已经到达国际水平，并在航空航天领域得到了应用;低成本干喷湿纺T700级碳纤维已建成千吨级生产线，产品进入初步应用阶段;T800级碳纤维吨级线建成，并已实现批量生产。

但高模、高模高强碳纤维的工程化制备技术以及更高等级碳纤维的制备关键技术还有待攻关。

截至2014年底，我国大小碳纤维生产企业有近40家，理论产能19,600吨，实际产量3700吨，主要产品为12K及以下规格小丝束PAN基碳纤维。

2014年，国内碳纤维总需求量约1.23万吨，其中，60%应用于体育休闲领域，15%应用于建筑领域，8%应用于电力(电缆)领域，3%应用于航空航天。

但国内碳纤维应用水平与国外存在较大的差距，尤其国产碳纤维在以下领域的应用比例偏低。

由于低成本、稳定化、规模化生产技术的欠缺，绝大多数国内碳纤维产品的成本与市场售价倒挂，我国碳纤维企业面临着国内企业间竞争和国外企业恶意压价的内忧外患，生存状况不容乐观。

为改善我国碳纤维研发、生产与应用相互脱节，市场应用技术开发滞后，产业牵引力不足的不利局面，中国碳纤维及复合材料产业发展联盟以碳纤维在电力方面的应用为突破口，协调组织产业内企业和应用单位，联合推进碳纤维复合芯导线在新建线路中的应用，以期聚焦、突破产业关键和共性技术难题，提高产业创新能力和竞争能力，扩大我国碳纤维及复合材料产业在工业领域的应用。

碳纤维复合芯导线的应用优势碳纤维复合芯导线是一种采用环氧树脂浸润碳纤维、玻璃纤维后，固化形成碳纤维复合芯并在其外层绞合梯形铝线的架空裸导线。