鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線性能研究

董 罡

（國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線性能研究

董 罡

（國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

碳纖維導(dǎo)線以其重量輕、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、輸送容量大等特點(diǎn)在電力系統(tǒng)有巨大的應(yīng)用潛力，但由于碳纖維芯棒抗剪切力差、金具壓接施工工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)限制其發(fā)展。采用碳纖維芯棒鋁包覆技術(shù)及新型耐熱樹脂制備了一種新型碳纖維導(dǎo)線，實(shí)驗(yàn)研究表明：與鋼芯鋁絞線相比，新型碳纖維導(dǎo)線拉伸性能提高明顯，鋁截面積增大，線膨脹系數(shù)小，同時有效提高了碳纖維芯棒抗剪切力，明顯減小彎曲半徑，解決了現(xiàn)場壓接施工工藝復(fù)雜的難題，大大提高了新型碳纖維導(dǎo)線使用推廣性能，具備替代傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線的能力。

碳纖維復(fù)合芯棒；鋁包覆；碳纖維導(dǎo)線

0 引言

架空輸電導(dǎo)線作為輸送電力的載體，在輸電線路中占有極為重要的地位。長期以來，架空導(dǎo)線主要使用鋼芯鋁絞線［1］。鋁包鋼芯鋁絞線采用鋁包鋼芯替代普通的鋼芯，以碳鋼作為芯線，在鋼的表面均勻包覆一定厚度的鋁，是一種通過連續(xù)強(qiáng)制拉拔構(gòu)成的高效雙金屬材料，既具有鋁的良好導(dǎo)電，通信和耐腐蝕性，又具有鋼的高強(qiáng)度、耐振動等優(yōu)點(diǎn)［2-3］。但其耐熱性能、抗腐蝕性能相對較弱，線路的輸電量受到一定限制。另外，隨著運(yùn)行溫度提高，導(dǎo)線弧垂相應(yīng)增加，檔距越大，弧垂增加越多。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，人們嘗試用有機(jī)復(fù)合材料代替金屬材料來制作導(dǎo)線的芯材，并已開發(fā)出幾種復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線［4-9］。這些新型導(dǎo)線充分發(fā)揮了有機(jī)復(fù)合材料的特長，與鋼芯導(dǎo)線相比，新型復(fù)合芯導(dǎo)線重量更輕，強(qiáng)度更大，熱膨脹系數(shù)更小，彈性系數(shù)更高，導(dǎo)電性能更好，且耐腐蝕、線損低。其中以碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線芯的發(fā)展尤為迅速。20世紀(jì)90年代早期，日本首先研制出碳復(fù)合材料芯導(dǎo)線（ACFR），是采用碳復(fù)合材料替代鋼芯。但是后來證明在碳復(fù)合材料與鋁絞線二者之間發(fā)生電偶腐蝕 （也就是電池效應(yīng)，雨水充當(dāng)電解液角色）。2003年美國復(fù)合技術(shù)有限公司（CTC）推出了型號為ACCC（Aluminum Conduct Composite Core）復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線，這種導(dǎo)線具有重量輕、強(qiáng)度高、載流量大、低膨脹、低線損等優(yōu)點(diǎn)［10］。由于生產(chǎn)該產(chǎn)品的核心材料須美國CTC公司提供碳纖維芯棒，造成該導(dǎo)線價格高，推廣使用的難度大。

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線也存在問題：傳碳纖維芯棒抗剪切力差、金具壓接施工工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，造成了多起因施工工藝問題而導(dǎo)致的掉線故障。為解決上述問題，提高碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線實(shí)際應(yīng)用能力，采用鋁包覆技術(shù)生產(chǎn)新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，解決碳纖維導(dǎo)線徑向耐壓強(qiáng)度低，金具壓接困難問題，提高鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線現(xiàn)場施工應(yīng)用能力。

1 鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線

1.1 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線結(jié)構(gòu)如圖1所示，由碳纖維組成中心層，玻璃纖維為外包覆層浸漬特定樹脂高溫固化制成的單根芯棒或多根絞合復(fù)合芯棒，外層使用軟鋁進(jìn)行無縫連接，形成一層鋁包覆，進(jìn)而使用鋁線股為T型截面［6］的軟鋁絞制而成。

圖1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線

1.2 主要原材料

碳纖維復(fù)合芯棒是由碳纖維為主、玻璃纖維或其他纖維為輔浸泡特殊樹脂以高溫拉擠成型的方式制成的單根芯棒。將碳纖維與玻璃纖維進(jìn)行預(yù)拉伸后，用環(huán)氧樹脂浸漬，然后在模具中高溫固化成型為復(fù)合材料芯線［7］。主要原材料如表1所示。

在碳纖維復(fù)合芯棒的外層，通過高溫擠拉技術(shù)，包覆一層無縫鏈接的鋁管，進(jìn)而外層絞制軟鋁T型線而成的。

表1 主要原材料

2 性能測試

2.1 碳纖維芯棒力學(xué)性能

對所制的碳纖維芯棒依照GB／T 29324—2012進(jìn)行檢測，徑向耐壓性能取5個平行試樣，其余檢測項(xiàng)目取3個平行試樣，所得檢測結(jié)果如表2所示。

表2 碳纖維芯棒力學(xué)性能

根據(jù)測試結(jié)果，檢測樣品符合GB／T 29324—2012標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)指標(biāo)要求，其中徑向耐壓性能優(yōu)越，所得檢測壓力遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)中的30 kN，可以提高施工性能，保證線路運(yùn)行的安全性。線膨脹系數(shù)小，對降低架空導(dǎo)線的弧垂效果明顯。

2.2 鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線性能

2.2.1 物理性能

在線徑相同的情況下，將鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線與鋼芯鋁絞線的物理參數(shù)與性能參數(shù)進(jìn)行對比，選用 JL／G1A－300／40 鋼芯鋁絞線與 FBLRX／F3C－400／40新型碳纖維導(dǎo)線進(jìn)行對比，具體對比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 兩種導(dǎo)線的參數(shù)對比

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，在選用相同線徑的情況下，鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線試驗(yàn)數(shù)據(jù)有更大的額定拉斷力，同時，由于其線膨脹系數(shù)小，使導(dǎo)線具有更優(yōu)良的弧垂特性，鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線的熱膨脹系數(shù)比鋁絞線要小的多，并且在溫度升高到一定值時導(dǎo)線的弧垂基本不再增加，大大降低了導(dǎo)線的弧垂，從而允許導(dǎo)線在更高的溫度下使用。對降低架空導(dǎo)線的弧垂效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)更大跨距。更大的鋁截面積和更高最高運(yùn)行溫度，可有效提高安裝和使用的工作溫度，增大工作電流，也就更能滿足大功率遠(yuǎn)距離輸電的要求。

2.2.2 導(dǎo)線載流量測試結(jié)果

載流量分別根據(jù) DL／T 5092—1999和 IEC 61597—1995推薦公式及參數(shù)計算，通過對比鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線FBLRX／F3C－400／40與常用鋼芯鋁絞線LGJ－400／50在不同環(huán)境情況下的載流量，分析兩種導(dǎo)線在載流能力上的差異。表4為環(huán)境條件Ⅰ （國內(nèi)常用參數(shù)）和環(huán)境條件Ⅱ （IEC 61597－1995推薦值）。表5至表8為鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線與常用鋼芯鋁絞線在不同環(huán)境下的載流量數(shù)據(jù)。其中環(huán)境條件Ⅰ載流量數(shù)據(jù)由DL／T 5092—1999推薦公式及參數(shù)計算獲得，環(huán)境條件Ⅱ載流量數(shù)據(jù)由IEC 61597—1995推薦公式及參數(shù)計算獲得。

表4 環(huán)境條件Ⅰ和環(huán)境條件Ⅱ

表5 環(huán)境條件Ⅰ鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線載流量

表6 環(huán)境條件Ⅰ鋼芯鋁絞線載流量

表7 環(huán)境條件Ⅱ鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線載流量

表8 環(huán)境條件Ⅱ鋼芯鋁絞線載流量

從表4～8中數(shù)據(jù)中看出，在環(huán)境條件Ⅰ下，鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線在導(dǎo)線溫度120℃，環(huán)境溫度40℃下的載流量是1 109 A，而鋼芯鋁絞線在導(dǎo)線溫度70℃，環(huán)境溫度40℃下的載流量是604 A，前者是后者的1.83倍。在環(huán)境條件Ⅱ下，鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線在導(dǎo)線溫度120℃，環(huán)境溫度40℃下的載流量是1 280 A，而鋼芯鋁絞線在導(dǎo)體溫度70℃，環(huán)境溫度40℃下的載流量是799 A，前者是后者的1.6倍?？梢?，采用鋁包覆碳纖維芯棒復(fù)合芯導(dǎo)線作為線路增容改造的線種，效果非常顯著。

2.2.3 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2為整個鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線的應(yīng)力應(yīng)變曲線，選取122.4 kN為設(shè)計拉伸強(qiáng)度（RTS），將試樣依次加載到RTS的30%、50%、70%、85%，保持一段時間后卸載到RTS的10%。在加載到30%RTS時，在應(yīng)變?yōu)?.1%處斜率有突變，卸載時，斜率較大，呈線性變化。第二次加載到50%RTS時，初始部分斜率和第一次加載時相比較小。卸載時，斜率較大，隨卸載進(jìn)行，降為與加載時斜率大致相同。重新加載時，與卸載變化規(guī)律基本相同，之后加載到70%和85%的變化規(guī)律與50%相似。

圖2 鋁包覆碳纖維芯棒鋁絞線的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由于碳纖維芯棒的強(qiáng)度比鋁絞線大得多，在加載初始階段，芯棒承載了大部分載荷，隨應(yīng)變增大，當(dāng)載荷達(dá)到鋁絞線的屈服點(diǎn)時，鋁發(fā)生塑性變形，將絞線上應(yīng)力轉(zhuǎn)移至芯棒上，反映在曲線上是在第一次加載到應(yīng)變?yōu)?.1%時，斜率突增。在卸載過程中，初始階段，鋁已經(jīng)發(fā)生塑性變形，卸載主要為碳纖維的表現(xiàn)行為，即卸載前期斜率與加載時前期斜率相同。隨卸載再進(jìn)一步進(jìn)行，鋁絞線被壓縮發(fā)生彈性變形，使斜率要比卸載初始過程中要小。

在循環(huán)加載時，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到鋁絞線的彈性變形極限時，斜率就發(fā)生變化。這是由于在加載時應(yīng)力的重新分布和兩者的彈性模量的不同。開始是兩者都經(jīng)歷彈性形變，當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時鋁線發(fā)生塑性形變。當(dāng)鋁絞線發(fā)生彈性變形曲線斜率較大。隨著彈性變形結(jié)束，斜率恢復(fù)。完全卸載后再次加載時重復(fù)之前的規(guī)律。因此應(yīng)力—應(yīng)變曲線形成是由于芯棒是完全彈性的，而鋁線會經(jīng)歷彈塑性變形兩個階段造成的。

2.2.4 過滑輪測試

將鋁包覆碳纖維芯棒鋁導(dǎo)線進(jìn)行過滑輪測試，經(jīng)檢測該樣品過滑輪符合Q／GDW 1851—2012標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)指標(biāo)要求，試驗(yàn)樣品長度21 m，兩端壓接耐張線夾，導(dǎo)線過滑輪檢測參數(shù)如表9所示。

表9 導(dǎo)線過滑輪檢測參數(shù)

該樣品在20%RTS張力下通過滑輪后，經(jīng)檢查導(dǎo)線表面無損傷，無明顯松股、起燈籠現(xiàn)象，軟鋁型線無斷裂，芯棒抗拉強(qiáng)度達(dá)到2 942 MPa。通過鋁包覆碳纖維芯棒技術(shù)，有效地減小了導(dǎo)線彎曲半徑，提高了施工性能。

3 結(jié)語

采用碳纖維芯棒鋁包覆技術(shù)及新型耐熱樹脂制備了新型碳纖維導(dǎo)線，測試并分析了自制碳纖維芯棒和碳纖維復(fù)合芯鋁導(dǎo)線的各項(xiàng)性能，新型導(dǎo)線的各種表觀質(zhì)量均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，與傳統(tǒng)鋼芯導(dǎo)線相比，主要優(yōu)勢為：碳纖維芯棒徑向耐壓強(qiáng)度高，扭轉(zhuǎn)后斷裂強(qiáng)度高達(dá)2 952 MPa，大大超過普通鋼芯；新型碳纖維導(dǎo)線的重量輕，抗拉強(qiáng)度大，熱膨脹系數(shù)小，大大降低了導(dǎo)線的弧垂，從而允許導(dǎo)線在更高的溫度下使用；通過無縫鋁包覆技術(shù)，新型碳纖維導(dǎo)線的載流量大大超過傳統(tǒng)鋼芯鋁導(dǎo)線，可以實(shí)現(xiàn)對輸電線路擴(kuò)容的改造，增加了導(dǎo)線徑向耐壓性能，提高金具和導(dǎo)線之間的摩擦力，可實(shí)現(xiàn)與普通金具配合，避免了在施工過程中可能存在的安全隱患，大幅降低了金具投資；加了新型碳纖維導(dǎo)線鋁的截面積，大幅度降低了線損。

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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，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>