架空导线碳纤维复合芯的结构

 世界上最早一代碳纤维复合芯软铝架空导线ACCC正在国内推广应用。然而，在复合芯的材料、制造工艺、结构和形式上，正在不断地推陈出新，实现技术升级进步。特别是绞合型碳纤维复合芯棒的研制成功，将为大面积推广碳纤维复合芯架空导线，提供有力的技术基础。本文仅就架空导线用碳纤维复合芯的结构做综合介绍。
碳纤维复合芯软铝绞线的技术关键在于，利用轻质高强度耐热碳纤维复合芯代替钢芯作为承力部件。由于外层导体不需承力，故可采用纯铝，其导电率不小于63%IACS，运行中电晕损耗小。由于内部采用非铁磁性的合成碳纤维，不存在钢丝材料引起的磁损和涡流损耗，具有显著地节能效果。 
碳纤维复合芯主要的制造方法是拉制工艺。碳纤维和玻璃纤维被牵引到树脂基体罐中浸渍预制成型；然后，在模具中加热产生交联反应，树脂从四周向中心收缩固化；冷却后，由收线机收卷。如图1所示。其关键技术在于树脂体系适用性研究、体系粘度树脂的温度-放热特性、耐热性能、树脂体系浇注性能和树脂的温度-烦热特性等。

图1 碳纤维复合芯的拉挤成型工艺

　　 目前，工程应用的是两种典型的商业化的碳纤维复合芯：一种复合芯线以碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，见图2；另一种复合芯由碳纤维和热硬化树脂构成，见图2-3.

图2 碳纤维中心层和玻璃纤维包覆芯棒

图3 碳纤维和热硬化树脂芯棒

　　 前者是以美国CTC公司的ACCC技术为主，比较成熟，且应用业绩最多。它是以聚酰胺耐火处理后碳化而成的的碳纤维为中心，玻璃纤维及高强度、高韧性配方的环氧树脂包覆制成的单根线芯棒。不过，这种结构的抗劈裂能力较弱。国内远东集团已引进该技术，但复合芯的原材料（碳纤棒、树枝基体）及配方、工艺等核心技术，仍完全掌握在外方手里。
后者则采用带有编织外层的结构形式，很好地解决了导线芯棒强度低、抗劈裂能力弱的缺陷，但抗弯性能不够。编织外层叠合处也是芯棒的薄弱环节。由于该技术采用的是全碳纤维结构，其弯曲直径为碳纤维芯棒外径的70倍，与钢芯铝绞线要求的50-55倍还有差距。
另外，还有一种绞合结构的碳纤维复合芯棒，其结构更接近于现有的钢芯铝绞线。这种芯棒由多股细碳纤维芯绞制而成，有利于分散外力作用，改善受力状况，增加复合芯的抗疲劳性，其弯曲柔软性和弹性，各项技术指标都优于棒状芯。而且，绞制的部分单芯受损时，对整个线芯的影响也较小，因而在可靠性和稳定性上比棒状芯更高。但这种绞制结构的复合芯棒，由于碳纤维芯棒外层无绝缘层，容易造成与外覆导体间的电化学腐蚀，其抗拉强度较低，接续困难，目前在国内电力行业内的应用研究刚开始起步。
为克服绞型碳纤维复合芯软铝架空导线的不足之处，使其得到推广应用，2011年由中国南方电网科学研究院牵头，与广州鑫源恒业电力线路器材股份有限公司(包括其子公司广东佛冈鑫源恒业电缆科技有限公司)、日本东京制纲株式会社、ORIX株式会社合作研究和开发，于2011年12月成功试制出绞合型碳纤维复合芯软型铝绞线及其配套金具，并于2012年2月在中国电力科学研究院通过了全面的型式试验，这是在国内首次研发成功的一类新型导线和金具。图4 是绞型芯棒导线与非绞型芯棒架空导线之比较。

图4. 绞型芯棒导线与非绞型芯棒架空导线比较

　　 试验表明，绞合型碳纤维复合芯软型铝绞线具有耐高温、低弧垂、耐腐蚀、重量轻、强度高、柔软等特点，可应用在500KV及以下旧线路增容改造工程，重防腐输电线路工程，土地资源稀缺和线路走廊狭窄的新建线路工程，对于特高压和大跨越线路工程也有非常好的应用前景。 
绞合型碳纤维复合芯软型铝绞线新产品的诞生，为架空导线家族增添了重要一员。该产品各项性能优异，能够有效实现输电线路的增容、扩容，是目前最有可能取代传统钢芯铝导线、并投入商业运行的产品。如果说碳纤维复合芯导线是"电力行业一次颠覆性的突破"的话，那么绞合型碳纤维复合芯软型铝绞线把这种"突破"更向前推进了一步。新型压接式配套金具同时出炉，更有利于绞合型碳纤维复合芯软型铝绞线技术上可行性的推广应用。

　　 国内从2005年开始，国内多家单位开始了碳纤维芯复合导线的研究工作，主要研发机构有远东复合技术有限公司、中国电力科学研究院、华北电科院与河北硅谷化工有限公司合作开发、辽宁省电力公司与哈玻院合作开发、常州鸿泽澜线缆有限公司与国防科技大学、航天四院43所等。目前商业化规模较大的是美国CTC公司授权远东复合技术有限公司开发的ACCC导线。国内研发碳纤维复合芯导线主要以碳纤维复合芯棒为加强芯，其配套金具结构比较复杂。    电地暖