机械工程材料论文碳纤维复合芯在输电导线中的应用.doc

碳纤维复合芯在输电导线中的应用摘要：本文分析了碳纤维的研究现状，从碳纤维的强度，弛度，导电率出发，全方面阐述了碳纤维的特点及优点，通过对国内外对碳纤维的具体应用实例，了解到了碳纤维的应用前景和优点。关键词：碳纤维 ; 性能 ; 导线 ; 应用Abstract：This paper analyzes the carbon fiber research status, from the carbon fiber strength, sag, conductivity of departure, all aspects of the carbon-fiber characteristics and advantages of home and abroad through the carbon fiber concrete examples, understand the application of carbon fiber prospects and benefits.Keywords：Carbon fiber; performance; conductor; Application0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。为安全可靠地多输送电力，各国的科技工作者不断努力寻求理想的架空输电线路用导线，以取代传统的各种导线，如：为提高防腐性能而开发的铝包钢芯铝绞线，为提高强度而开发的钢芯铝合金绞线、全铝合金绞线、铝包钢芯铝合金绞线等，为提高导线耐热性能和输送容量而开发的各种耐热铝合金导线，为降低导线弛度而开发的用殷钢芯代替普通钢芯的低弛度导线等。20世纪90年代，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。其中，碳纤维复合芯导线具有强度大、载流量大、耐热性好、线膨胀系数小、重量轻、耐腐蚀性能好等特点，是一种全新概念的架空输电线路用导线，它的诞生是架空输电导线的一场革命。1碳纤维复合材料简介高分子有机复合材料是20世纪70年代后期开发出来的新型材料，是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。高分子化合物一般具有长链结构，每个分子都像一条长长的线，许多分子纠集在一起形成了一个扯不开的线团，这就是高分子化合物具有较高强度，可作为结构材料使用的根本原因。此外，人们还可以通过各种手段，用物理的或化学的方法，或者使高分子与其他物质相互作用后产生物理或化学变化，从而使高分子化合物成为能完成特殊功能的高分子材料。作为增强型材料的碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维，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、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。2复合芯的应用领域新型复合材料合成芯导线是一种全新概念的架空输电线路用导线，与同等直径的常规导线相比，具有许多优越性，在以下有特别要求的应用场合具有应用和推广的价值：(1)具有与传统钢芯铝绞线相当的重量和刚度，合成芯材重量轻，在选用与原ACSR相同重量的导线时，相当于导线上有更多的铝材。(2)合成芯导线可运行在远高于ACSR导线的运行温度下，具有更高的载流容量，以及复合材料导线更高的强度和小得多的弛度，因此允许对现有铁塔不作修改，仅用复合材料导线替换原有常规线路，可实现大幅增大现有走廊的输送功率。从而避免大范围的重建，减少停电时间。(3)由于弛度小，可采用较矮的铁塔实现新建的大跨越以及普通线路工程，并可有效减小风偏，在特殊气候条件下保证输送容量。(4)降低线路电晕损耗和减小电磁场辐射。(5)由于复合材料增强的耐热特性，可减少冰的集结，或在重覆冰地区，可采用更小直径的复合导线，在不改变输送容量的情况下实现安全输送。(6)由于导线中的金属材料仅有铝材，可用在高腐蚀的地区。3碳纤维复合芯导线及其应用情况一日本的碳纤维芯铝绞线20世纪90年代日本采用碳纤维和热硬化性树脂构成的复合材料芯线代替钢芯，开发出了一种新型复合材料合成芯导线，即碳纤维芯铝绞线。先将12000根直径为7衄1的PAN系碳纤维丝涂上未硬化的热硬化性树脂绞在一起，再缠上有机纤维形成1根股线，7根这样的股线绞合起来，最后热处理使树脂完全硬化形成复合材料芯线。这种碳纤维芯铝绞线，最早是作为一种改进型低弛度导线提出的。除碳纤维芯铝绞线以外，又开发了耐热碳纤维芯铝合金绞线。二美国CTC公司碳纤维复合芯21简介:美国复合技术公司(colposite tecIlIlology corporation，CTC)于2003年开发了复合材料芯线铝导线(aluIIlinum conductor composite core， ACCC)， 其芯线是以聚酰胺耐火处理、碳化而成的碳纤维为中心，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芯棒。外层与邻外层铝线股为梯形截面。这种导线已完成各种型式试验，包括机械全性能、应力一应变曲线、蠕变、线膨胀系数、载流量、自阻尼特性等，特别是验证了高温条件下的低弛度特性。22主要技术特点：(1)强度高。一般钢丝的抗拉强度为l 240MPa，高强钢丝为1 410 MPa，而ACCC导线的抗拉强度可达到2399 MPa，分别为前两者的193倍和17倍。抗拉强度的明显提高允许增加杆、塔之间的跨距，因而能降低工程成本。(2)导电率高，载流量大，运行温度高。ACCC导线不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，且在输送相同负荷的条件下，具有更低的运行温度，因此可减少输电损失约6。相同直径(2814 mm)时ACcc导线的铝材截面为常规ACsR导线的129倍，因此可提高载流量29。常规ACSR导线由于受软化特性和弛度特性的局限，工作温度的提高非常有限，提高载流量主要依靠增大导体截面；而ACCC导线的软化特性和低弛度特性与耐热铝合金导线及殷钢耐热铝合金导线相当，但其电阻相对较小，因此在相同的导线外径尺寸下，由于铝截面增大和提高导线工作温度(150。1800C)，导线的综合载流量从理论上来说可以提高至2倍。ACCC导线的短时许容温度甚至可超过2000C。(3)线膨胀系数小，弛度小。ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低弛度特性，在相同的试验条件下，温度从2610C上升到1830c时，常规ACSR导线的弛度从236 mm增加到1 422 r啪，提高了5倍；而ACCC导线的弛度仅从198 mm增加到312 lm，仅提高057倍；ACCC导线弛度的变化量仅为常规ACSR导线的96，在高温下的弧垂不到钢芯铝绞线的110，能有效减少架空线走廊的绝缘空间，提高导线运行的安全性和可靠性。在相同的跨距下可缩短导线长度，节省导线。(4)重量轻。常规ACSR导线(LGJ 24055)的单位长度重量为1108 kg，m(其中铝材部分为0651 km，钢芯部分为O439 km)，而ACCC导线(Linnet 218 mm2)的单位长度重量为O653kgm(其中复合材料芯仅为0051 k咖)。ACCC导线单位长度重量约为常规ACSR导线的6080，这充分显示了ACCC导线重量轻的优点。计算表明，导线自重的减轻可使导线载荷减少约25，因此承载能力也约增加20。导线重量减轻以及良好的低弛度特性可使铁塔高度降低，并使铁塔结构更趋紧凑，缩小基础根开，缩短施工工期，节省线路综合造价。(5)耐腐蚀，使用寿命长。腐蚀是输电导线的另一个问题。大气中的盐雾、sq和Nq会腐蚀AcsR的铝线和钢芯，两种不同金属材料接触也会产生电腐蚀。腐蚀会降低导线强度，影响导线的使用寿命。ACCc导线复合j卷的外层由玻璃纤维绝缘材料制成，具有较高的耐腐蚀性能，与铝线之间不存在电腐蚀问题。可较好地解决传统ACSR导线长期运行的腐蚀问题。(6)减少了电磁辐射和电晕损失。复合材料合成芯导线的梯形截面形成的外表面远比ACSR导线表面光滑，提高了导线表面粗糙系数，有利于提高导线的电晕起始电压，能够减少电晕损失。三国内碳纤维复合芯远东电缆有限公司从2005年开始独家和美国CTC合作，专业开发生产碳纤维导线(节能型复合导线)和复合电力杆塔产品。2006年6月起在国家电网公司和南方电网公司共7个省市的50多条输电线路挂网运行；2007年11月批量投产，2008年产能达15 000 km，2009预计年产能为30 000 km，2010年计划产能达到60 000 km的工厂规模。拥有多项碳纤维导线(节能型复合导线)系列专有技术和其他知识产权。远东复合技术有限公司与美国CTC公司签定长期合作协议书：碳纤维复合芯由美国CTC公司生产供货给远东公司，远东公司批量进行软铝型线的生产制造和碳纤维导线整体的绞合交付，远东公司制造的碳纤维导线成品主要面向国内市场，并不断开发国际市场。图l为远东复合技术公司绞制碳纤维芯复合导线的生产线。图1 远东公司绞制碳纤维芯复合导线的生产线中国电力科学研究院于2008年1月开始研究碳纤维复合芯导线，主要是依托国家电网公司科技项目碳纤维复合芯扩容导线的研制开发进行研究。该项目于2009年6月12日在京完成了预验收，与会专家一致认为项目研究成果总体上达到了国际先进水平。图2为中国电科院研制的碳纤维复合芯样品。该复合芯表面光滑，同心度较高，平均拉伸强度达到2 228 MPa，长期耐热温度为180，短时允许温度为200，抗雷击试验合格，其产品已达到国内同类型先进产品的技术水平。 图2碳纤维复合芯样品4.碳纤维复合芯导线的配套金具碳纤维复合芯导线由于其结构具有特殊性，常用耐张线夹和接续管不宜使用，而是采用一种利用楔型自锁原理耐张线夹和接续管，其结构是将常规压接钢管改为楔型自锁式新型耐张线夹和接续管。在国外，美国CTC公司、FCI公司和日本东北电力公司均有类似产品，2种产品其结构由线夹本体、套管和楔型自锁结构3大部分组成，绞线握力主要靠楔型自锁结构的正压力产生摩擦力而达到握力要求。目前国内生产和正在研制上述2种金具的有不少厂家，如中国电力科学研究院、华北电科院、江苏宇飞公司、南线厂、鸿泽澜公司等，其现状仍是：很多单位采用美国CTC原版仿制，没有进行改进，缺乏在国内外输电工程运行成果和经验。中国电科院、华北电科院、宇飞公司等对金具进行了独特的改进，有效缩短了金具尺寸，并形成了自有专利。宇飞公司所研制的碳纤维导线配套金具已经在4条工程线路中成功应用，华北电科院也在500 kV万Jl哽III线中成功应用了自己研制的配套金具，中国电科院研制的配套金具于2009年11月18日成功应用到220 kV金仙线。5. 碳纤维复合芯导线的放线施工由于国外提供的及国内仿制的碳纤维复合芯导线配套金具，特别是接续管长度(170 em以上)及直径远远大于常规导线配套金具(80 cm以下)，导致配套接续管与碳纤维导线的结合体难以顺利通过放线滑车，容易造成碳纤维复合芯导线的折断。目前碳纤维复合芯导线的施工一般采用不超过5 km一段的分段放线方式，施工中须频繁转场，大大增加施工难度及费用；在环境恶劣、地形复杂的山地施工，如果没有适合的张力场，甚至面临无法放线的问题。不能连续放线成为碳纤维复合芯导线在长距离线路(包括超高压、特高压线路)上应用的瓶颈。随着国内碳纤维导线配套金具研究进展，国内研究单位也逐步研制出了体积小而轻的碳纤维导线配套金具。另外，碳纤维复合芯导线采用软铝梯型单丝，在施工中容易部分损坏铝导体的表面。因此，在线路施工中需要注意对导线的保护，特别是在可能应用碳纤维导线的特高压工程中，导线表面质量要求更加严格。碳纤维导线在220 kV线路中已经积累了一定的施工经验，在500kV线路中的施工经验不足，500kV以上线路更是空白，需要进一步摸索并形成相应的施工导则。中国电科院已经编写完成了“碳纤维复合芯铝绞线施工工艺及验收导则”国网公司企业标准(已进入报批程序)，该标准适用于500 kV及以下电压等级线路中碳纤维复合芯铝绞线的施工及验收。6.总结进一步完善碳纤维复合芯导线在国内应用的系列化、型谱化研究工作，并研制出相应的碳纤维导线，形成国内标准，为以后线路设计和导线选型提供参考依据，尽量发挥出碳纤维导线的各项优势性能。参考文献1梁旭明，余军，尤传永.新型复合材料合成芯导线技术综述J