【工藝技術】新型電纜用碳纖維複合芯材

06-19

碳纖維，被譽為二十一世紀最有生命力的新型材料，是含碳量90%以上的高強度纖維材料。碳纖維複合芯導線是一種全新結構的節能型增容導線，與常規導線相比，具有重量輕、強度大、耐熱性能好、熱膨脹係數小、高溫弧垂小、導電率高、線損低、載流量大、耐腐蝕性能好、不易覆冰等一系列優點，綜合解決了架空輸電領域存在的各項技術瓶頸，代表了未來架空導線的技術發展趨勢，有助於構造安全、環保、高效節約型輸電網路，可廣泛用於老線路和電站母線增容改造、新線路建設，並可用於大跨越、大落差、重冰區、高污染等特殊氣候和地理場合的線路。應用在新建線路中，可提高線路的單位輸送容量，確保電網的堅強性，長遠經濟性更好。應用在電網輸電線路的改造和增容項目中，能夠利用現有桿塔等設施，既成倍地大幅度提高傳輸容量，同時又可以節省通道資源，減少土地佔用面積，節約投資，而且線路停電時間短、停電損失小。應用在大跨越線路中，可以大幅降低跨越塔的高度，從而有效減少桿塔和基礎的材料用量，達到降低工程造價的目的。應用在重覆冰區線路中，可以提高抗冰能力，提升線路的安全性。綜合來看，這是一種「環境友好型輸電線路用導線」，從保護環境、節能減排、改善人類生態環境方面來說，具有劃時代的現實意義。
市場前景
（1）國際市場情況

新型的碳纖維複合材料芯導線是一種全新概念的輸電線路用導線，它的研究成功，是架空輸電導線的一場革命。在已經取得新型碳纖維複合材料芯導線中，日本的碳纖維芯鋁絞線、美國的碳纖維和玻璃纖維混合芯鋁絞線較為典型。
日本是開發架空線路特種導線品種較多的國家。20世紀90年代，日本學者研究用碳纖維芯代替鋼芯，開發了一種新型複合材料合成導線，即碳纖維芯鋁絞線（ACFR）。這種新型導線與常規鋼芯導線相比，具有相同的外徑和強度，原有的絕緣子和金具仍可使用，施工機具也可使用，它能在鐵塔不變的情況下更換導線即可，大大降低了成本。這是一種重量輕、線膨脹係數小、具有良好弧度特性的劃時代的新型導線。
美國CTC（Composite Technology Corporation）公司是研發碳纖維芯鋁絞線較為成功的一家，2003年CTC公司又推出ACCC（Aluminum Con-ductor Composite Core）的碳纖維複合材料芯導線，它的芯線使用碳纖維和玻璃纖維混合製成的單根芯棒，外層與鄰外層是鋁線，為梯形截面，這種導線已經完成常規的型式試驗，並與2004年8月在德克薩斯州的一條3KM線路中掛網，在2005年2月驗收合格。據CTC公司報道，該公司在2005年出售了3500公里長的ACCC產品，2008年中期統計，市場對該產品的需求量每年超過60億美元。預測2014年和2018年新型電纜對碳纖維複合材料的需求將分別達到1.2萬噸和1.5萬噸。
（2）國內市場情況

我國是個缺電的國家，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求，由於過負荷造成的停電、斷電故障頻頻發生，電力傳輸成為電力工業發展的「瓶頸」，針對電網中部分輸電線路輸送能力不足，部分老舊線路技術改造困難的情況下，我國為有效利用目前電網的輸電線路，開始考慮應用新型碳纖維複合芯導線（ACCC），以提高電網的輸送能力。
ACCC碳纖維複合導線是目前全世界電力輸變電系統理想的取代傳統的鋼芯鋁鉸導線、鋁包鋼導線、鋁合金導線及進口殷剛導線的新產品，在國內的開發是繼04年美國商業應用以後，第二個開發應用該技術的國家。通過ACCC碳纖維複合導線的應用，實現了電力傳輸的節能、環保與安全。
十二五期間國家電網、南方電網、蒙西電網每年需求架空導線約100萬公里，在規劃的線路中主要包括：高壓電網新建、超高壓電網新建、特高壓電網新建、現有老城網改造、現有電網擴容、農網改造、煤網改造等。預計滿足現有電網需求的碳纖維複合芯導線用量將達到每年40-50萬公里，以「十二五」末完成每年用量達到20萬公里，可每年節約40-50萬噸鋁，節約土地數萬畝，降低輸電損耗、節約電力數億度，可有效帶動國產碳纖維行業的發展。
技術分析
（1）技術來源

本項目主要採用美國技術生產ACCC碳纖維複合芯導線，也可採用山東大學、華北電科院，中鋼吉炭已與山東大學簽訂了技術合作協議。
（2）技術及工藝分析
碳纖維複合芯鋁絞電纜的製造技術主要採用連續拉擠法。核心技術是芯棒的製造，關鍵材料是高溫韌性環氧樹脂。所用碳纖維的拉伸強度高和斷裂伸長大，採用T700S為芯棒提供韌性和耐衝擊性能；玻璃纖維採用耐鹼的E型（E-GF），E-GF為絕緣體，為芯棒提供絕緣體。所用環氧樹脂為高溫型的韌性樹脂，其固化溫度高達260℃（500℉），具有特殊的耐熱結構，同時需要增韌改性，使所制芯棒具有韌性。
拉擠成型工藝關鍵技術：碳纖維複合電纜芯的製備工藝採用拉擠成型。複合材料拉擠製品具有許多優點，如力學性能好、耐腐蝕、尺寸穩定、熱導率低、絕緣性能好、耐老化等，是目前複合材料生產中自動化程度較高的連續成型工藝。拉擠成型重要的工藝參數包括溫度、壓力、拉擠速度、牽引力和樹脂固化反應等。拉擠成型的工作流程是在牽引機的拉力下，連續的碳纖維在樹脂基體中浸漬，預成型後通過加熱的模具，熱量傳遞至液態的樹脂／碳纖維複合體系，交聯反應開始發生，樹脂從複合材料的周邊向中心固化。樹脂固化後體積收縮，使得複合材料與模具分開，經過脫模、後固化、冷卻等流程，最終由收線機進行收卷。
工藝流程描述：將碳纖維筒放在整理架上，單向（0。）集束，包覆玻璃纖維，浸漬環氧樹脂膠液，通過鋼製模口，以控制直徑，然後通過固化爐，固化成型。

（3）原料分析
碳纖維複合芯材導線主要生產原料：由於碳纖維複合材料電纜芯要求更高的力學性能，因此只有T700及以上品級的碳纖維能夠滿足其要求。本項目所需的T700品級碳纖維將通過外購的方式滿足供應，台塑公司的TC12K36系列、日本東邦公司的UT500系列、三菱公司HT系列的TRH50及TR50S和東麗公司T700系列等12K碳纖維均能夠滿足使用要求；中鋼江城1500噸碳纖維生產線建成之後，生產的碳纖維將達到T700品級，可為該項目本地配套原材料。50000公里碳纖維複合芯材需碳纖維2600噸，需樹脂1200噸。
（來源：節選自互聯網）