碳纖維複合芯導線的特點及標準體系

來自專欄電氣設備外絕緣

李特

電力系統時常面臨輸電線路輸送容量不足的問題，部分區域負荷增長過快導致原有線路設計容量不足，另外隨著電改的進行，對於電網建設的投資效益比要求越來越高，因此設計、基建部門希望有建設費用更低、運營效率更高的建設方式。自二十世紀初碳纖維複合芯導線自美國投入試運行以來，其對線路桿塔建設費用的降低、輸送容量的提升效果顯著，國內也有不少應用。但是對於運檢部門，碳纖維複合芯導線畢竟是一種新型的導線，到目前也才積累了十多年的運行經驗，運行中也出現了不少問題，因此對於大規模應用仍持審慎態度。今天我們來梳理下碳纖維複合芯導線到底有哪些優缺點，其優缺點產生的根本原因是什麼，目前其標準體系是怎麼樣的，運維中出現的問題，供大家參考。

1 結構及材質特點

1.1 結構

碳纖維複合芯導線與常規鋼芯鋁絞線結構類似，分成芯線和表面的鋁線，其中芯線承擔絕大部分機械應力，鋁線承擔通流任務。目前已經應用的碳纖維複合芯導線結構如圖1右側導線，普通鋼芯鋁絞線結構如圖1左側導線。

與普通鋼芯鋁絞線相比，碳纖維複合芯導線結構有如下特點：

① 碳纖維複合芯為單芯結構，即單根高強度耐熱碳纖維複合芯，而普通鋼芯鋁絞線的鋼芯為多根單線絞制；

② 碳纖維複合芯導線外部的鋁線常採用梯形結構，而非普通鋼芯鋁絞線的圓線。

1.2 材質特點

碳纖維複合芯主要原材料為聚丙烯晴碳化而成的碳纖維和高溫固化樹脂，碳纖維絲縱向排列，同時樹脂將碳纖維絲整合成一個整體。同時複合芯表面有一層保護層，用以防止複合芯在大氣環境、和外部鋁線作用下發生腐蝕。

碳纖維複合芯具有以下特點：

① 密度小

碳纖維複合芯的密度僅為普通鋼芯的1/4。

② 抗拉強度大

碳纖維複合芯的抗拉強度可達2400MPa，可達普通鋼芯的2倍。

③ 耐熱性好

碳纖維複合芯高溫下的伸長率遠小於普通鋼芯。

上述特點①、特點②決定了在較低使用溫度下碳纖維複合芯的弧垂遠小於普通鋼芯鋁絞線，特點③ 決定了在較高使用溫度下碳纖維複合芯的弧垂增長更小。

碳纖維複合芯導線外部的鋁線一般為耐熱鋁合金線或者軟鋁線。當採用耐熱鋁合金線時，具備較高的機械強度，利於導線施工，但其電阻率比常規鋁線稍高，電阻損耗高5%左右，當採用軟鋁線時，電阻率不比常規鋁線大，但材質較軟，施工中容易出現損傷。耐熱鋁合金線和軟鋁線的允許運行溫度比常規鋁線高，因此導線可通過提高運行溫度提升輸送容量。

2 碳纖維複合芯導線優缺點

基於碳纖維複合芯導線的材質特點，其優點最突出的是以下2點：

① 輸送容量更大

相同機械性能要求下，碳纖維複合芯芯線更細，從而可以在導線截面不變時增大鋁線的面積，同時通過提升運行溫度，使碳纖維複合芯導線輸送容量比同截面鋼芯鋁絞線高，極限情況下可達2倍。

② 導線質量輕、弧垂小

碳纖維複合芯的抗張強度遠高於普通鋼芯，因此相同機械性能要求下其芯線截面更細，整體質量更小，質量是影響弧垂的重要因素，從而碳纖維複合芯導線的弧垂也更小，因此對桿塔的強度、高度要求要小於普通鋼芯鋁絞線。

基於上述兩點，雖然碳纖維複合芯導線本身價格遠高於普通鋼芯鋁絞線，但考慮輸送容量和建設成本，全壽命周期內其經濟效益更好。

但碳纖維複合芯導線也有缺點：

① 損耗稍大於鋼芯鋁絞線

為了提升輸送容量同時具備較強的施工適應性，採用耐熱鋁合金線時，其電阻率稍大於普通鋁線（硬鋁線）。

② 施工難度大於鋼芯導線

碳纖維線芯的彎曲不能超過一定限度，標準要求導線可完成直徑為50D的卷繞試驗，即彎曲半徑不能小於50倍的直徑，但總體而言彎曲性能不如鋼芯，同時碳纖維芯和外部鋁絞線的延展性差別較大，容易出現「燈籠股」問題，施工難度更大。

③ 複合線芯缺陷難以檢測

碳纖維複合芯抗剪切強度低、易劈裂，容易在搬運、施工中產生缺陷，但受外部鋁絞線的遮擋很難通過肉眼發現缺陷，同時也缺少檢測手段。

④ 耐張跳線段不適合用碳纖維複合芯導線

碳纖維複合芯彎曲性能受限，耐張跳線段導線彎曲曲率較大，同時兩端受線夾固定長度又很短，在運行溫度較高時容易造成芯棒的變形。因此一般耐張跳線採用常規鋼芯鋁絞線或者耐熱鋁合金導線。

3 標準體系

碳纖維複合芯導線的標準主要有以下幾項：

1）GB/T 29324-2012 《架空導線用纖維增強樹脂基複合材料芯棒》

給出了碳纖維複合芯棒的規格、技術要求、試驗方法、檢驗規則等。

2）Q/GDW 10851-2016 碳纖維複合材料芯架空導線

給出了碳纖維複合芯導線的產品分類、技術要求、檢驗規則、試驗方法等，與常規導線相比增加了玻璃化轉變溫度、允許使用溫度、膨脹係數等技術要求。同時，標準給出了到貨抽檢的項目和方法。

3）DL∕T 5284-2012 《碳纖維複合芯鋁絞線施工工藝及驗收導則》

適用於500kV及以下電壓等級的新建、改建線路採用碳纖維複合芯鋁絞線的施工工藝及標準。

4）DL/T 1615-2016 《碳纖維複合材料芯架空導線運行維護技術導則》

包含碳纖維複合芯導線的產品驗收、運行標準、巡視、檢測、維修等內容。巡視部分給出了應關注的內容，包括導線散股、斷股、損傷、斷線、放電燒傷、接嘔吐過熱等，檢測部分給出了檢測內容和對應周期。

5）Q/GDW 1780-2013《碳纖維複合芯導線配套金具技術規範》

給出了碳纖維複合芯導線配套金具如耐張線夾、接續管、補修管的產品型號、結構型式、技術要求、驗收規則、試驗等內容。

上述標準下載地址： https://pan.baidu.com/s/1_QzpP4Zw2eSTQvcDU0NpmA

4 運維中出現的問題

1）斷線

2010年，南網110kV杜南線碳纖維複合芯導線斷裂，其原因為碳纖維複合芯受損，導線拉斷力下降。（參考：[鍾飛, 黃豐, 張春雷,等. 碳纖維複合芯導線損傷檢測[J]. 廣東電力, 2011, 24(12):67-69.]）

2008年，波蘭Kozienice-Mory線發生碳纖維複合芯導線斷裂，原因為安裝時滑輪直徑太小、張力過大，導致芯棒損傷。

2009年安徽一處220kV碳纖維複合芯線路發生斷線，照片如圖2。參考（梁華貴. 一220kV碳纖維導線斷線分析及預控[J]. 中國電力教育, 2010(s1):332-332.）

同時近期多次發生500kV、220kV碳纖維複合芯導線的斷線故障。

碳纖維複合芯導線的斷線原因是碳纖維複合芯存在內部缺陷，在運行中逐漸發生斷裂。目前對碳纖維複合芯的內部缺陷檢測尚無合適的檢測手段，對在運線路的線芯檢測難度更大，DL/T 1615-2016 《碳纖維複合材料芯架空導線運行維護技術導則》指出當導線外徑明顯縮小，應確定該部位碳纖維複合芯是否斷裂，但實際上由於缺陷的發展速度較快，往往無法及時發現。

2）耐張線夾斷裂

2014年，某220kV線路碳纖維複合芯導線耐張線夾斷裂，其原因為耐張線夾標識線錯誤，造成安裝應力集中，由於碳纖維導線運行溫度較高，造成線夾鋁管握力下降（碳纖維複合芯熱膨脹係數僅為鋁管的1/10），最終導致導線芯棒從線夾脫出。高溫下碳纖維複合芯與耐張線夾之間的熱膨脹係數配合不如鋼芯，因此對連接金具提出了更高的要求。參考（[劉純, 陳紅冬, 歐陽克儉,等. 碳纖維複合芯導線耐張線夾斷裂分析[J]. 中國電力, 2015, 48(10):97-100.]）

3）磨損、損傷

不少工程基建中就出現碳纖維複合芯導線磨損、損傷、鋁股松股等問題，其主要原因是施工不當。碳纖維複合芯彎曲性能不如鋼芯導線，過滑車環節滑車半徑、施加張力參數不當時，極易造成外層鋁線和內部芯線的損傷。鋁線依靠驗收把關，芯線的隱蔽性損傷檢測到目前仍是難題。

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