ACCC碳纖維複合芯導線

碳纖維複合芯導線(ACCC)是一種新型架空輸電線路用導線，重量輕、耐拉伸、熱穩定性好、弛度小、單位面積通流能力強和抗腐蝕是其突出特點。特別適合於公司駐地濱海、礦山地區腐蝕強度大、污穢強度高、導線易舞動的使用環境。能夠滿足建設資源節約型、環境友好型電網的要求，在縣級電網中輸電線路中具有良好的套用前景。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鋼導線的新產品。

基本介紹

• 中文名：ACCC碳纖維複合芯導線
• 外文名：ACCC carbon fiber composite core wire
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 優點：重量輕、強度大、低線損、弛度小
• 特點：導電率高

背景

利用架空導線輸送電能是電力輸送的主要手段。伴隨著社會經濟的高速發展，上地資源日趨緊張，架空輸電線路新通道的審批和新建成為電網建設的突出難題。部分地區由於經濟高速發展，用電負荷呈幾何級數增長，原有輸電線路輸送能力已不能滿足負荷的快速增長，更換導線、加粗導線、新出專線勢在必行。

拆除舊有線路、改造桿塔再架設新導線的傳統方法成本高，工期長，一旦線路架設不及時，原有線路通道將被政府規劃部門收回，新架線路將無法使用原有線路通道，給電網規劃和建設帶來極大困難，一定程度的提高了工程造價並延長了建設周期；線路架設過程中的長時間停電，也極大影響了電網的供電可靠性和設備可用係數。為解決上述矛盾，尋找一種既能利用原有線路通道又能最大程度減少桿塔改造，同時還能大幅提高線路輸送能力的工程施工方法成為唯一出路，工程人員將著力點放在了架空輸電導線的革新上，尋找一種新型的架空輸電導線材料成為關鍵。

介紹

自從輸電線路投運以來，輸電架空導線的主要類型就是鋼芯鋁絞線(ACSRW)伴隨著新材料技術的發展，70世紀末外國材料公司對有機複合材料代替金屬材料製作導線芯材進行了研發和實驗，經過探索和攻關，開發出了新型複合材料合成芯導線。複合材料合成芯導線使用碳纖維等新型複合材料代替傳統的導線中的鋼芯，形成一種全新的架空輸電線路導線，該技術的研發成功是架空輸電線路一個里程碑式的標誌。目前，套用較多並取得一定成果的新型複合材料合成芯導線中，以美國CTC公司生產的碳纖維複合芯導線(ACCC)最為典型，己投入商業運行並取得了一系列的成功案例。

說明

碳纖維複合芯導線的技術關鍵是碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆形成的單根芯棒，利用碳纖維、環氧樹脂耐衝擊性強、拉伸應力和彎曲應力承受能力大的特點，將碳纖維與玻璃纖維進行拉伸後，浸漬在環氧樹脂中，然後經高溫固化形成複合材料芯線，芯線外層與臨外層為梯形截面鋁線股。與鋼芯鋁絞線相同，碳纖維複合芯導線主要靠鋁單線部分完成電能傳輸，導線木身重力、風力、導線應力等機械力主要由碳纖維複合芯承受，經過各種型式試驗，碳纖維複合芯導線表現出了良好的機械性能和電氣性能。

（1）強度高，膨脹係數小，特殊環境適應性強：碳纖維複合芯導線的抗拉強度為普通導線的2倍。通過對比實驗，碳纖維複合芯導線的破斷力是常規鋼芯鋁絞線的1.3倍。該特性使得架設碳纖維複合芯導線時可以適當增加桿、塔間的檔距，減少桿塔數量，降低工程成木；碳纖維複合芯導線與鋼芯鋁絞線相比弛度特性顯著降低，高溫下弧垂較鋼芯鋁絞線減少90%，能有效節省架空線路通道的絕緣空間，提高導線運行的安全性和可靠性。在相同跨度下可有效減少導線長度，節省線材，同時在大跨越工程中使用的桿塔高度較傳統線材要低，並可有效減小風偏，保證特殊氣候條件下的通流能力。

（2）重量輕、載流能力大：碳纖維複合芯導線的比重約為鋼芯鋁絞線的1/4；

在相同的外徑下，碳纖維複合芯導線的鋁材截面積比常規鋼芯鋁絞線截面積大29%，在相同運行條件下，其理論通流能力為常規鋼芯鋁絞線的兩倍。

（3）抗腐蝕、使用壽命長：碳纖維複合材料與環境親和，同時避免了導體在通電時鋁芯與鍍鋅鋼線之間的電化腐蝕，有效延緩導線老化，使用壽命通常能能達到普通鋼芯鋁絞線的2倍。

（4）導電率高，節能效果好。由於碳纖維複合芯導線不存在鋼絲材料引起的磁損和熱效應，在輸送相同負荷的條件下，可減少電能損失6%。

（5）便於導線展放和施工：碳纖維複合芯導線的外層導電線路部分直徑和螺旋狀結構與常規鋼芯鋁絞線相同，完全可按常規鋼芯鋁絞線的施放方法進行安裝、施工，原有桿塔、金具等構件不必更換、改造。

（6）同樣容量線路投資成木低。由於碳纖維複合芯導線可雙倍載流量運行，而且強度高、弛度小，重量輕等特點，可增大桿塔跨距，降低高，同容量線路成木比普通導線低。

性能與結構

輸電工程用架空導線由承力芯和鋁單絲構成。理想的承力芯應具有抗拉強度高、弧垂低、密度小等特點，理想的鋁單絲應具有高導電性能。碳纖維複合芯具有高比強度、高比模量等特點，且耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變，還有導電、傳熱和熱膨脹係數小等優異性能，其在輸電線路中套用為導線的承力芯；高導電率(63% IACS)的軟鋁單絲是未來理想的導電材料。

碳纖維複合芯導線（ACCC）是一種新型導線，最早由美國、日本等國家開發，主要用於航天設備及空間站。ACCC的芯線是以碳纖維為中心層、外包覆玻璃纖維製成的單根芯棒，其外層與鄰外層鋁線股為梯形截面，是一種性能優越的新型導線。碳纖維導線分為碳纖維棒芯鋁絞線和耐熱碳纖維棒芯鋁合金絞線，結構與常規鋼芯鋁絞線相同。碳纖維複合芯導線內部結構如圖所示。

ACCC內部結構圖

一般鋼絲的抗拉強度為1240 MPa，高強鋼絲的抗拉強度為1 410 MPa，而碳纖維複合芯導線的抗拉強度可達到2399 MPa，分別為前兩者的1.93倍和1.70倍。

比較

結構對比

1) ACCC導線將傳統鋼芯鋁絞線(AluminumConductor Steel Reinforced, ACSR)的鋼芯用碳纖維和玻璃纖維複合芯取代，減輕了導線的質量，增加了導線的強度。

2) ACCC導線將外層圓形鋁絞線改為緊壓雙層梯形鋁絞線，在總截面相同的情況下，ACCC導線的鋁截面積較鋼芯鋁絞線鋁截面積要大，鋁的用量要多出20%-30%，增大了導電的面積。

3) ACCC導線外層鋁線採用退火工藝鋁線，與ACSR相比，其導電率更高，傳輸容量也得到增強。

材料性能對比

碳纖維複合芯導線在外徑大致相同時，其鋁線截面積、最高工作溫度、不同溫度下的載流量均高於鋼芯鋁絞線。當高於遷移點溫度(約80度)之後，ACCC導線的彈性模量比ACSR導線要高，面熱膨脹係數則要遠低於ACSR導線。熱膨脹係數小這一特點，對於輸電線路中大跨越鐵塔的弧垂的減小是最為顯著的。

弧垂一溫升曲線對比

ACCC導線與ACSR導線的弧垂一溫升曲線對比如圖所示。

ACCC與ACSR導線弧垂-溫升曲線

從圖中可以看出，ACCC導線的溫度遷移點約為80度 , ACSR導線溫度遷移點約為120度。當溫度升高時，ACCC導線隨溫度的升高，其弧垂變化不大；而ACSR導線隨溫度的升高，其弧垂髮生巨大變化。

安裝曲線對比

分別繪製220 kV線路通過典型氣象區I區的ACCC導線與ACSR導線的安裝曲線，安裝曲線見右圖所示。

ACCC與ACSR導線安裝曲線對比圖

在導線外徑大致相同的情況下，ACCC導線的截面積、抗拉強度等參數均高於ACSR導線。這些參數對於輸電線路的輸送能力、導線及鐵塔的承受力有著重要的影響。圖中，ACCC導線與ACSR導線自上而下的安裝溫度依次為40,30,20,10,0度。在相同檔距情況下，隨著溫度的升高，兩種導線的百米檔距弧垂逐漸增大，但ACCC導線的增幅較小，且ACCC導線的最大弧垂比ACSR導線的最小弧垂都要小，這充分體現了ACCC導線弧垂小的優勢。

優點

1.強度為普通導線的2倍。普通鋼絲的抗拉強度為1240Mpa-1410Mpa，而ACCC導線的碳纖維混合固化芯棒，是前者的兩倍。

2.導電率高，節能6%。由於ACCC導線不存在鋼絲材料引起的磁損和熱效應，而且在輸送相同負荷的條件下，具有更低的運行溫度，可以減少輸電損失約6%。

3.低弧垂，降低2倍以上垂度。ACCC導線與ACSR導線相比具有顯著的低弛度特性，在高溫條件下弧垂不到鋼芯鋁絞線的1/2，能有效減少架空線的絕緣空間走廊，提高了導線運行的安全性和可靠性。

4.重量輕10-20%。碳纖維複合芯導線的比重約為鋼的1/4，在相同的外徑下,ACCC的鋁截面積為常規ACSR導線的1.29倍。ACCC導線單位長度重量比常規ACSR導線輕10-20%，顯示了ACCC導線重量輕的優點。

5、耐腐蝕，使用壽命高於普通導線的2倍。碳纖維複合材料與環境親和，同時避免了導體在通電時鋁線與鍍鋅鋼線之間的電化腐蝕問題，有效地延緩導線的老化，使用壽命高於普通導線的2倍。

6、同樣容量線路投資成本低於普通導線。由於ACCC碳纖維複合導線倍容量運行，而且抗拉強度高、弛度小、重量輕等特點，可使桿、塔之間的跨距增大，高度降低，同樣容量線路成本比普通導線低。

用途

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經熱穩定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝製成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現出很高的強度，且碳纖維比重小。

碳纖維的主要用途

與樹脂、金屬、陶瓷等基體複合，做成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂複合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維複合材料都頗具優勢。

由碳纖維和環氧樹脂結合而成的複合材料，由於其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。

最神奇的套用是採用長碳纖維製成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變為現實，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發射平台與地面固定在一起，在這樣的發射平台上發射人造衛星和太空探測器就可以大大降低發射成本。

總結碳纖維複合材料的現實套用有以下幾個方面：

（1）宇航工業 用作飛彈防熱及結構材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；衛星構架、天線、太陽能翼片底板、衛星-火箭結合部件；太空梭機頭，機翼前緣和艙門等製件；哈勃太空望遠鏡的測量構架，太陽能電池板和無線電天線。

（2）航空工業 用作主承力結構材料，如主翼、尾翼和機體；次承力構件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發動機艙、整流罩及座板等，此外還有C/C剎車片。

（3）交通運輸 用作汽車傳動軸、板簧、構架和剎車片等製件；船舶和海洋工程用作製造漁船、魚雷快艇、快艇和巡邏艇，以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及划水漿；海底電纜、潛水艇、雷達罩、深海油田的升降器和管道。

（4）運動器材 用作網球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、腳踏車、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車等。

（5）土木建築 幕牆、嵌板、間隔壁板、橋樑、架設跨度大的管線、海水和水輪結構的增強筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發熱嵌板、抗震救災用補強材料。

（6）其它工業 化工用的防腐泵、閥、槽、罐；催化劑，吸附劑和密封製品等。生體和醫療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、X光機的床板和膠捲盒。編織機用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁禁止、電極度、音響、減磨、儲能及防靜電等材料也已獲得廣泛套用。

碳纖維複合材料在電線電纜中的套用

碳纖維以其固有的特性賦予了其複合材料優異的性能，它具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹係數小等一系列優異性能，從而為其在電線電纜行業中的套用提供了可能和必然。

碳纖維加熱電纜的開發和套用：

人們早就知道，以金屬材料為發熱體的電加熱技術已在各個領域得到了廣泛的套用。但是金屬絲在高溫狀態下表面易氧化，由於氧化層不斷的增厚，造成了有效通過電流的面積減小，增大了電流的負荷，因此易燒斷。在相同的允許的電流負荷面積下，金屬絲的強度比碳纖維低6－10倍，在使用過程中易折斷。

碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結構組成，是一種全黑體材料，因此在電熱套用中，表現出來的電熱轉換效率高。在特定的條件下，高溫不氧化，單位面積的電流的負荷強度和機械強度不發生改變。

目前碳纖維加熱電纜的套用如下：

低溫輻射發熱電纜地板採暖系統。

恆溫育雛箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫採暖。

道路化雪、機場跑道化雪：用於混凝土結構中樓面加熱的理想產品，也可以用在融雪裝置中，對屋面雨水和排水管進行防霜，還可以用於土壤加熱。

管道、罐體保溫防凍：電伴熱產品近幾年在中國得到了大力的推廣和廣泛的套用。其套用領域主要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業建築等。隨著中國電力工業的發展，以清潔、無二次污染的電能為主要能源的電伴熱產品市場前景非常廣闊，同時，也為電伴熱產品的性能提出了更高的要求。

足球場草坪、公共綠地土壤保溫：太陽能熱水器電能補充加熱器，主要用於在長期陰雨天或寒冬季節，因光照不足而導致太陽能熱水器水溫不能滿足生活、工程需要時，為補充熱能而設計的。它具有較強的耐酷暑、嚴寒和高溫潮濕環境的性能，並具有防乾燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電，也不至於燒壞電加熱器和水箱，故能確保全全使用。

碳纖維複合芯導線的開發和套用：

我國是個缺電的國家，不僅發電業的發展滯後，輸電業的弊端也凸現出來，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”，各國均在研究新型架空輸電路用導線，以取代傳統的鋼芯鋁絞線，碳纖維複合芯導線由此應運而生。

與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維複合芯導線具有以下優點：

1、和同樣直徑的ACSR電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。

2、有效解決電纜下垂問題。

3、可以在更高的溫度下工作，最高可達200攝氏度。

4、線芯可以抗腐蝕，而且沒有雙金屬間腐蝕問題。

5、因為可以提供更高的載流容量，所以同時也有效的降低了工程成本。

6、與相同直徑傳統電纜相比可以多容納28%的導體。

7、高強度線芯可以有效減少電纜架的數量，或降低電纜架的高度。

8、有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全 。

除了上述提及的優點外，還可減少傳輸中電力的損耗，減少20%的塔桿，節省用地，減少有色金屬資源消耗，有助於構造安全、環保、高效節約型輸電網路。

目前世界上只有美國和日本開發出這種新型導線，他們還達成默契：不向第三國輸出，日本一家碳纖維導線企業的產量就占到世界40%左右。

目前我國電線電纜研究所、電力建築研究院以及國家電網有限公司都已經開始了對ACCC導線的試驗研究工作。國內電纜廠家也加大與外方合作，將這種新型電纜引進到中國生產，積極推動我國架空輸電線路的技術革命。最近福建電網已經將該新型導線架設運行。

碳纖維細如蛛絲，三型碳纖維比強度是鋼的62倍以上，成形工藝性好，是一代新型工程材料，其彈性量高，抗變性能力比鋼大2倍多，抗拉強度30～40t/cm2pa,而比重還不到鋼的四分之一，是鋁合金的二分之一，高彈模量比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟。因此，碳纖維可用於要求能承重、不易損傷內部元件的電纜的加強芯，如海底光纜等。

碳纖維可以耐－180℃的低溫，在此條件下，許多材料都變的很脆，連堅固的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎，而碳纖維在此條件下依舊很柔軟。因此，碳纖維複合芯可用於極寒（如南極考察研究等）條件下輸電載體的設計和製造。

碳纖維又可以耐3000℃～3500℃的高溫，在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水，但在沒有氧氣的情況下，碳纖維沒有變化。碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會炸裂，因而可在急冷急熱的環境中工作。這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業中高溫特高溫場合電纜的設計提供了可能。此外，碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用於消防電纜產品的設計選用。

碳纖維有超強的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強的是黃金和鉑，在一份硝酸（濃度70%）和三份硫酸（濃度39%）配成的稱“王水”的溶液中黃金、鉑會被腐蝕的千瘡百孔，而“王水”中的碳纖維卻安然無恙。為各種化學環境下輕型耐化學腐蝕電纜的設計提供了新的思路。

結語

碳纖維複合線導線在我國許多地區均己掛網運行，我國有多條線路在增容改造中採用了該類新型導線，並且暫無導線過熱、松股、斷線等事故發生。

目前ACCC /TW導線在國內的生產工藝及其技術仍不成熟，新型導線的價格比一般的鋼芯鋁絞線高出許多倍，導線的安裝、運行、驗收等各項規範也不完善，這些因素在不同程度上影響了碳纖維複合芯導線的大規模生產，對導線的套用也造成了阻礙。隨著我國電力行業的不斷發展，碳纖維複合芯導線存在的問題終將得到解決，導線的套用也會更加廣泛。