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ACCC碳纤维复合芯导线
ACCC碳纤维复合导线是目前全世界电力输变电系统理想的取代传统的钢芯铝铰导线、铝包钢导线、铝合金导线及进口殷刚导线的新产品，ACCC碳纤维复合导线与传统导线相比具有重量轻、强度大、低线损、弛度小、耐高温、耐腐蚀、与环境亲和等优点，实现了电力传输的节能、环保与安全。
ACCC碳纤维复合芯导线系列主要优点是：
1.强度为普通导线的2倍。普通钢丝的抗拉强度为1240Mpa-1410Mpa，而ACCC导线的碳纤维混合固化芯棒，是前者的两倍。
2.导电率高，节能6%。由于ACCC导线不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，而且在输送相同负荷的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电损失约6%。
3.低弧垂，降低2倍以上垂度。ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低弛度特性，在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的1/2，能有效减少架空线的绝缘空间走廊，提高了导线运行的安全性和可靠性。
4.重量轻10-20%。碳纤维复合芯导线的比重约为钢的1/4，在相同的外径下,ACCC的铝截面积为常规ACSR导线的1.29倍。ACCC导线单位长度重量比常规ACSR导线轻10-20%，显示了ACCC导线重量轻的优点。
5、耐腐蚀，使用寿命高于普通导线的2倍。碳纤维复合材料与环境亲和，同时避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，有效地延缓导线的老化，使用寿命高于普通导线的2倍。
6、同样容量线路投资成本低于普通导线。由于ACCC碳纤维复合导线倍容量运行，而且抗拉强度高、弛度小、重量轻等特点，可使杆、塔之间的跨距增大，高度降低，同样容量线路成本比普通导线低。
7、节约一半铝材的消耗。按每年电力电路200万吨铝用量计算，能节约铝材近100万吨。从保护环境、改善人类生态环境方面来说，具有划时代的意义
碳纤维复合材料的应用及其在电线电缆中的发展建议
星期一 2007年1月15日 0:00:00 来源：中国电线电缆网
一、碳纤维复合材料的发展和战略地位
碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。
我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。
二、碳纤维复合材料的性能和用途
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。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、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。
1、碳纤维的化学性能
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25％左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。
2、碳纤维的物理性能
（a）热学性质
碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化。（b）导热性质
碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美。
（c）电学性质
碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。
3、碳纤维的主要用途
与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。
最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。
总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面：
（1）宇航工业 用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。
（2）航空工业 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。
（3）交通运输 用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件；船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。
（4）运动器材 用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。
（5）土木建筑 幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。
（6）其它工业 化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂，吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。
三、碳纤维复合材料在电线电缆中的应用
碳纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能和必然。
（一）碳纤维加热电缆的开发和应用
人们早就知道，以金属材料为发热体的电加热技术已在各个领域得到了广泛的应用。但是金属丝在高温状态下表面易氧化，由于氧化层不断的增厚，造成了有效通过电流的面积减小，增大了电流的负荷，因此易烧断。在相同的允许的电流负荷面积下，金属丝的强度比碳纤维低6－10倍，在使用过程中易折断。
碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成，是一种全黑体材料，因此在电热应用中，表现出来的电热转换效率高。在特定的条件下，高温不氧化，单位面积的电流的负荷强度和机械强度不发生改变。
目前碳纤维加热电缆的应用如下： 低温辐射发热电缆地板采暖系统。
恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温采暖。
道路化雪、机场跑道化雪：用于混凝土结构中楼面加热的理想产品，也可以用在融雪装置中，对屋面雨水和排水管进行防霜，还可以用于土壤加热。
管道、罐体保温防冻：电伴热产品近几年在中国得到了大力的推广和广泛的应用。其应用领域主要集中在石油、化工、电力、铁路和民用或商业建筑等。随着中国电力工业的发展，以清洁、无二次污染的电能为主要能源的电伴热产品市场前景非常广阔，同时，也为电伴热产品的性能提出了更高的要求。
足球场草坪、公共绿地土壤保温：太阳能热水器电能补充加热器，主要用于在长期阴雨天或寒冬季节，因光照不足而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需要时，为补充热能而设计的。它具有较强的耐酷暑、严寒和高温潮湿环境的性能，并具有防干烧的功能。即使偶尔水箱缺水误通电，也不至于烧坏电加热器和水箱，故能确保安全使用。
（二）碳纤维复合芯导线的开发和应用
我国是个缺电的国家，不仅发电业的发展滞后，输电业的弊端也凸现出来，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”，各国均在研究新型架空输电路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线，碳纤维复合芯导线由此应运而生。
与钢芯铝绞线相比，碳纤维复合芯导线具有以下优点：
１、和同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量。２、有效解决电缆下垂问题。
３、可以在更高的温度下工作，最高可达200摄氏度。４、线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题。
５、因为可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程成本。６、与相同直径传统电缆相比可以多容纳28%的导体。
７、高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度。８、有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全。
除了上述提及的优点外，还可减少传输中电力的损耗，减少20%的塔杆，节省用地，减少有色金属资源消耗，有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。
目前世界上只有美国和日本开发出这种新型导线，他们还达成默契：不向第三国输出，日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右。
目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。国内电缆厂家也加大与外方合作，将这种新型电缆引进到中国生产，积极推动我国架空输电线路的技术革命。最近福建电网已经将该新型导线架设运行。
（三）在高低温、腐蚀等苛刻环境应用的可能
碳纤维细如蛛丝，三型碳纤维比强度是钢的62倍以上，成形工艺性好，是一代新型工程材料，其弹性量高，抗变性能力比钢大2倍多，抗拉强度30～40t/cm2pa,而比重还不到钢的四分之一，是铝合金的二分之一，高弹模量比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。且碳纤维比钢等柔软。因此，碳纤维可用于要求能承重、不易损伤内部元件的电缆的加强芯，如海底光缆等。
碳纤维可以耐－180℃的低温，在此条件下，许多材料都变的很脆，连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎，而碳纤维在此条件下依旧很柔软。因此，碳纤维复合芯可用于极寒（如南极考察研究等）条件下输电载体的设计和制造。
碳纤维又可以耐3000℃～3500℃的高温，在此高温下最好的耐热钢也变成钢水，但在没有氧气的情况下，碳纤维没有变化。碳纤维即使从3000℃的高温快速冷却到室温也不会炸裂，因而可在急冷急热的环境中工作。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场合电缆的设计提供了可能。此外，碳纤维纱、碳纤维绳、碳纤维布都可用于消防电缆产品的设计选用。
碳纤维有超强的耐腐蚀性。金属中耐腐蚀性最强的是黄金和铂，在一份硝酸（浓度70％）和三份硫酸（浓度39％）配成的称“王水”的溶液中黄金、铂会被腐蚀的千疮百孔，而“王水”中的碳纤维却安然无恙。为各种化学环境下轻型耐化学腐蚀电缆的设计提供了新的思路。
四、发展建议
碳纤维材料的产业化是实现碳纤维导线在国内输电行业的产业化的前提和保证。碳纤维材料价格则是制约产业化应用的关键。
我国从八十年代初期开始起步，加大了对碳纤维材料的研究和开发力度，并也着力于碳纤维材料产业化基地的建设，但由于国外设备、技术封锁，至今未见重大突破，产品质量不稳定性，预计今后每年至少一万吨的缺口。
２０００年前碳纤维材料的价格水平为５万美圆／吨左右，比铝的价格要高２０倍多。但是近两年，由于国际政治形势和军事格局的变化，碳纤维材料价格受其影响，大幅度上升。这无疑都将对我国现代化的建设成本形成巨大的压力和负担。最近，我国福建电网从美国复合材料工程公司（CTC）购置了60公里ACCC导线（铝导体复合芯架空导线）应用在福建省厦门和福州电网中，其价格水平为１５万元人民币／公里。这比我们一直使用的钢芯铝绞线的价格要高几倍。
各科研院所应进一步加大碳纤维材料的基础应用研究和开发，建立我国自主知识产权，实现碳纤维材料的质量稳定，降低成本。同时要采用国家投入和民间投入相结合的方式，加大碳纤维在航天和军工以外的民品应用，有助于碳纤维产业的健康持续发展。
最近，我国国内碳纤维产业发展面临重大机遇。辽宁圣华科技有限公司落户抚顺经济开发区后，可以把现有抚顺部分企业培育成碳纤维及复合材料的龙头企业，发挥其带动和辐射功能，把抚顺建设成为全国碳纤维研发基地和产业基地。
目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。希望国内同行积极研究和开发，为加快碳纤维复合材料在我国线缆行业应用和产业化发展共同努力。
江苏亨通电力电缆有限公司 副总工程师 王永忠
新型材料的输电技术
星期一 2007年1月15日 0:00:00 来源：中国电线电缆网
随着电源容量、用电需求的迅速增长以及资源能源的日益紧张和环境保护的限制不断加大，需要新建线路或改造已有线路，进一步提高电网的输电能力，尤其在经济发达地区，这个问题就更加突出。低损耗、环保型、节约型、大容量的新型材料输电技术随着科学技术、材料技术、制造水平以及工艺水平的不断提高，将发挥越来越重要的作用。
一、新型导线技术： 1． 全铝合金导线
目前在西欧、北欧、北美、日本、南亚等国家，铝合金导线作为架空输电线路已广泛应用，但我国目前应用量还不到1％。全铝合金导线与目前普通采用的钢芯铝绞线（ACSR）相比，具有弧垂特性高、耐腐蚀、表面耐损伤、伸长率大、线损小以及抗蠕变性能好等优点。2． 耐热铝合金导线
上世纪60年代日本研制了耐热铝合金导线，其连续运行温度及短时允许温度比常规ACSR要提高60℃，分别为150℃和180℃，从而大大提高了输电能力。耐热铝合金是由EC级铝、少量锆和其他元素组成，具有较高的重结晶温度，所以耐热铝合金连续工作温度可达150℃，载流量可提高1.4～1.6倍。同时加锆对改善导线的耐软化性和耐蠕变性有显著的效果。为减少电腐蚀，钢芯采用铝包钢。
3． 倍容量导线
倍容量导线也叫超耐热铝合金导线。该导线除具有耐热铝合金导线的优点外，最大的特点为导线允许温度可达230℃，载流量提高约2倍；导线钢芯采用铝包INVAR线，显著地限制了导线弧垂。倍容量导线的线径、质量、张力、弧垂等特性与常用的ACSR基本相同，所以线路改造时，原有杆塔、基础可完全利用。4． 新型复合材料合成芯导线
随着材料技术的不断进步，20世纪末人们尝试用有机复合材料代替金属材料制作导线的芯材，开发出了新型复合材料合成芯导线。这种导线充分发挥了有机复合材料的特点，与目前各种架空导线相比，具有重量轻、强度高、热稳定性好、驰度低、载流量大、耐腐蚀的特点，从节能、节地、节材、环保、提高输电能力等方面看，具有很好的应用前景，特别适用于老线路的改造。
20世纪90年代日本开发了复合材料合成芯导线，产品分为碳纤维芯铝绞线（ACFR）和耐热碳纤维芯耐热铝合金绞线（TACFR）两种，前者在实际线路试验了4年多。复合材料芯线主要由碳纤维和热硬化性树脂构成。用12000根直径为7μ的PAN系碳纤维涂上未硬化的热硬化性树脂绞在一起，在缠上有机纤维形成一根股线，然后用7根股线绞成合成绞线。再经过最后的热处理使树脂完全硬化，最后形成复合材料芯线。复合材料芯线质量是常规钢芯的约1/5，线膨胀系数约为1/12。试验证明，这种新型复合材料芯导线的抗拉强度远远超过了ACSR，在常温下的应力——伸长特性呈现弹性体，没有塑性变性，破断时的伸长量比钢绞线小，约为1.6％。耐热性基本与ACSR相同。
美国新型复合材料合成芯导线开发研究较为成功的是CTC公司，2003年该公司又推出了型号为ACCC的复合材料合成芯导线——碳纤维复合芯铝绞线。它的芯线是由碳纤维为中
字体：大 中 小 心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，碳纤维采用聚酰胺耐火处理、碳化而成；高强度、高韧性配方的环氧树脂具有很强的耐冲击性、耐抗拉应力和弯曲应力。将碳纤维与玻璃纤维进行预拉伸后，在环氧树脂浸渍，然后在高温模子中固化成型为复合材料芯线。芯线外层与邻外层为梯形截面铝线股。导线已完成常规的型式试验，具有良好的机械特性和电气特性。于2004年8月在德克萨斯州的实际线路上安装了3.22km，开始为期2年多的各种现场试验。
ACCC复合材料合成芯导线的特点是：
1.强度大。ACCC导线的抗拉强度为2399Mpa，是一般钢丝抗拉强度的1.97倍，是高强度钢丝的1.7倍。试验证明其破断力比常规ACSR提高了30％。
2.导电率高，载流量大。由于复合材料不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，而且输送相同电力的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电线损6％左右。另外，相同直径时ACCC导线的铝材截面积为常规ACSR的1.29倍。因此可以提高载流量29%。在180℃条件下运行，其载流量理论上为常规ACSR的两倍。
3.线膨胀系数小，驰度小。ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低驰度特性，在相同的试验条件下，温度从26.1℃上升到183℃时，常规ACSR导线的驰度从236mm增加到1422mm，提高了5倍；而ACCC导线的驰度仅从198mm增加到312mm，提高仅0.57倍，其驰度变化量仅为常规ACSR的9.6％，在高温下弧垂不到ACSR的1/10。4.重量轻。复合材料的密度约为钢的1/4。单位长度总量约为常规ACSR的70～80％。5.耐腐蚀、使用寿命长。碳纤维复合材料与环境亲和，而且又避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，较好地解决铝导线长期运行的老化问题。
二、复合材料电力杆塔技术：
复合材料电力杆塔所采用的聚氨酯基树脂，与其他种类树脂体系相比较，具有方便加工、安全环保、成本低廉等显著优点。复合材料电力杆塔的主要特点是：
1、环境影响小，且外形颜色可与环境相协调；
2、强度重量比大、重量轻；
3、耐化学腐蚀、耐磨、防水、阻燃耐火（持续温度低于316℃），能够防止昆虫、鸟类和其他小动物损坏；
4、绝缘性能好，有效降低绝缘设计水平；
5、采用模段空心结构，存储空间小，单位运输成本低；
6、安装与运输方便。安装后不需维护，使用寿命长达80年。
采用复合材料电力杆塔可以减少每个绝缘子串中绝缘子的用量；绝缘子串可以离结构更近；可以减少相线与相线的间距；在满足屏蔽相导线免于遭雷击的设计条件下，避雷线的高度可以降低，从而使杆塔结构设计的更加紧凑。
由于复合材料电力杆塔 好的电气“绝缘”特性，在污闪、冰闪、舞动、风偏以及雷击等电力事故频繁发生的地区，有很好的应用前景，尤其在超高压、特高压输电中，使用复合电力杆塔可以显著降低对绝缘水平的要求。
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