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碳纤维复合材料芯导线 在新建与改造线路应用技术经济分析 [ 摘要 ] 碳纤维复合材料芯导线的出现为线路增容和减少输电走廊等问题 的解决提供了一种途径。本文分析了其优点并调研了其在国内外的科研、应 用情况。本文结合我国 220kV 改造线路和 500kV 新建线路的典型参数，计算 分析了应用碳纤维复合材料芯导线的技术经济性，从结果可见碳纤维复合材 料芯导线的应用从技术上讲是可行的，从经济上讲是合理的。 [ 关键词 ] 碳纤维复合材料芯导线， 500kV 新建线路， 220kV 改造线路， 技术经济比较； 1. 前言 随着我国经济的快速发展，电力需求不断增长，电力负荷不断增加。在 土地资源日益稀缺、用电需求持续增长的情况下，如何使输电走廊尽可能少 地占用土地资源，又能提高电网的输电能力，已经成为日益重要、亟待解决 的难题，提高新建线路的单位输送容量和实施现有线路的扩容改造是两条有 效的途径。 相比于同规格的钢芯铝绞线，碳纤维复合材料芯导线具有质量轻、抗拉 强度大、线膨胀系数小、弧垂小、载流量大、耐高温、耐腐蚀等特点。 [1] 碳 纤维复合材料芯导线的共同特点是芯主要由碳纤维和热硬化性树脂构成。碳 纤维是由含碳量较高且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特种纤维。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，同时沿纤维轴方向 表现出很高的强度，具有很高的比强度。碳纤维增强环氧树脂复合材料比重 小、刚性好、强度高，其比强度、比模量等综合指标在现有结构材料中是最 高的，能够满足输电导线在强度、刚度、重量、疲劳特性等方面的严格要求。 [2] 碳纤维复合材料芯导线技术的工程应用推广，符合国家电网公司推动“两 型三新”线路建设的精神，不仅对于提高输电线路的输送容量和电网的安全 可靠性，以及降低架空输配电工程总造价具有非常重要的意义 ; 还将促进新技 术、新工艺、新材料的研究 ; 也势必推动国内相关产业的技术升级与进步。 碳纤维复合材料芯导线能否在新建线路和扩容改造工程中应用，不仅要 在技术上可行还要在经济上合理，因此要结合具体的工程进行技术经济比较。 2 国内外研究和应用现状 2.1 日本的概况 20 世纪 90 年代， 日本昭和电线电缆株式会社、 东京制纲株式会社和东北 电力株式会社共同开发了一种称为 ACFR(碳纤维芯铝绞线 ) 的低驰度导线，主 要用于解决既有架空输电线路导线弧垂过大、对地净距不足的问题。其基本 思想是用相同直径的碳纤维复合材料 (Carbon Fiber Reinforced Polymer ， CFRP)代替一般钢芯铝绞线 (ACSR)中的钢芯，结构和外观如图 2-1 所示。复合 材料芯的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，断裂时的伸长量比钢绞线小，约为 1.6%。 耐热性基本与 ACSR相同。ACFR在提高导线强度、 降低导线重量和驰度方面具 有突出的优点，其迁移点温度约为 70℃，运行温度达 150℃，重量比相同直 径的 ACSR导线轻 30%。当导电体采用耐热铝时，可以得到耐热性能更好的 TACFR导线，在降低导线驰度的同时，提高导线的载流量 [3] 。ACFR是 ACSR 一对一的材料替换，导线外形、结构构造形式和尺寸与传统导线完全一样。 日本的 ACFR已在日本东北电力公司宫城支店的 66kV 输电线路