從2005年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)始了碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線的研究工作。主要包括：遠(yuǎn)東電纜有限公司、中國(guó)電力科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)電科院)、航天四院43所、遼寧省電力公司與哈玻院、華北電力科學(xué)研究院和河北硅谷化工有限公司等。

國(guó)內(nèi)多家科研單位的研究成果進(jìn)入了掛網(wǎng)試運(yùn)行的階段。2009年1月華北電力科學(xué)研究院和河北硅谷化工有限公司合作開(kāi)發(fā)的300/50在500kV萬(wàn)順Ⅲ線470-473號(hào)段掛網(wǎng)運(yùn)行。2009年11月浙江省金華電力局將中國(guó)電科院研制的JLRX/T/TW-430/60碳纖維復(fù)合芯 梯形軟鋁導(dǎo)線和配套金具安裝在220kV金仙線7+1～8#檔掛網(wǎng)運(yùn)行。

[5]目前商業(yè)化運(yùn)行最多的是遠(yuǎn)東電纜有限公司開(kāi)發(fā)的碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線，自2006年6月第一條碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線開(kāi)始在福建省220kV線路工程中使用算起，至2009年底已有41條使用該種導(dǎo)線的線路(電站)投運(yùn)，還有8條線路正在施工或馬上開(kāi)工。在這49條線路(電站)當(dāng)中，主要以增容改造或擴(kuò)建為主，電壓等級(jí)有110kV和220kV兩種，單線總長(zhǎng)度為1812km。

綜上所述，可見(jiàn)具備研制碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線能力的只有美國(guó)、日本和中國(guó);碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線在國(guó)外應(yīng)用的線路數(shù)量和單線公里數(shù)都遠(yuǎn)少于在中國(guó)的應(yīng)用數(shù)量。

3 碳纖維芯導(dǎo)線的分類(lèi)及應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注的參數(shù)

3.1 碳纖維芯導(dǎo)線的分類(lèi)

目前已研制出來(lái)的碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線的種類(lèi)很多，可以按以下三種方式分類(lèi)。按碳纖維復(fù)合材料芯的形狀可以分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是多股碳纖維復(fù)合材料芯絞合而成，如圖2-1所示;第二類(lèi)是單股芯棒，如圖2-2所示;按導(dǎo)體材料可分為三類(lèi)，第一類(lèi)是硬鋁，第二類(lèi)是軟鋁，第三類(lèi)是耐熱鋁合金;按導(dǎo)體的形狀可分為兩類(lèi)，第一類(lèi)為圓線，第二類(lèi)為型線。

3.2 應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注的參數(shù)

       碳纖維復(fù)合材料芯是導(dǎo)線的重要原材料，某些性能通過(guò)控制特定參數(shù)方可達(dá)標(biāo)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐及理論分析后，筆者認(rèn)為碳纖維復(fù)合材料芯應(yīng)符合但不限于以下的規(guī)定。

3.2.1 表面質(zhì)量

碳纖維復(fù)合材料芯應(yīng)圓整、光潔、無(wú)裂紋，無(wú)纖維裸露等與良好工業(yè)商品不一致的缺陷。

3.2.2 抗拉強(qiáng)度

碳纖維復(fù)合材料芯的抗拉強(qiáng)度應(yīng)符合表3-1的規(guī)定。根據(jù)抗拉強(qiáng)度計(jì)算碳纖維復(fù)合材料芯拉斷力時(shí)，應(yīng)使用碳纖維復(fù)合材料芯的實(shí)測(cè)直徑。

表3-1 碳纖維復(fù)合材料芯的抗拉強(qiáng)度

3.2.3 斷裂伸長(zhǎng)率

碳纖維復(fù)合材料芯在標(biāo)距為2000mm時(shí)，拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)率應(yīng)不小于1.5%。

3.2.4 直徑和直徑偏差

碳纖維復(fù)合材料芯直徑偏差、不圓度應(yīng)符合表3-2的規(guī)定。

表3-2 碳纖維復(fù)合材料芯直徑偏差和不圓度

3.2.5 線膨脹系數(shù)和彈性模量

纖維復(fù)合材料芯的線膨脹系數(shù)和彈性模量應(yīng)符合表3-3的規(guī)定。

表3-3 碳纖維復(fù)合材料芯的線膨脹系數(shù)和彈性模量

3.2.6密度

計(jì)算標(biāo)稱(chēng)重量，碳纖維復(fù)合材料芯的密度≤2.00 g/cm3。

3.2.7 接頭

碳纖維復(fù)合材料芯不允許有接頭。

3.2.8 環(huán)境性能

3.2.8.1 高溫性能

碳纖維復(fù)合材料芯在180℃的高溫環(huán)境下靜置3小時(shí)后，其抗拉強(qiáng)度損失率應(yīng)不大于常溫時(shí)抗拉強(qiáng)度的10%。

3.2.8.2低溫性能

碳纖維復(fù)合材料芯在-40℃的低溫環(huán)境下靜置3小時(shí)后，其沖擊強(qiáng)度的損失率應(yīng)不大于常溫時(shí)沖擊強(qiáng)度的10%。

3.2.8.3抗紫外線

GB/T 14522-2008，《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗(yàn)方法　熒光紫外燈》，碳纖維復(fù)合材料芯應(yīng)通過(guò)波長(zhǎng)小于400nm的熒光紫外燈，輻照度為1.55W/m2*nm暴露1000h后，其表面不發(fā)黏、無(wú)起皮和龜裂現(xiàn)象，且抗拉強(qiáng)度不低于表3-1所列最小抗拉強(qiáng)度。

3.2.8.4耐腐蝕性能

碳纖維復(fù)合材料芯在室溫下應(yīng)能分別通過(guò)3%硫酸或3%氯化鈉溶液中浸泡至少100小時(shí)，其表面應(yīng)光潔無(wú)可見(jiàn)腐蝕現(xiàn)象。

3.2. 8.5 濕熱老化

碳纖維復(fù)合材料芯應(yīng)在150℃環(huán)境中置放1h，然后室溫水噴淋冷卻1h，如此反復(fù)循環(huán)100次試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度不低于表3-1所列最小抗拉強(qiáng)度。

3.2.9 卷繞性能

碳纖維復(fù)合材料芯應(yīng)在60倍自身直徑的筒體上以不大于5r/min的卷繞速度卷繞2圈試驗(yàn)，其表層不開(kāi)裂、不起皮;其抗拉強(qiáng)度不低于表3-1所列最小抗拉強(qiáng)度。

3.2.10 扭轉(zhuǎn)性能

碳纖維復(fù)合材料芯應(yīng)以200倍自身直徑的長(zhǎng)度試樣以不大于2r/min的扭轉(zhuǎn)速度扭轉(zhuǎn)720°試驗(yàn)，其表層不開(kāi)裂，其抗拉強(qiáng)度不低于表3-1所列最小抗拉強(qiáng)度。

3.2.11 側(cè)壓性能

碳纖維復(fù)合材料芯至少應(yīng)能承受自身額定拉斷力的25%大小的壓力平穩(wěn)加載接觸長(zhǎng)度為100mm芯棒上受壓試驗(yàn)，其表層不開(kāi)裂、不脫皮。

3.2.12玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料芯棒玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg應(yīng)不小于180℃。

3.2.13 熱老化壽命

碳纖維復(fù)合材料芯的熱壽命評(píng)定，選取180℃、195℃、210℃三點(diǎn)老化溫度，以抗拉強(qiáng)度的70%作為壽命終止參數(shù)，其最低熱老化溫度點(diǎn)應(yīng)不短于5000h，最高溫度點(diǎn)應(yīng)不短于100h(如果可能應(yīng)小于500h)。

3.2.14長(zhǎng)期耐熱性能

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料芯棒應(yīng)在150℃的溫度下靜置400小時(shí)后，其抗拉強(qiáng)度與常溫時(shí)抗拉強(qiáng)度相比的損失率不大于5%。

4 220kV改造線路應(yīng)用分析

在我國(guó)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，東部沿海地區(qū)的用電負(fù)荷激增，增容改造的需求比較大，由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的約束，選擇在舊有線路改造的比重較大，在原有桿塔上通過(guò)將原有導(dǎo)線更換為碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線而達(dá)到倍容的例子很多。這樣的改造線路若按電壓等級(jí)來(lái)劃分，220kV線路所占比重最大。[4]

若想達(dá)到改造后倍容的目的，可以有兩種方案：一是采用推倒重建(換塔換線)的方式，二是采用不換塔只換線的方式，下面對(duì)這兩種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

4.1 線路模型

實(shí)際的線路工程十分復(fù)雜，為了對(duì)比方便，建立了一個(gè)線路模型，對(duì)比采用鋼芯鋁絞線與碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

電壓等級(jí)：220kV ，單回，線路長(zhǎng)度為20km。

以福建某改造工程為例,根據(jù)原有線路的設(shè)計(jì)氣象條件與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，改造工程設(shè)計(jì)氣象條件仍取原有線路在此段的設(shè)計(jì)氣象條件，其氣象條件組合見(jiàn)表4-1。

表4-1 氣象條件

4.2容量對(duì)比

原有線路的導(dǎo)線為2×LGJ-400/35，若想達(dá)到倍容的目標(biāo)，若推倒重建則可選擇的導(dǎo)線為4×LGJ-400/35。

若不換塔只換線則可選擇的導(dǎo)線為2×JRLX/T2-415/50，兩種導(dǎo)線的主要參數(shù)見(jiàn)下表。

表4-2 導(dǎo)線參數(shù)對(duì)比

改造前后輸送容量的詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。

表4-3 改造前后輸送容量對(duì)比

4.3導(dǎo)線機(jī)械性能對(duì)比

對(duì)這兩種導(dǎo)線方案的機(jī)械性能進(jìn)行對(duì)比，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。

表4-4 導(dǎo)線參數(shù)對(duì)比

通過(guò)上述比較，可知在滿足鐵塔受力情況下，由于碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線重量較輕、拉重比大，在滿足系統(tǒng)輸送容量要求時(shí)(約120℃)，弧垂可滿足現(xiàn)有鐵塔高度要求，不用更換鐵塔。