第40卷第2期
2019年4月150电力与能源
DOI：10.11973/dlyny201902009绞型和棒型碳纤维导线主要性能对比及问题分析
周超，赵士杰，刘衍平
(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206)
摘要：研究了两类碳纤维复合芯新型导线(棒型碳纤维复合芯导线、绞型碳纤维复合芯导线)的制造工艺、性能和结构情况等，对比了两种导线的优劣性能。结果表明：两类导线损伤多发生在紧线过程中卡线器临锚处以及压接过程中导线接续金具压接处附近，稳定结构的绞型碳纤维芯和现有配套耐张线夹难以达到默契的配合应用。最后针对上述两个问题提出了解决方案。
关键词：棒型碳纤维导线；绞型碳纤维导线；压接过程；耐张线夹
作者简介：周超(1980-)，男，博士，副教授，从事输电线路工程技术研究。
中图分类号:TU47文献标志码：A文章编号：2095-1256(2019)02-0150-04
Main Performance Comparison and Problem Analysis of Twisted and
Rod Carbon Fiber Conductors
ZHOU Chao,ZHAO Shijie,LIU Yanping
(School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University・Beijing102206,China) Abstract:This paper mainly studies the manufacturing,performance and structure of two types of carbon fiber composite core conductors(rod carbon fiber composite core conductors and stranded carbon fiber composite core conductors),and compares the advantages and disadvantages of the two conductors.The rearch concludes that the damages of the two types of conductors often occur in the process of tightening the wire at the anchorage and the crimping process,and that it is difficult to achieve a tacit cooperation between the stable structure of twisted carbon fiber core and the existing supporting strain clamp.Then solutions to the two problems are propod.
Key words:rod carbon fiber conductor；twisted carbon fiber conductor；crimping process；strain clamp
经济的高速发展对电力的需求也大幅攀升，本就满负荷工作的输电线路也越来越难以适应社会的发展。在此大背景下，需要增加输电线路的输送容量。目前采用的方法有增加新的输电线路、更换新型导线扩大送电容量和旧线路改造升级等三个重要手段。其中，最易实现、最经济的方法是更换新型导线来扩大送电容量。本文重点对绞型和棒型碳纤维复合芯导线的主要性能进行对比，并对其存在的问题提出解决方案。
1两种碳纤维导线制作及结构
1.1棒型碳纤维复合芯(ACCC)导线
以承力芯为中心轴以及一条条的单股铝线围绕中心轴承力芯，再以一定角度螺旋缠绕便构成了输电线路工程用架空输电导线。承力芯承载导线全部的重量，应具有高强度的抗拉能力、较小的密度，以减小导线弧垂量；铝单股应具有良好的导电性能。
碳纤维复合芯采用碳纤维丝增强树脂经挤压成型工艺制作而成，包括浸胶一控胶一成型固化一二次固化一切割一收卷等环节⑴。挤压工艺流程如图1所示。
碳纤维及
图1挤压工艺流程
棒型碳纤维复合芯承载着碳纤维导线的主要重量，以及导线架空作业过程中的全部张力。它以玻璃纤维包覆碳纤维成为一体而形成单根复合芯棒。碳纤维、环氧树脂具有优良的抗拉性能和较高的抗冲击能.将其拉伸后在环氧树脂中沉浸，
周超.等：绞型和棒型碳纤维导线主要性能对比及问题分析151
再经高温固化便可得到复合芯线⑷。值得注意的是，芯线外层的铝股丝一般为梯形线。类似于ACSR绞线.棒状碳纤维复合芯导线以芯棒为主要的承力件，承受导线本身的重量、应力以及风、雨、雪、霜等情况下的负载。不同形式的试验以及实际的架线作业表明.这种导线在机械和电气方面呈现出优越的性能。
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这种棒状碳纤维复合芯导线外层铝线优越的导电效率（63%IACS）可在一定程度上提高导线的送电效率以及送电容量.在众多导电材料中脱颖而出。碳纤维复合芯导线的内部结构如图2所示。
图2棒型碳纤维复合芯导线内部结构
1.2绞型碳纤维复合芯（CFCC）导线
绞型碳纤维复合芯和一般钢芯铝绞线缠绕方式类似，一般是由7,19或37股CFCC股线以一定螺旋角层层绞制而成，主要材料为碳纤维（丝）和基体树脂，再将树脂热固.最终制成绞型碳纤维复合芯，产品结构示意图见图3。
CFCC具有耐腐蚀、重量轻、柔软、热膨胀系数小、非磁性、抗拉强度大、蠕变小、弹性模量高、抗疲劳、弛度小和结构稳定性高等优点⑷。导体层（SZ型或T型）含有63%I ACS软型铝线的独特构造设计，使得导线整体截面积进一步增大，有利于导线的增容扩容。这种绞型碳纤维导线因碳纤维材料密度小的特点，整体重量下降.弧垂更小，有效保证了对地安全距离.也使得在施工作业时可适当增大档距进而减少杆塔的使用•从而极大减少了工程费用。
绞合状碳芯
图3绞型碳纤维复合芯导线内部结构
2两类碳纤维导线研发应用情况及性能对比
2.1两类碳纤维导线应用情况
碳纤维导线的研发以及试验在17世纪末就已开始。其中•棒状碳纤维导线可实现增容输电，全国已挂网运行超过12000km，技术已经日趋成熟.已完全得到普及。
目前国内针对绞型碳纤维复合芯导线实际工程应用很少.最典型的案例当属海南220kV福丰I线绞合碳纤维芯铝绞线增容改造项目。2013年7月3日，在海南电网福丰I线220kV增容改造项目中.我国第一条绞型碳纤维复合芯导线成功架空运行.此导线在海南北部尤其是海口地区有极为重要的供电任务。
2.2两类碳纤维导线性能对比
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碳纤维复合芯导线具有高导电率、大载流量、耐高温等性能，不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，在输送相同负荷时，具有更低的运行温度.可有效减少输电过程的电能损失。在相同的直径条件下，棒型碳纤维复合芯导线铝材截面为常规钢芯铝绞线导线的1.29倍，可以提高载流量29%⑷。传统的钢芯铝绞线运行温度为70°C，而碳纤维复合芯导线能在140°C下长期有效运行，最高运行温度可达180°C（在180°C条件下运行，载流量为常规导线的2倍）。
与应用已久的棒型碳纤维复合芯导线相比.绞型碳纤维复合芯导线克服了棒型碳纤维复合芯导线的柔软
性弱、结构稳定性差、易缩芯、抗压性能低以及配套金具连接复杂、昂贵等问题。
棒型碳纤维复合芯和绞合型碳纤维复合芯相比柔软性差，弯曲角度较大时更易受到损伤破坏，造成脆性断裂（标准要求棒型碳纤维复合芯的弯曲半径为55D.而其弯曲半径的测试值一般为50D）；绞型碳纤维复合芯有着与钢芯相似的柔软性.具有更好的弯曲优势（标准要求绞型碳纤维复合芯的弯曲半径为40D.而其弯曲半径的测试值一般为25D）。两种导线结构对比如图4所示。
图4绞型、棒型碳纤维复合芯导线结构对比图
绞合型碳纤维复合芯由单股碳芯绞制而成.股与股之间各为一体，可避免像棒形碳纤维复合
规矩作文152周超.等：绞型和棒型碳纤维导线主要性能对比及问题分析
芯那样当芯线发生损坏断裂后.整个承力体结构的稳定性会遭受极大破坏。股间断股过程如图5所示。
图5两种导线承力体的裂痕发展过程
绞合型碳纤维复合芯的绞线结构可更好地分散转移压力，增加其抗侧压能力，绞合型碳纤维复合芯导线接续金具的压接工艺类似于传统钢芯铝绞线，并且操作简单。只能采用特殊的楔形线夹进行安装的棒型碳纤维复合芯导线，其配套工件安装难度高.施工工艺复杂，对工人技术水平要求高⑸。
两种碳纤维复合芯导线售价差别不大，但棒型碳纤维复合芯导线施工成本比绞型碳纤维复合导线多0.2万元/km，两种导线的配套耐张金具及中间接续管价格相差非常大。具有这些优越性能和经济性的绞型碳纤维复合芯导线必将有广阔的应用前景。
3限制性要素及原因
问题一：棒状碳纤维复合芯导线可实现增容输电，全国已挂网运行超过12000km。但近年来.棒状碳纤维复合芯导线断线事故时有发生，严重危及电网安全运行。针对这些断线故障，国网运检部、基建部联合发文提出加强棒型碳纤维复合芯导线的巡视和运维管理.开展导线隐患排查治理工作。多起碳纤维导线断线故障案例表明，导线的损伤多发生在紧线过程中卡线器临锚处以及压接过程中导线接续金具
压接处附近。
问题二：绞型碳纤维复合芯导线应用典例.如海南220kV福丰I线绞型碳纤维芯铝绞线增容改造项目。在此之后，绞型碳纤维复合芯导线架空运行的案例很少，它的推广、普及应用也相对比较困难。
究其原因如下：在全新领域，经验匮乏；绞型碳纤维复合芯导线在国内才刚刚起步，其型号和试验标准以及相配套的金具尚未能统一规范，不利于招标采购，影响了它的推广应用。
4解决措施
针对问题一，解决方法有两种。预防：需对棒型碳纤维复合芯导线预先进行径向耐压试验以及拉断力试验，并在试验前进行有限元模拟分析.获得不同直径芯棒试件径向耐压试验失效压力或者确定合理的压接压力，为导线的实际施工以及架线运行提供参考依据。检测及修复：利用无损检测设备一工业CT，设置一套碳纤维复合芯导线智能移动式实时检测装置。
在横担附近将装置安装在导线上之后，通过远程控制实现设备的线上移动作业，对碳纤维复合芯导线耐张线夹及其出口20m以内的导线进行在线检测，检测数据无线传输至地面终端，自动处理和生成导线检测图像.并进行损伤智能判别。这能够在工程验收、运检过程中尽早发现隐患并智能报警.避免人员高空检测操作•提高施工过程的安全性•降低运行时断线造成的损失•为线路安全运行提供保障。
针对问题二，需对绞型碳纤维复合芯导线的配套耐张接续金具进行创新性研究。鉴于绞型碳纤维复合芯导线独特的线芯结构，结合原有适用于棒型碳纤维复合芯导线的楔型耐张线夹，在其基础上对外压接管、楔形线夹、楔形座以及钢锚作出了几点结构上的创新研究.设计出和绞型碳纤维复合芯导线相配套的耐张接续金具。基于楔形线夹的绞型碳纤维复合芯导线耐张线夹如图6所示。
图6基于楔型线夹的绞型碳纤维复合芯导线耐张线夹
为使耐张线夹和绞型碳纤维复合芯导线的配合相得益彰，各个零件进行如下设计。
(1)新型楔形座和新型钢锚的配合如图7所示。这种新型楔形座将2/3的外表面设计成带有一定角度的锥形面，并设计有卡槽；这种新型钢锚内表面同样设计成与这种新型楔形座相配合的锥
周超.等：绞型和棒型碳纤维导线主要性能对比及问题分析153
形面，并且两者以配合螺纹相匹配连接，新型钢锚向前拧紧便可将新型楔形夹紧紧固定。
图7新型楔形座和新型钢锚的配合
(2)新型楔形座和碳芯保护装置的配合如图8所示。这种新型楔形座内表面设计成带有一定角度的锥形面，而这种碳芯保护装置整体一分为二，外表面同样设计成与新型楔形座内表面配套的锥形面，同时碳芯保护装置的大端面和新型楔形座的卡槽处顶紧配合，使得保护装置小端面刚好露出新型楔形座一定长度(一般为5mm)，以达到安装工艺要求。
图8新型楔形座和碳芯保护装置的配合
(3)独特的绞型碳芯保护装置如图9所示。碳芯保护装置整体一分为二，上部分的斜面和水平面呈120°，内表面设计成梅花状缠绕结构，与绞合状的碳芯表面相吻合，并且在水平切面均匀设有三组凸起结构、凹下结构，便于此装置上下配合成为一个整体；材料为软铝。新型楔形夹在与这种保护装置配合时向前拧动，便可将保护装置逐渐夹紧。
这些设计依靠相互吻合的配合，并且设计有配合螺纹的内、外锥形面使得绞型碳芯被夹紧，从而省去了施工过程对绞型碳芯的压接过程，减少了劳动量。图8中的卡槽配合可精准地使保护装置小端面露
出新型楔形座的长度达到工艺要求。这些设计可为绞型碳纤维复合芯导线配套耐张线夹的研发提供一种新的设计方法和思路。
5结语
与棒型碳纤维复合芯软铝绞线相比，绞型碳纤维复合芯导线克服了棒型碳纤维复合芯软铝绞线的柔软性弱(即弯曲半径大)、结构稳定性差、易缩芯、抗压性能低以及配套金具连接复杂、昂贵等问题。
多起棒型碳纤维复合芯导线断线故障案例表明：导线的损伤多发生在紧线过程中卡线器临锚处以及压接过程中导线接续金具压接附近；绞型碳纤维复合芯导线在国内才刚刚起步•配套耐张线夹不能与这种新结构、新材料导线实现默契的配合应用。针对这两种碳芯结构导线的问题分别提出了两种解决思路，并且针对绞型碳纤维复合芯导线配套耐张线夹提出了具体的设计方案。
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收稿日期:2018-12-12
(本文编辑：
赵艳粉)
