选用先进的环氧材料生产碳纤维复合增容导线.doc

选用先进环氧材料生产的碳纤维复合电缆芯供电力传输和配电使用摘要：利用传统的钢芯铝狡线（ACSR）从发电厂向最终用户输电时，其容量会受到限制，容量限制取决于用 来承载导体的电缆钢芯的重量、强度和热膨胀系数，以拉挤技术生产的碳纤维增强环氧复合材料电缆芯具有重 量轻、强度高的特点一最重要的是它在高温下的热膨胀系数较低，从而使传输电缆可在较高温度下工作，而 且弛度更小与传统的钢芯传输电缆相比，相同截面的导体传输的电流容量可提高28乱要承载220 kV的电压，电缆需要耐受160° C的工作温度；而承载550 kV的电压时，电缆的工作温度就要提高 到230° C由于复合材料电缆芯要承受如此之高的工作温度，所以为其选择合适的树脂系统就变得至关重要一般来说，通过选择适合的固化剂与普通的双份A液态树脂混合，玻璃化转变温度（Tg）可达到160C,却无 法达到230C；要使其玻璃化转变温度达到230C,就必须使用特殊的环氧树脂——多功能环氧树脂，它是实 现上述玻璃化转变温度的解决方案之一本文中我们介绍了美国亨斯迈公司的多功能环氧树脂、固化剂和催化 剂的组合，它们可以通过拉挤加工工艺，生产出满足上述严格温度要求的复合材料电缆芯。

本文还讨论了这些 树脂系统在不同温度下的机械特性关键词：复合材料电缆芯；拉挤技术；钢芯铝较线（ACSR）1引言随着近年来对电力需求的人幅度增长，输电能力不能跟上生产和消费的增长速度这种形势造成电网在某些时段超负荷运行由于夏季居民用电需求的猛烈增加，这个问题 变得更加糟糕电阻损耗和高温天气使得高架电缆产生热膨胀，从而发生电缆下垂这种下垂 会成为安全隐患，因为高架电缆下垂的高度超过安全高度，触及树梢，可能造成短路和停电 以往，为避免这种停电的解决办法是降低输电电流，使电缆保持较低温度，以此来减少电缆下 垂的程度但是这个办法也降低了要输送的电流输电的另一个问题是超长距离的线路输电产生的电阻损耗我们知道，电阻损耗是和电流 载体的电缆长度成正比输电线路可能经过山谷、河流和湖泊由于受到输电铁塔塔距（即 350米）的限制，必须采用，之,字形线路以避开这种地形，这样就人人增加了从电站到用户之 间的输电距离在美国，由于采用超长线路，这种损耗估计占总电能损耗的I5%使用下垂程 度较小的电缆，就可以减少电阻损耗为了提高输电能力，可以架设新输电线路，也可以提升现有线路以捉高输电效率在某些情况 下，采用第一种方法较为困难，因为这需要经过州议会的批粧。

路权、健康和安全考量往往是 阻碍新线路架设的主要问题相比而言，提升现有线路的输电效率成为一个更可行的方案，因 为新的高架输电电缆仍是架在原有的铁塔上这种解决方案可以避开路权和征地问题，因此成 本更低2复合材料缆芯输电/配电电缆无论采用哪种方案，新线路一定要更有效率，能够承载更高安培容量为了达到这个效 率，必须采用复合材料技术传统输电电缆为钢芯铝线（ACSR）,由起支撐线路作用的圆形 钢芯和输送电流的铝导线组成ACSR有两个缺点：重量重和耐温性低如果采川复合材料技 术，这两个缺点就可以克服一种新研发的输电电缆使用了碳纤维复合材料，用复合材料缆芯 和梯形铝线组成，称为复合材料缆芯铝线（ACCC）这种ACCC设计是美国CTC公司（注释 I）的专利技术梯形铝线设计消除了线间空隙，使得铝线截面积增28%o这种电缆比相同外径 的ACSR可以承载更大安培容量（注释2, 3）不仅如此，复合材料缆芯的密度比ACSR钢 芯密度低很多缆芯节省的重暈可以让承载电流的铝线横截面积增人，反过来进一步提到了电 缆的安培容量使用碳纤维环氧树脂复合材料的另一个优点，是这种纤维具有负热膨胀性能材料的热膨 胀可以从其热膨胀系数（CTE）来判定。

CTE越高，材料在高温下膨胀得越厉害ACCC中由玻 璃与碳环氧树脂复合材料组成的混合缆芯的热膨胀系数只有传统ACSR中钢芯的六分之一（注 释5）以ACCC电缆代替传统ACSR电缆后出现的这种明显差别，有助于减轻电缆的下•垂现 彖应该指出，这里更低的CTE性质是指比这种复合材料缆芯中使用的环氧慕树脂玻璃化更 低的温度下的CTE性质利川了这种复合材料缆芯的低CTE件质，缆芯的环氧树脂体系的玻璃 化温度必须尽可能高，这样电缆就可以在高温下运行，从而承载更高的电流总而言之，ACCC复合材料缆芯比起ACSR钢芯所具有的优点是重量更轻，CTE更低 耐热性高，刚性高和不锈蚀，传递给电缆后获得重暈低、高安培容暈、低下垂度、更高的运行 温度、更高的输电电丿玉和更少维护等优点ACCC的缺点是复合材料的生产成本更高4.热固树脂体系的选择六十多年来，环氧材料广泛用在了重型电力设备上环氧材料可以用来制造热固树脂体 系，以提供以下性能：・易加工性具有不同加工窗口的热固树脂体系可以用来制造不同组合的树脂、硬化剂与催化 剂•良好的粘附性・良好的渗透阻隔性和抗腐蚀性・良好的耐热性能多年来一肖•要求某些重型电力设备具有耐热性，展示其长期抗老化特性。

现在提供有不同的树脂体系来满足终端用户的要求，比如符合IEC的F级（155 °C）, H级（180 级（200 °C）耐热等级•良好的尺寸稳定性某些环氧树脂体系可以有非常低的蠕变率,也就是十年以上时间蠕变率 < 1%O・良好的机械强度 交联环氧树脂聚合物的结构在抗张力、抗弯曲、抗扭曲和抗压缩方面具有 出色的机械性能•良好的电绝缘性能如上所述，复合材料缆芯的成品性能取决于环氧树脂的玻璃化温度（Tg） o玻璃化温度是 指环氧树脂从硬脆的玻璃状变为柔软且富有弹件的橡胶状的温度换句话说，Tg以上温度， 分了或分了团开始运动因此，Tg是分了型主链结构的交联密度与刚度的衡暈尺度高交联 密度与高的分了刚度阻碍分子的运动对一个特定的环氧树脂体系来说，Tg只与其交联密度 有关高的Tg对复合材料缆芯来说是保证高效的ACCC的很重要因索高Tg值意味着电缆可以 耐受高运行温度，这又有助于电缆承载更高的输电电流因此，选择具有高Tg值的环氧树脂 作为复合材料缆芯的慕材至为重要用于重型电力设备的常规环氧树脂体系是以双水杨酸双酚A型环氧树脂为主的材料，可获 得150 °C最人玻璃化温度要获得离于200 °C的玻璃化温度，必须使丿〕］多功能环氧树脂。

进行环氧树脂选择的另一个重要因索是可加工性，即低粘度需要低粘度来保证纤维有更 好的浸渍性4结论本文中，我们说明了研发复合材料电缆缆芯以取代钢芯的主要原因是为了改善因安培容量 增人导致的电缆下垂现象我们图示了怎样加工环氧树脂以生产复合电缆缆芯我们还介绍T，只有多功能环氧树脂类才貝有适应此种高温环境的良好热性能和机械性能这吃环氧树脂 还对以实现丿川工型线的要求。