新型電力解決方案：碳纖維復合芯鋁導線ACCC電纜

經過多年的合作，亨斯邁與中國電科院正式建立了有關開發(fā)新一代碳纖維復合材料芯導線的研發(fā)合作關系。本文介紹了合作項目的背景、技術挑戰(zhàn)、解決方案，以及項目的進展情況。

項目背景

我國是個高速發(fā)展的國家，輸電能力的發(fā)展跟不上生產和消費的增長速度。現有的輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求，由于超負荷用電造成停電、斷電故障頻發(fā)，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。

目前架空輸電電網廣泛采用的是鋼芯鋁絞線（簡稱“ACSR”），但由于電纜鋼芯的重量、強度和熱膨脹系數等因素制約，鋼芯鋁絞線電纜輸電容量有限。由于工業(yè)產能復蘇和夏季居民用電需求的猛烈增加，以及東南沿海經濟發(fā)達地區(qū)相對緊張的土地供應，這個問題變得更加嚴峻。電阻損耗放熱和高溫天氣使得架空電纜產生熱膨脹，從而發(fā)生電纜下垂，成為安全隱患。 123456

近年來，以日本和美國為首的各國都在研究新型架空輸電用導線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線。使用高性能環(huán)氧樹脂生產的碳纖維復合芯電纜具有重量輕、強度高的特點，它在高溫下的熱膨脹系數較低，弛度更小，可在較高溫度下工作。與相同截面的其它導體相比，采用碳纖維復合芯的電纜可比傳統(tǒng)電纜多承載28%的鋁導線，所傳輸的電流容量可提高50%-100%。因此，中國電力行業(yè)對碳纖維復合芯鋁導線（簡稱“ACCC”）的強烈需求應運而生。

架空導線在戶外運作，需要經受紫外線、高低溫、風雨雪等各種嚴酷戶外氣候條件的考驗，對于導線的耐候性和力學性能提出了極高的要求。這一點恰恰和航空航天領域對于復合材料的技術要求有很強的共性。

亨斯邁先進材料事業(yè)部是全球最大的高性能環(huán)氧樹脂基礎制造商和銷售商，為全球航空航天產業(yè)提供高性能環(huán)氧樹脂已有60多年歷史。該公司同時在環(huán)氧樹脂配方的研發(fā)、應用及制造方面擁有豐富的經驗，并致力于突破性和創(chuàng)新性技術的研發(fā)和產業(yè)化推廣，逐步將其在航空航天領域的先進經驗和產品應用于其它民用行業(yè)，包括電力、汽車、新能源、印刷電路板等。2010年，亨斯邁開始關注國內的市場，建立亞太區(qū)的ACCC樹脂配方研發(fā)團隊，依托公司樹脂配方產品的科研和市場開發(fā)技術優(yōu)勢，參考公司高性能多官能環(huán)氧樹脂在航天航空領域的經驗，在兩年的反復試驗開發(fā)中，始終致力環(huán)氧樹脂配方優(yōu)化，以兼顧復合芯桿材各項性能，滿足國內規(guī)范及市場的要求。 123,123



中國電力科學研究院（簡稱中國電科院）是國家電網公司直屬科研單位，是中國電力行業(yè)多學科、綜合性的科研機構。中國電科院早在2008年開始使用亨斯邁的高性能環(huán)氧樹脂產品，用于研發(fā)高性能的碳纖復合芯產品。雙方即展開初步的合作。2010年，雙方的合作進一步升級，亨斯邁集團開始與中國電科院合作開發(fā)針對中國市場的碳纖復合芯用樹脂配方產品。2012年，雙方正式確定戰(zhàn)略合作伙伴關系，發(fā)揮雙方各自的技術優(yōu)勢，共同開發(fā)更符合市場需求，更安全、穩(wěn)定的碳纖復合芯產品。

技術挑戰(zhàn)

我國輸電電網架設廣泛采用的ACSR，在超負荷運行時發(fā)生電纜下垂而影響生產用電安全。據統(tǒng)計，超長距離的線路輸電產生大量的電阻損耗，約占總電能損耗的15%。采用以高性能環(huán)氧樹脂制造的碳纖復合芯電纜（ACCC）可以減少電纜弛度，提高輸電效率。 copyright 123456

ACCC的優(yōu)勢顯而易見，然而要大規(guī)模投入使用，還存在各種技術難題。

雖然ACCC復合芯制造所使用的拉擠成型工藝已經是比較成熟的復材成型方法， 但是該工藝多以使用熱塑性樹脂為主，使用需高溫和快速固化的多官能熱固性環(huán)氧樹脂尚不多見。因此開發(fā)適用于ACCC復合芯拉擠工藝配套的工藝，需要結合拉擠設備制造，環(huán)氧樹脂配方設計和復合材料制造等多方面的技術和經驗。

ACCC的另一核心技術是復合芯棒制造中所使用的關鍵材料——高性能環(huán)氧樹脂配方體系的開發(fā)。由于ACCC將應用于架空導線在戶外運作，需要經受紫外線、高低溫、風雨等各種嚴酷戶外氣候條件的考驗。因此該產品的技術要求除了具備增加輸電容量之外，更重要的是產品長期使用的安全性，主要體現為耐候性和相應的力學機械性能。環(huán)氧樹脂配方體系的設計決定了ACCC在該方面的性能表現。在樹脂配方體系中，不同固化劑體系、促進劑，及其它添加劑的選擇對復合芯制造工藝參數及最終產品各方面性能的影響都至關重要。

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目前市場上的碳纖維復合芯產品在耐候性和力學性能上與用戶的實際要求還有一定的差距，碳纖維復合芯材料在各種環(huán)境因素作用的抗老化壽命及應對極端情況下野外現場實際施工的要求有待進一步提高。因此，全面推廣ACCC產品以取代ACSR尚需時日。

解決方案

在這樣的挑戰(zhàn)下，中國電科院希望通過加強與亨斯邁的合作，共同開發(fā)出更加安全，穩(wěn)定的碳纖復合芯環(huán)氧樹脂配方產品，廣泛應用于新一代智能國家電網輸電線路改造。中國電科院的項目負責人表示：“在同時兼顧產品各項性能，以保證各項指標都達到或高于國家標準，同時滿足現場實際施工的極端工況是我們的目標，我們希望借助于亨斯邁在高性能多官能環(huán)氧樹脂的制造及樹脂配方開發(fā)的實力，發(fā)揮電科院在電力行業(yè)的技術優(yōu)勢，一起開發(fā)出高標準，高性能，滿足市場實際需求的產品。”

“盡管國內對于ACCC的研究并不是最近才開始，從上游原材料供應企業(yè)到下游電力企業(yè)，對此的討論和探索從未間斷，但由于這‘兼顧各項性能’并不容易做到，ACCC投入市場的步伐一再放緩。但我們看到市場的需求仍然很強烈，也相信我們在航天航空復材領域和樹脂配方開發(fā)的經驗可以幫助我們達到ACCC復材纜芯的嚴苛要求。”亨斯邁先進化工材料亞太區(qū)研發(fā)總監(jiān)何尾勝博士如是說。

2012年，中國電科院與亨斯邁簽署合作備忘錄，正式開啟新一代ACCC復合材料纜芯的產品研發(fā)。

高性能多官能環(huán)氧樹脂因其優(yōu)異的熱力學和機械性能，在高端復合材料中已被廣泛的使用。亨斯邁先進化工材料亞太區(qū)研發(fā)經理吳華峰博士表示，基于亨斯邁集團所生產的高性能多功能環(huán)氧基礎樹脂所開發(fā)的第一代雙組份低粘度拉擠配方Araldite®CY/Aradur® HY 5198，能提供優(yōu)良的粘接性能和工藝性能；與碳纖維配合制成的芯棒具備優(yōu)異的熱力學性能和機械性能，包括高Tg溫度、耐候性強、抗老化性能優(yōu)異，高拉伸強度、高柔韌性、高抗壓性能等。其中，高Tg (> 190 ℃) 配方產品意味著電纜可以耐受更高的運行溫度，承載更大的輸電電流。新一代的ACCC復合材料纜芯的產品開發(fā)將以第一代產品為基礎，保留亨斯邁產品在熱力學和機械性能方面的優(yōu)勢，通過調整配方的組份、平衡復合芯各方面的綜合性能，來滿足客戶和市場的要求。 本文來自123

研發(fā)成果與下一步計劃

2011年亨斯邁第一代碳纖維復合芯鋁導線樹脂配方產品上市以來，市場反響頗為熱烈。2012年5月，使用亨斯邁所開發(fā)的高性能環(huán)氧樹脂配方體系的碳纖維復合芯電纜在國內成功掛網運行，填補了國內碳纖維復合芯1B級產品的空白。

雙方共同開發(fā)的新一代碳纖維復合芯鋁導線樹脂配方產品的開發(fā)也順利進行中，目前已完成候選配方的篩選工作，即將進行復合芯的試制實驗。

國務院于2012年6月發(fā)布的《智能電網重大科技產業(yè)化工程“十二五”專項規(guī)劃》中指出，“實施新的能源戰(zhàn)略和優(yōu)化能源資源配置的重要平臺，涵蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度各環(huán)節(jié)，提高能源利用效率，確保安全、可靠、優(yōu)質的電力供應。”并明確指出，大電網互聯(lián)及遠距離輸電及其相關控制技術將是智能電網領域的科研關注熱點之一。 123456

在國家政策的指導下，雙方必定加強合作，推進ACCC新產品的開發(fā)及中國市場推廣工作。

隨著國內ACCC電纜芯復合材料技術的進一步趨向成熟和市場化，ACCC電纜線將應用于更加廣泛的全球電力市場中，尤其是一些輸電走廊比較長或是地域地形有局限的地方：例如電網設施比較落后的印尼、越南和跟中國地形特質比較類似的美國、俄羅斯、印度等國家。“這些國家或是人口密度很高，或是地廣人稀，輸電距離特別長，因而輸電用電需求都比較高，也都需要對架設電網進行升級改造等。” 亨斯邁先進化工材料亞太區(qū)市場經理張晉楓介紹道，“作為一個全球企業(yè)，亨斯邁既是產品和技術供應商，也是服務提供商，在很多國家都有自己的分公司和辦事處。我們也希望能夠協(xié)助中國合作企業(yè)伙伴出口ACCC纜線產品，在全球市場推廣。”