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基本信息

項目名稱：
架空導(dǎo)線用高性能復(fù)合材料電纜芯的研制
小類：
能源化工
簡介：
傳統(tǒng)的架空導(dǎo)線是用鋼芯作為導(dǎo)線的承重部分，現(xiàn)在的趨勢是采用復(fù)合材料電纜芯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼芯，復(fù)合芯導(dǎo)線具有強(qiáng)度大、載流量大、耐熱性好、線膨脹系數(shù)小、重量輕、耐腐蝕性能好等特點，是一種全新概念的架空輸電導(dǎo)線。截止目前，復(fù)合芯的國內(nèi)外市場主要被美國CTC公司占據(jù)。我們采用自制的高性能環(huán)氧樹脂為基體，并以碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)此基體，通過拉擠成型工藝制備了可在野外惡劣環(huán)境下長期運行的高性能復(fù)合材料電纜芯。
詳細(xì)介紹：
傳統(tǒng)的架空導(dǎo)線是用鋼芯作為導(dǎo)線的承重部分，現(xiàn)在發(fā)展的趨勢是采用高性能復(fù)合材料電纜芯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼芯作為導(dǎo)線的承重部分，復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線具有強(qiáng)度大、載流量大、耐熱性好、線膨脹系數(shù)小、重量輕、耐腐蝕性能好等特點，是一種全新概念的架空輸電導(dǎo)線，它的誕生是架空輸電導(dǎo)線的一場革命（國電電力建設(shè)研究所總工程師尤傳永語）。截止目前，復(fù)合材料電纜芯的國內(nèi)外市場主要被美國CTC公司占據(jù)。 我們采用自制的有機(jī)硅環(huán)氧樹脂、固化劑與目前已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂組成了一個高性能環(huán)氧樹脂復(fù)合體系，并用碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)這個環(huán)氧樹脂體系，制備出可以在高溫高濕環(huán)境中長期運行的復(fù)合材料電纜芯。我們在復(fù)合芯的研制過程中創(chuàng)造性地引入了自制有機(jī)硅環(huán)氧樹脂并成功地改進(jìn)了拉擠成型工藝。我們研制的樹脂基體價格低（僅為95元/kg左右），自制樹脂基體的熱變形溫度可以達(dá)到195℃，能夠耐受復(fù)合材料電纜芯在180℃下長期運行。力學(xué)性能測試結(jié)果表明，樹脂基體的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到68.08MPa，彎曲強(qiáng)度為118.83MPa，更具有實際使用價值的是自制樹脂基體經(jīng)過高溫高濕環(huán)境老化50h后，力學(xué)性能變化很小，這表明該樹脂基體可以耐受濕熱老化環(huán)境的影響；自制復(fù)合芯的表觀剪切強(qiáng)度值比CTC公司復(fù)合芯更大，且經(jīng)過60小時的濕熱老化后，自制復(fù)合芯的表觀剪切強(qiáng)度值損失量??；在最大彎曲程度時，自制復(fù)合芯不折斷，對現(xiàn)場施工無嚴(yán)格限制，同時具有巨大的價格競爭優(yōu)勢；DMA測試結(jié)果表明，濕熱老化前，自制復(fù)合材料電纜芯的耐熱性可以達(dá)到CTC公司復(fù)合芯的水平，經(jīng)過50h濕熱老化后，自制復(fù)合芯Tg的損失量相對較小，這表明自制的復(fù)合材料電纜芯具有更佳的耐濕熱老化性能。目前已經(jīng)完成實驗室階段的研制工作，將于近期進(jìn)行中試生產(chǎn)，進(jìn)一步驗證產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性和產(chǎn)業(yè)化的可行性。 我們制備的高性能復(fù)合材料電纜芯所使用的有機(jī)硅環(huán)氧樹脂和固化劑為自制，合成條件溫和，占地面積不大；所使用的其它環(huán)氧樹脂是已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的國產(chǎn)環(huán)氧樹脂，能夠方便的購買到；所使用拉擠生產(chǎn)設(shè)備也為國產(chǎn)設(shè)備商提供；經(jīng)過初步的推算，預(yù)計200萬元左右的投資就可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)（不含廠房的建設(shè)和土地的費用，僅包含生產(chǎn)設(shè)備和原材料的采購）。據(jù)報道，高性能復(fù)合材料電纜芯具有廣闊的市場空間，僅在中國就將有超過100億美元的市場。未來10年在北美洲按現(xiàn)今水平對電力基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行維護(hù)也需要560億美元的投資。因此，本項目所研制的高性能復(fù)合材料電纜芯對國內(nèi)電線電纜行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級具有重要的意義。此外，從國家安全的角度看，電力行業(yè)為國民經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵行業(yè)之一，因此也應(yīng)該逐步實現(xiàn)高性能復(fù)合材料電纜芯的國產(chǎn)化目標(biāo)。本項目所研制的高性能復(fù)合材料電纜芯的商業(yè)生產(chǎn)及技術(shù)推廣將有助于加快這一目標(biāo)的實現(xiàn)。

作品圖片

  • 架空導(dǎo)線用高性能復(fù)合材料電纜芯的研制
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

復(fù)合芯導(dǎo)線具有強(qiáng)度大、載流量大、耐熱性好、線膨脹系數(shù)小、重量輕、耐腐蝕性能好等特點，是一種全新概念的架空輸電線路用導(dǎo)線，它的誕生是架空輸電導(dǎo)線的一場革命（國電電力建設(shè)研究所總工程師尤傳永語），截止目前，復(fù)合芯的國內(nèi)外市場主要被美國CTC公司占據(jù)。復(fù)合芯的核心技術(shù)是其樹脂基體的研制，我們采用自制的有機(jī)硅環(huán)氧樹脂、固化劑與目前已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂組成了一個高性能環(huán)氧樹脂復(fù)合體系，并用碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)這個環(huán)氧樹脂體系，制備出能在高溫高濕環(huán)境中長期運行的復(fù)合材料電纜芯。我們在復(fù)合芯的研制過程中創(chuàng)造性地引入了自制有機(jī)硅環(huán)氧樹脂并改進(jìn)了拉擠成型工藝。我們研制的樹脂基體價格低（僅為95元/kg左右），樹脂基體的熱變形溫度可以達(dá)到195℃，能夠耐受復(fù)合材料電纜芯在180℃下長期運行。力學(xué)性能測試結(jié)果表明，樹脂基體的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到68.08MPa，彎曲強(qiáng)度為118.83Mpa；最具有價值的是樹脂基體經(jīng)過高溫高濕環(huán)境老化50h后，力學(xué)性能變化很小，這表明該樹脂基體可以耐受濕熱老化環(huán)境的影響；自制復(fù)合芯的表觀剪切強(qiáng)度值比CTC公司復(fù)合芯更大，且經(jīng)過60h的濕熱老化后，表觀剪切強(qiáng)度值損失量?。籇MA測試結(jié)果表明，濕熱老化前，我們制備的復(fù)合材料電纜芯的耐熱性可以達(dá)到CTC公司復(fù)合芯的水平，經(jīng)過50h濕熱老化后，自制復(fù)合芯Tg的損失量更小，這進(jìn)一步表明自制的復(fù)合材料電纜芯具有更佳的耐濕熱老化性能。

科學(xué)性、先進(jìn)性

復(fù)合材料電纜芯長期在野外環(huán)境中使用，對樹脂基體要求非常苛刻：要同時具有高強(qiáng)高韌性、耐濕熱老化性，還要具有良好的加工工藝性能和具有競爭力的價格優(yōu)勢。我們制備高性能復(fù)合芯過程中使用了具有優(yōu)異耐濕熱性能與高韌性的自制有機(jī)硅環(huán)氧樹脂，同時由于在樹脂基體中加入了自制的固化劑，成功的解決了復(fù)合材料電纜芯高韌性與耐熱性之間的矛盾，使樹脂基體具有高強(qiáng)高韌耐高溫高濕的性能，并具有良好的工藝性能，加工成型時不粘模具，并在180℃的溫度時，能夠在1分鐘內(nèi)迅速固化，實現(xiàn)了80cm/min高速生產(chǎn)。截止目前，復(fù)合材料電纜芯的國內(nèi)外市場主要被美國CTC公司占據(jù)。我們測試比較了自制的高性能復(fù)合芯和CTC公司復(fù)合芯的力學(xué)性能，測試結(jié)果表明，自制復(fù)合芯具有更佳的力學(xué)性能和耐濕熱老化性能；DMA測試結(jié)果表明，濕熱老化前，自制的復(fù)合芯的Tg和CTC公司復(fù)合芯相同，經(jīng)50h濕熱老化后，自制復(fù)合芯Tg大于CTC公司復(fù)合芯；在最大彎曲程度時，自制復(fù)合芯不折斷，對現(xiàn)場施工無嚴(yán)格限制；同時自制復(fù)合芯具有巨大的價格競爭優(yōu)勢。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

2011年5月獲得第十二屆全國“挑戰(zhàn)杯”競賽XX大學(xué)校級選拔賽唯一的特等獎； 2011年6月獲得第十二屆全國“挑戰(zhàn)杯”競賽XX省（直轄市、自治區(qū)）選拔賽特等獎； 2011年5月獲得遠(yuǎn)東電纜有限公司對該項目的鑒定報告（見研究報告附錄一）。鑒定報告認(rèn)為：該項目所研制的復(fù)合材料電纜芯性能優(yōu)異，耐熱性可以達(dá)到國外同類產(chǎn)品（CTC公司復(fù)合芯）的水平，力學(xué)性能和耐濕熱老化性優(yōu)于CTC公司復(fù)合芯，可以滿足架空導(dǎo)線的要求；該產(chǎn)品具有自主核心技術(shù)，生產(chǎn)成本低，發(fā)展了復(fù)合材料新的應(yīng)用領(lǐng)域，對國內(nèi)電線電纜行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級具有重要的意義，具有廣闊的市場前景；目前同類產(chǎn)品的國內(nèi)外市場主要由美國CTC公司占據(jù)，該產(chǎn)品可以有效地解決國內(nèi)架空輸電導(dǎo)線對進(jìn)口復(fù)合芯的依賴，具有重要的社會價值和經(jīng)濟(jì)效益。

作品所處階段

已在江蘇遠(yuǎn)東控股集團(tuán)進(jìn)行小規(guī)模試生產(chǎn)，產(chǎn)品各項性能達(dá)到或優(yōu)于CTC產(chǎn)品，近期將進(jìn)行中試生產(chǎn)。

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

以技術(shù)入股或者直接轉(zhuǎn)讓技術(shù)。

作品可展示的形式

1.實物、產(chǎn)品；2.現(xiàn)場演示；3.圖片；4.錄像；5.樣品

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

我們制備的高性能復(fù)合材料電纜芯所使用的有機(jī)硅環(huán)氧樹脂和固化劑為自制，合成條件溫和，占地面積不大；所使用的其它環(huán)氧樹脂是已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的國產(chǎn)環(huán)氧樹脂，能夠方便地購買到；所使用的拉擠生產(chǎn)設(shè)備也為國產(chǎn)設(shè)備商提供。經(jīng)過初步的推算，樹脂基體的價格約為95元/kg，非常具有市場競爭力。預(yù)計200萬元左右的投資就可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)（不含廠房建設(shè)和土地費用，僅包含生產(chǎn)設(shè)備和原材料的采購）。 復(fù)合芯導(dǎo)線可用于電網(wǎng)現(xiàn)代化改造項目。據(jù)報道，僅在中國這種改造項目的資金就超過100億美元，今后10年內(nèi)在北美洲按現(xiàn)今水平對電力基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行維護(hù)也將需要560億美元的投資。截止目前，復(fù)合材料電纜芯的國內(nèi)外市場主要被美國CTC公司占據(jù)。因此，該項目所研制的高性能復(fù)合材料電纜芯對國內(nèi)電線電纜行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級具有重要的意義。此外，從國家安全的角度看，電力行業(yè)為國民經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵行業(yè)之一，因此也應(yīng)該逐步實現(xiàn)高性能復(fù)合材料電纜芯的國產(chǎn)化目標(biāo)。本項目所研制的高性能復(fù)合材料電纜芯的商業(yè)生產(chǎn)及技術(shù)推廣將有助于加快這一目標(biāo)的實現(xiàn)。

同類課題研究水平概述

復(fù)合芯導(dǎo)線具有強(qiáng)度高、載流量大、耐熱性好、線膨脹系數(shù)小、重量輕、耐腐蝕等特點，是一種全新概念的架空輸電導(dǎo)線，它的誕生是架空輸電導(dǎo)線的一場革命（國電電力建設(shè)研究所總工程師尤傳永語）。復(fù)合芯導(dǎo)線的關(guān)鍵技術(shù)是復(fù)合材料電纜芯的制備。截止目前，復(fù)合芯的國內(nèi)外市場主要被美國CTC公司(Composite Technology Corporation)占據(jù)。國內(nèi)的研究與應(yīng)用還處于起步階段。 美國復(fù)合芯導(dǎo)線的開發(fā)。美國在2004年最先實現(xiàn)了復(fù)合芯導(dǎo)線的商業(yè)應(yīng)用。其中，復(fù)合芯導(dǎo)線研發(fā)最成功的是CTC公司，該公司于2001年已研制出型號為CRAC-121、CRAC和CRAC-TelePower的三種樣品。CRAC-121結(jié)構(gòu)類似傳統(tǒng)的ACSR鋼芯鋁鉸線，規(guī)格為美國標(biāo)準(zhǔn)DRAKE，僅中間7根鋼芯由復(fù)合材料代替，截面為扇形。CRAC為CRAC-121的改進(jìn)型，是把復(fù)合材料線股放在外層，內(nèi)層為鋁線。而兩種導(dǎo)線均可攜帶光纜成為CRAC-TelePower。上述三種導(dǎo)線曾做過常規(guī)的型式試驗。該公司于2003年又推出了型號為ACCC(Aluminum Conductor Composite Core)的復(fù)合芯導(dǎo)線，它的芯線是由碳纖維和玻璃纖維混合制成的單根芯棒，外層與鄰?fù)鈱愉X線股為梯形截面。這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)型式更有利于提高直線管、耐張線夾與導(dǎo)線的壓接強(qiáng)度。這種導(dǎo)線已完成常規(guī)的型式試驗，于2004年8月在德克薩斯州的實際線路上安裝了3.22km，并在之后的兩年里進(jìn)行了各種現(xiàn)場試驗，目前已經(jīng)大規(guī)模推廣使用。 國內(nèi)復(fù)合芯導(dǎo)線的開發(fā)。我國雖然是繼美國之后第二個開發(fā)應(yīng)用復(fù)合芯導(dǎo)線技術(shù)的國家，但是復(fù)合芯導(dǎo)線最核心的部分——復(fù)合材料電纜芯主要進(jìn)口于美國CTC公司。自2005年起，國內(nèi)多家單位開始了復(fù)合芯導(dǎo)線的研究工作，主要包括：遠(yuǎn)東電纜有限公司、中國電力科學(xué)研究院、常州鴻澤瀾線纜有限公司、中國航天工業(yè)總公司四院四十三所、華北電科院與河北硅谷（合作開發(fā)）、遼寧省電力公司與哈玻院（合作開發(fā)），等等。但目前已經(jīng)商業(yè)化的只有美國CTC公司授權(quán)遠(yuǎn)東電纜有限公司開發(fā)的復(fù)合芯導(dǎo)線，所使用的復(fù)合材料電纜芯全部進(jìn)口于CTC公司。國內(nèi)掛網(wǎng)運行的碳纖維導(dǎo)線線路有近60條，除2009年上半年建成投運的萬泉—順義Ⅲ線送電線路中的1.2km線路采用了由河北硅谷提供的試用復(fù)合芯導(dǎo)線，其余的線路都是由遠(yuǎn)東電纜公司生產(chǎn)的復(fù)合芯導(dǎo)線。
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