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经过多年的合作,亨斯迈与中国电科院正式建立了有关开发新一代碳纤维复合材料芯导线的研发合作关系。本文介绍了合作项目的背景、技术挑战、解决方案,以及项目的进展情况。
项目背景
我国是个高速发展的国家,输电能力的发展跟不上生产和消费的增长速度。现有的输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求,由于超负荷用电造成停电、断电故障频发,电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”。
目前架空输电电网广泛采用的是钢芯铝绞线(简称“ACSR”),但由于电缆钢芯的重量、强度和热膨胀系数等因素制约,钢芯铝绞线电缆输电容量有限。由于工业产能复苏和夏季居民用电需求的猛烈增加,以及东南沿海经济发达地区相对紧张的土地供应,这个问题变得更加严峻。电阻损耗放热和高温天气使得架空电缆产生热膨胀,从而发生电缆下垂,成为安全隐患。 123456
近年来,以日本和美国为首的各国都在研究新型架空输电用导线,以取代传统的钢芯铝绞线。使用高性能环氧树脂生产的碳纤维复合芯电缆具有重量轻、强度高的特点,它在高温下的热膨胀系数较低,弛度更小,可在较高温度下工作。与相同截面的其它导体相比,采用碳纤维复合芯的电缆可比传统电缆多承载28%的铝导线,所传输的电流容量可提高50%-100%。因此,中国电力行业对碳纤维复合芯铝导线(简称“ACCC”)的强烈需求应运而生。
架空导线在户外运作,需要经受紫外线、高低温、风雨雪等各种严酷户外气候条件的考验,对于导线的耐候性和力学性能提出了极高的要求。这一点恰恰和航空航天领域对于复合材料的技术要求有很强的共性。
亨斯迈先进材料事业部是全球最大的高性能环氧树脂基础制造商和销售商,为全球航空航天产业提供高性能环氧树脂已有60多年历史。该公司同时在环氧树脂配方的研发、应用及制造方面拥有丰富的经验,并致力于突破性和创新性技术的研发和产业化推广,逐步将其在航空航天领域的先进经验和产品应用于其它民用行业,包括电力、汽车、新能源、印刷电路板等。2010年,亨斯迈开始关注国内的市场,建立亚太区的ACCC树脂配方研发团队,依托公司树脂配方产品的科研和市场开发技术优势,参考公司高性能多官能环氧树脂在航天航空领域的经验,在两年的反复试验开发中,始终致力环氧树脂配方优化,以兼顾复合芯杆材各项性能,满足国内规范及市场的要求。 123,123
中国电力科学研究院(简称中国电科院)是国家电网公司直属科研单位,是中国电力行业多学科、综合性的科研机构。中国电科院早在2008年开始使用亨斯迈的高性能环氧树脂产品,用于研发高性能的碳纤复合芯产品。双方即展开初步的合作。2010年,双方的合作进一步升级,亨斯迈集团开始与中国电科院合作开发针对中国市场的碳纤复合芯用树脂配方产品。2012年,双方正式确定战略合作伙伴关系,发挥双方各自的技术优势,共同开发更符合市场需求,更安全、稳定的碳纤复合芯产品。
技术挑战
我国输电电网架设广泛采用的ACSR,在超负荷运行时发生电缆下垂而影响生产用电安全。据统计,超长距离的线路输电产生大量的电阻损耗,约占总电能损耗的15%。采用以高性能环氧树脂制造的碳纤复合芯电缆(ACCC)可以减少电缆弛度,提高输电效率。 copyright 123456
ACCC的优势显而易见,然而要大规模投入使用,还存在各种技术难题。
虽然ACCC复合芯制造所使用的拉挤成型工艺已经是比较成熟的复材成型方法, 但是该工艺多以使用热塑性树脂为主,使用需高温和快速固化的多官能热固性环氧树脂尚不多见。因此开发适用于ACCC复合芯拉挤工艺配套的工艺,需要结合拉挤设备制造,环氧树脂配方设计和复合材料制造等多方面的技术和经验。
ACCC的另一核心技术是复合芯棒制造中所使用的关键材料——高性能环氧树脂配方体系的开发。由于ACCC将应用于架空导线在户外运作,需要经受紫外线、高低温、风雨等各种严酷户外气候条件的考验。因此该产品的技术要求除了具备增加输电容量之外,更重要的是产品长期使用的安全性,主要体现为耐候性和相应的力学机械性能。环氧树脂配方体系的设计决定了ACCC在该方面的性能表现。在树脂配方体系中,不同固化剂体系、促进剂,及其它添加剂的选择对复合芯制造工艺参数及最终产品各方面性能的影响都至关重要。
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