【学术精选】中国电缆工业的技术现状及其发展趋势

装备线缆总体市场繁荣，产业技术水平不断提高，与国际先进水平差距逐步缩小。大型企业持续加大装备线缆领域研发投入，或扩展装备线缆细分品种业务能力；小型企业专注于部分装备线缆细分品种应用行业，逐渐形成品牌优势。行业迫切需要加强对新材料的研究、开发、产业化，以替代进口。

(1)低烟无卤阻燃布电线应用越来越广泛，紫外光交联技术迅速发展。

(2)硅烷交联低烟无卤阻燃技术逐渐成熟，并开始应用，用量迅速增长。

(3)B₁

(1)由于中国铜资源相对匮乏，国家政策倡导“以铝节铜”，通过扩大铝的应用减少对进口铜的依赖。电缆行业2022年的铝导体用量已达到220万吨，比往年有明显增长。就绕组线行业而言，铝导体年用量已增至30万吨左右，增幅显著。

(2)矩形铝变位绕组线在特高压、长距离输电用的平波器、电抗器等装备中， 在“高速飞车”(1000km·h)中也采用了利兹变位绕组线。

(3)铝绕组线的应用增加，其主要原因有:就导电性和机械强度方面来说，铝导体相较于铜导体存在不少的差距。该差异限制了漆包铝线的应用，特别是在大型电机、变压器以及其他重要场合。但是，在绝缘性能方面，铝导体表面氧化后生成Al2O3保护膜对绝缘性能影响相对较小，而铜导体氧化后形成的氧化铜则会对某些高分子绝缘材料的热老化过程产生催化作用，加速绝缘材料老化。因此，在相同绝缘条件下，采用铝导体的绕组线相较于采用铜导体的绕组线，其耐热等级可以提高20℃左右。

(1)高温绕组线的发展趋势，见图4。

图4 高温绕组线的发展趋势

随着电机、变压器、传感器等电气设备的技术发展，采用的绕组线圈为满足小型化、大功率的需求，绕组线的耐热等级需要逐步提升。传统的漆包线、薄膜绕包线用铜、铝作为导体，以聚酯、聚氨酯、聚酯亚胺、聚酰亚胺为绝缘的漆包线，薄膜绕包线，其最高耐热等级为240℃。

(2)当长期使用温度(一般以温度指数为参考，要求使用寿命不低于20000h)要求超过240℃时，为防止导体过快氧化，通常采用镀层来保护铜导体。由于铝线在高温下强度较低，较少用于240℃。对于绝缘材料，通常采用有机无机复合绝缘。

(3)在400℃以上的温度下使用，绕组线导体需要采用合金导体，同时需要足够厚度的镀层来保护导体。此时，绝缘只能采用无机绝缘。

(4)目前，在600℃以上的温度下，满足长期耐热要求的绕组线研究相对较少。由于导体软化、导体活性粒子扩散、绝缘失效等现象的理论研究极少，尚未形成相对成熟的解决方案。

(1)在信息传输的光电线缆领域，我国光棒光纤光缆、同轴通信电缆、消费类电子线缆、数据电缆等产品的制造规模均已处于全球领先地位。同时，材料与专用设备配套能力也显著提升。

(2)自20世纪70年代起，我国光纤光缆制造业不断升级，已建成世界最大的光缆网络，敷设总长度超过6×10⁷km，使用光纤超过2×10⁹km。目前，国内光纤光缆的产能占全球的一半，多家企业位于全球行业的前列。国产材料和生产设备完全可满足光纤光缆产品需要。其中，光纤光缆、材料和设备均有部分出口国外，已经成为世界光纤光缆第一产能大国。

(3)近几年，国内光纤光缆技术取得显著发展。干线光缆、室内光缆等系列产品持续向多元化发展，满足各领域的各类网络建设和各种场景建设的需求。特种应用光缆产品，如光纤复合架空地线(OPGW)、光纤复合架空相线(OPPC)、全介质自承式光缆(ADSS)、光电复合缆、复合电力通信缆等技术及其应用发展迅速，形成了自主知识产权，并颁布了行业标准，向电信网、广电网、电力网、工业互联网、智慧交通等多网融合的方向发展。

(4)空分复用技术、水下设备技术、远端供电设备技术、开放式海缆等取得新突破，带动海缆系统向系统容量更大、传输距离更远、成本更低、网络架构更智能的方向发展。

(5)基于智能化产业的发展，光纤传感器作为感知功能的重要载体，其市场产业化格局已初步形成。光纤传感技术具有抗电磁干扰、灵敏度高、可靠性好、传输距离远、易于组成分布式传感网络等优势，尤其在强电磁场、易燃易爆、腐蚀性环境、高温高冷高压等极端恶劣条件下的参数测量与安全监测方面，发挥着不可替代的重要作用，已在国防军事、海洋观测、油气勘探、智能电网、智能高速电气化铁路、结构及管道监测、周界安防等领域不断获得新突破，年复合增长率超过20%。

(6)随着数字化、数字经济战略的不断推进，用于航空航天、医疗、汽车、机器人、无人机、数据中心等领域的数据缆、同轴缆、电子线等也得到迅速发展。数据缆最高使用频率达到2GHz以上、高速平行线可达56GHz、同轴电缆也向数十吉赫兹迈进。各种通信电缆及附件的总产值超千亿元。同时，通信电缆的设计、检测和制造水平逐步接近世界先进水平，并有近十项国际标准处于制定当中。

未来，通信线缆必将向着频率更高、速度更快、频带更宽、距离更长、海底更深、时空更广的空天地海一体化方向发展。

导体材料以铜、铝及其合金为主，其他还包括铝-钢、铜-铝和铜-钢复合材料。根据应用场合不同，导体材料的品种基本能满足用户的需要。为达到双碳经济的目标、改善环境、实现以铝节铜和循环经济的要求，再生铜的质量已有了显著提升，并制订了国家能源行业标准NB/T 10194—2019《电工用火法精炼高导电铜杆》。同时，屏蔽用铝合金带也制订了团体标准T/CES 197—2023 《电缆屏蔽用铝合金带》。

1.1 电工用火法精炼高导电铜杆(FRHC)

电工用火法精炼高导电铜杆的质量明显提升。再生铜原料进行预处理后，其进炉原料的品位控制在96%以上，经精炼后的含铜量不小于99.90%，含氧量不大于0.040%，铜杆导电率为100~101%IACS。根据优秀、良好、合格的标准，3个牌号的螺旋伸长数(S、E、N)分别不低于100、40和20，并按照不同电线电缆产品类别，推荐使用适合的牌号，按质论价。

主要技术经济指标为:产品用天然气单耗为75~95m3•t^-1，能源消耗比国内传统工艺单位可节能60%，产品合格率为98.5%。

1.2 电缆屏蔽用铝合金带

电缆屏蔽用铝合金带在退火状态下，抗拉强度不小于175MPa、伸长率不小于15%，导电率不小于57.5%IACS。

1.3 超纯铜银合金微细导线

超纯铜银合金微细导线为战略先进电子材料，已研发成功。线径为0.09mm的超纯铜银合金微细导线的性能指标见表2。该项目已获得第34届上海市优秀发明选拔赛优秀发明银奖。

表2 线径为0.09mm的超纯铜银合金微细导线的性能指标

该成果已发布的标准有: ①T/CEEIA 464—2020《电子线缆用铜银合金微细线材》标准；②T/CEEIA 465—2020《铜及铜合金微细材软化温度测量方法》标准；③企业标准4YC 005-280—2020《铜银合金丝材拉拔工艺规程》。

1.4 高速飞车

高速飞车时速可达1000km•h^-1，解决了大推力、低扰动新型超导直线电机定子绕组在超导磁体强磁场与宽频背景下的涡流损耗和环流损耗难题。具体措施包括: ①利用利兹线在绕制方向全换位技术，实现了国内最大宽厚比为20∶1的多股方形利兹无损换位；②研发了非导电导磁、高热导率、各向准同性的高强度绝缘复合材料。应用效果包括:①直线电机定子交流损耗和环流损耗下降约95%；②在满足电机绝缘要求的基础上，提升各项力学性能，增强定子抗力和热冲击能力。

2.1超超高导电Al-Mg-Si合金导线

发展超超高导电(EEHC)的Al-Mg-Si合金导线。通过调整合金配方、热处理工艺和工艺装备，从而使导线的导电率达到57.5%IACS。

2.2高强度铝合金导线

在Al-Mg-Si合金基础上优化Mg、Si，添加Mn，有利于细化晶粒，提高伸长率；添加Ni，可抑制伸长率的下降，改善抗拉强度；优化热处理工艺，适用于拉制细线，可用作汽车用线，减轻汽车质量，节约能源。

2.3单晶铜线缆

国外(如韩国等)已有相当规模的单晶炉和锭坯，其质量达到200kg，单晶棒直径为150mm，长度为2m，可通过加工拉制成细线。单晶铜(SCC)线缆的应用随着第五代移动通信技术与人工智能(5G+AI)的发展而拓展，推动了虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)用电线电缆的进展。此外，这种电线电缆也可用于代替现在的音响用电线电缆。单晶铜线缆的制造过程见图5。

图5 单晶铜线缆的制造过程

碳纤维材料性能优异，作为与国民经济和国防安全等密切相关的关键材料，被誉为“新材料之王”和“黑色黄金”。碳纤维由有机母体纤维在1000~3000℃的高温和惰性气体环境下经高温分解和碳化而成，是含碳量90%以上的无机高分子纤维。

按照碳纤维丝束大小分类，可将其分为标准丝束(≤24K)和大丝束(>24K)两大类；如按照原材料的来源，碳纤维主要分为聚丙烯睛(PAN)基碳纤维、沥青基、粘胶剂基和酚醛基碳纤维。其中，PAN基碳纤维因生产工艺相对简单、工艺较成熟、产品力学性能好、成本较低，成为碳纤维的主要产品。碳纤维的主要特性见表3。

表3 电缆工业用碳纤维的主要特性

(1)架空输电导线。真正要取得明显的技术经济效果主要在高压、超高压、特高压和大跨越线路上的应用，也适用于老线路增容改造。第一代碳纤维架空导线未达到预期效果；相比之下，第二代碳纤维架空导线在导线设计理念、碳纤维复合工艺和导线施工等方面均进行了优化改进，在国内曾在35，110，220，330kV线路上试用。

(2)海底电缆。海底电缆的应用预期寿命为15~20年，面临的海况条件比陆地环境更加严峻。目前，国内已制造出长度达到万米级的海底电缆。电缆在海水平面下每下降10m，其径向压力增加1个大气压。因此，电缆长度为10km时，在海中的径向压力可达到1000个大气压。考虑到深海状况的恶劣，电缆的超长长度要求达100km，电缆必须具备质量轻和强度高等特性。

(3)大桥斜拉索和悬索。目前，大桥长度已达到1000~5000m，要求电缆除提供必要的强度和稳定性外，还应具备足够的承载能力和抗风性能。

(4)石油开采和深井物理勘探。主要包括深井石油开产、深井物理勘探、重蜡油井的熔蜡。据最近报道，我国新疆油气井的最大深度已达9472m，刷新亚洲记录，对此要求电缆轻量化和高强度是必要的。对于我国重蜡油井用熔蜡电缆，不仅要轻和高强度，并通以适当的电流加热，以起到熔蜡的作用。

(5)在电气化铁路上的应用，涉及智能化承力索和接触导线的应用。

(6)靶机和无人机上的应用。

(7)考虑陆地电线电缆高强化、轻量化等要求，可选用碳纤维复合材料代替高强钢线的铠装材料亦是可选的方向。

综上所述，高性能碳纤维的产业化，首条生产线的规模年产达1万吨级或许是可预期的。

铜、铝、石墨烯、碳纳米管合成材料在电缆行业中的应用具有划时代的重要意义。2022年电缆工业的年用铜量为754万吨左右，年用铝量为220万吨左右。如果能通过科技创新，实现产业化，提高铜、铝导体的导电率和抗拉强度，有巨大的经济价值和社会影响。

石墨烯在铜中的溶解度通常为8×10^-6，而溶解度取决于温度。目前，制备铜-石墨烯合成材料主要有3种方法:①采用沉积的方法将石墨烯沉积在金属材料上；②将粉末金属与石墨烯一起进一步加工的粉末冶金法；③石墨烯与液体金属进行非常规的冶金合成法。在电缆工业中进行产业化，第三种方法除需要连续熔炼—连续铸造—连续制杆外，尚需创造快速凝固条件，以使半成品杆材能获得所需的交替层状组织结构。

前几种方法中，均存在铜和碳结合的湿润性问题，限制了铜和碳的合成。电缆工业中采用的制杆方式，不是零部件的生产方式。因此，上述3种方法中，第三种冶金法似乎更为合适，但仍需要深入研究创新才能实现最终的目的。

铜-石墨烯合成材料在电缆工业中的产业化，必须具备两个基本要求，一是铜-石墨烯杆材必须具有吨级规模的连续生产线；二是要具备等级规模的连续长度。

铜、碳纳米管和石墨烯的主要性能见表4。

表4 铜、碳纳米管和石墨烯的主要性能项目参数铜碳纳米管

由表4可知，从熔点角度看，铜的熔点为1083℃，而石墨烯的熔点为4620℃，为难熔材料，涉及到产业化工艺和装备问题以及石墨烯熔入铜中的方法问题。从密度角度看，铜的密度为8.89g•cm^-3，石墨烯的密度为1.1~1.5g•cm^-3，则石墨烯将浮在铜液的表面，存在如何使石墨烯分散且均匀地熔入铜液中的方法问题。从导电率角度看，据国际电工委员会(IEC)标准规定，退火铜的导电率为100%IACS，石墨烯为铜的1.5~2倍，但是目前，铜-石墨烯合成的结果也仅在100%IACS左右。从抗拉强度角度，铜的抗拉强度为220~240MPa，而石墨烯为130000MPa，若能将铜和石墨烯结合，研发出具备高导、高强的“超材料”，将为世界的电工和电子等行业发展开辟新天地。

KNYCNH T等曾按照冶金法进行了探索性试验，并发表《理想的铜-碳纳米结构合成物的制备与冷拉伸( Fabrication and cold drawing of copper covetic nanostructured carbon composites)》，但该试验尚未达到预期效果，今后尚需进一步创新开发。

3.1 铜-石墨烯合成和加工的方法概述

基体原材料铜采用无氧铜，分别采用两种不同的活性碳粉进行对比试验。试验用装备和工具采用特殊的试验用感应炉、石墨坩埚、搅拌装置和施加电流的电极。

在铜中施加碳粉的供料装置，使碳粉缓慢地添加到熔融铜的表面，并在氩气保护下进行工艺操作。随后，将铜-石墨烯合成材料的铸锭加工成直径为20mm的杆，并进一步拉制成线。拉制过程中，须验证其可成型性和表面质量，并比较硬态与退火状态下的机械性能和电气性能。

采用发射光谱仪(OES)进行铸件成分分析；含氧量分析采用LECOTC500型红外分析仪。由于常规的分析方法难以检测碳的存在或含量。试验中，采用离子质量光谱(SIMS)法检测碳的存在。

3.2 试验结果

在试验状态下，铜-石墨烯合成材料的抗拉强度、屈服极限、伸长率均未超过纯铜的相应指标。线杆的导电率也未高于IEC规定的国际退火铜标准(100% IACS)水平。但其在可成型性方面是非常好的，在试验中，冷轧杆和冷拉伸试验时，显示出卓越的拉伸性能，其变形能力可达4真实总应变的水平，而不发生破坏。

3.3 铝-碳纳米管合成研究的进展

国内采用粉末冶金-连续挤压法进行了试验，但试验结果尚未见报道。国外CASTRO R H R等人在文献(Enhanced electrical conduction in aluminum wires coated with carbon nanotubes)中用化学蒸汽沉积法(EPD)，在直径为1. 2mm、长为10~15cm的工业用铝合金线上成功沉积了一层约2~3碳纳米管(<90nm)厚的单壁碳纳米管(SWCNT)沉积层，该沉积层具有网状结构的组织，经电阻率测定，其导电率可提高160%。SWCNT沉积层具有半导体的性质，这种线的高导电性在327℃以下不会随温度的升高而降低，而且增加温度和电流，不会影响碳纳米管在基体上的结构，这种网状组织会进一步地降低电阻率。因此，上述研究能否实现工业化大规模生产，其前景可能还是一个问题。