碳纤维复合芯导线应用

碳纤维复合芯导线应用Carbonfibercompositecore碳纤维复合芯导线具有载流量大、增容和裕容特性优异、重量轻、强度高、安全性好等优势，市场前景良好。然而国产碳纤维复合芯导线在电力领域的实际应用存在诸多难题，亟须破解，以提升我国碳纤维产业创新能力和竞争能力。本文发表于《中国工业评论》杂志第8期2014年，全球碳纤维区域理论产能达到118000吨，而且各大碳纤维制造商还陆续宣布了大幅扩产计划。国际碳纤维应用市场需求量为53500吨，继续以6%～8%的年增速不断扩大，应用领域进一步拓展，其主要应用领域比例如下：航空航天29%、体育休闲14%、汽车13%、叶片11%、压力容器5%。国际碳纤维产业及下游应用市场均呈现欣欣向荣的景象。国内碳纤维应用水平差距近10年，国产高性能碳纤维及其复合材料在关键技术、装备及应用等方面取得了突破性进展。我国T300级规模化碳纤维产品性能已经达到国际水平，并在航空航天领域得到了应用；低成本干喷湿纺T700级碳纤维已建成千吨级生产线，产品进入初步应用阶段；T800级碳纤维吨级线建成，并已实现批量生产。但高模、高模高强碳纤维的工程化制备技术以及更高等级碳纤维的制备关键技术还有待攻关。截至2014年底，我国大小碳纤维生产企业有近40家，理论产能19，600吨，实际产量3700吨，主要产品为12K及以下规格小丝束PAN基碳纤维。2014年，国内碳纤维总需求量约1.23万吨，其中，60%应用于体育休闲领域，15%应用于建筑领域，8%应用于电力（电缆）领域，3%应用于航空航天。但国内碳纤维应用水平与国外存在较大的差距，尤其国产碳纤维在以下领域的应用比例偏低。由于低成本、稳定化、规模化生产技术的欠缺，绝大多数国内碳纤维产品的成本与市场售价倒挂，我国碳纤维企业面临着国内企业间竞争和国外企业恶意压价的内忧外患，生存状况不容乐观。为改善我国碳纤维研发、生产与应用相互脱节，市场应用技术开发滞后，产业牵引力不足的不利局面，中国碳纤维及复合材料产业发展联盟以碳纤维在电力方面的应用为突破口，协调组织产业内企业和应用单位，联合推进碳纤维复合芯导线在新建线路中的应用，以期聚焦、突破产业关键和共性技术难题，提高产业创新能力和竞争能力，扩大我国碳纤维及复合材料产业在工业领域的应用。碳纤维复合芯导线的应用优势碳纤维复合芯导线是一种采用环氧树脂浸润碳纤维、玻璃纤维后，固化形成碳纤维复合芯并在其外层绞合梯形铝线的架空裸导线。与传统钢芯铝绞线相比，碳纤维复合导线具有重量轻、弛垂小、强度大、低线损、耐高温、耐腐蚀、与环境亲和等优点，弛度特性良好，实现了电力传输的节能、环保与安全。碳纤维复合芯导线载流量大，增容和裕容特性优异。碳纤维复合芯导线通过以下方法实现增容：它采用软铝替代硬铝，导电率从61%IACS增到63%IACS；与钢芯铝绞线相比，碳纤维复合芯导线可在160℃下运行，因此可提高运行温度，实现高温增容；与传统圆线结构相比，碳纤维复合芯导线外层采用型线结构，相同外径下，导线铝截面填充率可以增加10%-30%；在单位长度等重量的情况下，碳纤维复合芯导线的铝截面比钢芯铝绞线增加10%-30%。对已建线路改造工程，在不更换原有杆塔的情况下，采用碳纤维复合芯导线，可以成倍提高线路输送容量。对新建线路，尤其是输送容量不稳定或需求不明朗的新建线路，采用碳纤维复合芯导线能提供强大的裕容能力，满足未来区域输送容量的增长要求，并可适应输送容量的大落差波动，增强线路对输送容量变化的应变能力。碳纤维复合芯导线重量轻、强度高、安全性好。普通镀锌钢丝的密度为7.8kg/dm3，强度在1240Mpa-1340Mpa之间，而碳纤维复合芯的密度为2.0kg/dm3，是镀锌钢丝的1/4，强度分为两个等级：2100Mpa和2400Mpa。可见碳纤维复合芯导线的重量轻，强度高，安全性更好。碳纤维复合芯导线初始弧垂及弧垂变化小，综合经济性较好。碳纤维复合芯导线拉重比大，线膨胀系数小，线路架设的初始弧垂小，运行过程中弧垂变化少，因此可降低杆塔高度，节约杆塔数量，减少塔基占地面积，从而节约土地资源，降低输电线路综合建造成本。碳纤维复合芯导线传输损失小，节约能源。在相同外径、相同传输容量下，碳纤维复合芯导线的线损更低，可以节约能源，降低线路运行成本。碳纤维复合芯导线有较好的防覆冰和耐覆冰特性，环境适应性好。碳纤维复合芯导线可以输送更大的负荷，运行线温可更高，且外径光滑，因此具有很好的防冰性能。同时，由于强度高，碳纤维复合芯导线具有更好的耐覆冰性能，可以在北方寒冷环境中使用。碳纤维复合芯导线耐环境老化性能好，寿命长。碳纤维耐腐蚀，碳纤维复合芯导线对酸雨等环境具有极强的抵抗力，也避免了传统导线在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化学腐蚀现象，具有优异的介电性能，使用寿命长。国外生产与应用现状为解决现有输电线路导线弧垂过大，对地净距离不足的问题，20世纪90年代，日本开发出新型碳纤维芯铝绞线，以替代传统的钢芯铝绞线。这种复合材料芯线主要由碳纤维和热硬化性树脂构成。用12000根直径为7μm的聚丙烯晴碳纤维，涂上未硬化的热硬化性树脂绞在一起，再缠上有机纤维形成一根股线，然后，用7根股线绞成合成绞线。再经过最后的热处理使树脂完全硬化，形成复合材料芯线。美国CTC(CompositeTechonologyComporation)公司成功开发了新型复合材料合成芯导线。其系列ACCC(复合芯铝绞线)导线芯是由碳纤维为中心层，和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，将碳纤维与玻璃纤维进行预拉伸后，环氧树脂浸渍，然后在高温模子中固化成型。芯线外层与邻外层为梯形截面铝线股。导线经常规型试验，证明其具有良好的机械特性和电气特性。ACCC导线与常规的钢芯铝绞线相比，在外径相同时，复合芯铝绞线外层允许缠绕超过28%的导电铝线。成品重量与常规的钢芯铝绞线相似，它能够利用现有线路铁塔而不需改造。碳纤维复合芯铝绞线ACCC能够传输相同外径钢芯铝绞线两倍的电流，而且在容量增加一倍的同时，显著地提高了电网的安全性和可靠性。国内生产应用现状与市场前景随着国民经济的持续高速发展、工业化与城镇化步伐不断加快，我国对用电量的需求急剧增加，原有输电线路面临着成倍扩容的需求。此外，西电东送、南北互供，以及各类特高压联网等工程也需要建设大容量的新电网。若采用多分裂、大截面的传统钢芯铝绞导线增加输电容量，则因导线荷载加重，需要大大增加铁塔占地、塔材和基础投资。另外，在杆塔荷载大的中国重覆冰地区、沿海高风速地区和容量不稳定的风电输送等工程，传统导线的经济性较差。为节约材料和土地资源，减少运输途中电耗，自2005年以来，中国电力科学研究院、上海电缆研究所、远东复合技术有限公司、中复碳芯电缆科技有限公司等近20家单位开展了碳纤维复合芯导线的产品研究、制造和工程应用研究，并成功研发出碳纤维复合芯导线。目前，国内有碳纤维复合芯导线生产企业14家，年产能超过10万公里。其中，自主研发的产品已达到国外同类型产品的技术性能水平，玻璃化转变温度、拉伸强度等超过国外同类型产品。在标准制定方面，上海电缆研究所牵头国内十余家单位，共同完成了碳纤维复合芯的国家标准《纤维增强树脂基复合材料芯棒》（GB/T29234-2012），以及导线的国家标准《复合材料芯架空导线》（送审稿）。中国电力科学研究院牵头完成了国家电网公司企业标准《碳纤维复合材料芯架空导线》（Q/GDW1851-2012）、《碳纤维复合芯铝绞线施工工艺及验收导则》（GDW388-2009），为碳纤维复合芯导线的推广奠定了技术基础。2006年7月，首条ACCC碳纤维复合芯导线在福建龙岩电业局“园田塘—曹溪220kV”高压输电线路挂网运行，该线路全长5.2公里，改造后输送容量提高一倍。该工程利用原线路铁塔及大部分金具、瓷瓶等原设备，施工比常规导线工程改造缩短三个多月的工期，大大缩短了旧线路改造的停电时间。此后逐步在辽宁、深圳、陕西、北京等全国多个省区输电线路工程中试用。2008年，嘉兴“220kV汾湖—嘉善”同塔双回路增容改造线路总长度11.5公里，技改工程采用ACCC/TW-413替换LGJ-400/35导线后，输送容量比原来扩大了一倍，但重量却减轻了大约20%。2008年，天津电网在景卫220kV、总长度11.26公里线路使用碳纤维复合芯导线，总投资低于新建同容量常规线路投资约30%，减少新建线路一半占地面积，节约了可观的土地资源。其试运行两年来，安全稳定，效益明显。截至2014年初，全国已有超过300多条碳纤维复合芯导线输电线路运行，基本上属于增容改造或扩建线路，电压等级覆盖35kV到500kV。其中，在220kV电力线路上，最长已经运行了近5年的时间，在500kV万顺Ⅲ线上已经运行了1年多时间，整体运行状态良好，相关参数符合规范要求。总体看，近5年工程应用方面取得了明显进步，发展势头良好。我国已成为世界上使用碳纤维复合芯导线最多的国家，单线总长度超过2万公里，其中，国产碳纤维复合芯导线单线长度超过1万公里，在施工和运行等方面积累了一定经验。我国电力工业每年将以13%的速度发展，电线电缆市场需求巨大。若按10%的需求以碳纤维复合芯导线替换，每年需求量将超过200万km，潜在的应用市场相当可观。存在问题与破题思路随着国内碳纤维及碳纤维复合芯导线产业技术的不断进步，碳纤维复合芯导线在旧线路改造中的应用获得了业内认可。但目前缺乏碳纤维复合芯导线的系统性应用规划和应用指导，碳纤维复合芯导线的生产和经营陷入困境，其突出问题有：工程设计缺乏专用软件、数据库和相关规范，限制了推广应用。我国缺乏碳纤维复合芯导线的专业设计软件、设计规范和工程应用数据库，使技术人员前期设计工作受到限制。国内碳纤维复合芯导线的施工规范和试验验收规范有待完善，配套的杆塔需要专门设计、制造。目前，碳纤维复合芯导线无损探测技术已经由山东大学突破。国家电网也已设立专项课题，对碳纤维复合芯导线配套的设计规范、安装施工规范、试验验收规范、入网评价准则开展研究。缺少碳纤维复合芯导线的试验检测数据，阻碍了推广应用。碳纤维复合芯导线的核心部分是碳纤维复合芯，其由碳纤维和玻璃纤维采用拉挤工艺生产。因树脂对温度、湿度的敏感性，以及导线对大长度的要求，碳纤维复合芯的生产要求严格的恒温恒湿控制。目前，国内碳纤维复合芯导线专业生产企业生产工艺控制做到了医药行业一样的管控水平，并对所有产品做性能检验、模拟架线放线的全长弯曲复绕，以确保碳纤维复合芯的质量。河南电力科学研究院和国家电网电力器材产品安全性能质量监督检验中心具有检测输电导线实验条件，为进一步确定碳纤维复合芯导线的安全使用条件，着手对国产碳纤维复合芯导线产品进行安全试验验证。碳纤维复合芯导线价格较高，阻碍了推广应用。经国家电网多次招标，碳纤维复合芯导线已实现国产化应用，目前其市场价格已大幅下降，为同规格钢芯铝绞线价格的2-2.5倍。前期较多的资金投入制约了碳纤维复合芯导线的推广应用，但若考虑节能及节约占地等综合效益，电力设计年费用计算表明：碳纤维复合芯导线综合成本已经和钢芯铝绞线相当。使用碳纤维复合芯导线具有良好的综合经济效益，但由于惯有的投资理念，电网建设重视首次投资，采购招标采用低价中标原则，忽视其综合效益和社会效益，使碳纤维复合芯导线局限在旧线增容改造的少量工程中应用。在新建电网中，杆塔及塔基等配套设施设计仍沿用原钢芯铝绞线的配套设施及条件，则形成资源浪费，使碳纤维复合芯强度高、重量轻、节能的性能优势无法充分体现。通常设计中，对碳纤维复合芯导线一般采用等截面，而不采用等重量方式进行电缆选型。但由于碳纤维复合芯导线已经加强芯材料，进行了替代升级，因此在新建电网中，建议根据碳纤维复合芯导线的特性进行合理的型号选择，并配套设计、使用杆塔及塔基等设施，以最大程度发挥碳纤维复合芯导线的经济性。否则，产业技术进步受到限制，而且招标量少，各碳纤维复合芯导线生产企业竞相压价，产品质量得不到保证，企业无法良性发展。总之，为充分发挥碳纤维复合芯导线的优势及提高综合效益，必须进一步加强碳纤维复合芯导线的应用研究，为