碳纖維復合芯導線應用

1、碳纖維資訊 微信號 cfrp888 功能介紹 每天推送碳纖維資訊，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，新聞，碳纖維應用等信息 碳纖維復合芯導線應用Carbon fiber composite core碳纖維復合芯導線具有載流量大、增容和裕容特性優(yōu)異、重量輕、強度高、安全性好等優(yōu)勢，市場前景良好。然而國產(chǎn)碳纖維復合芯導線在電力領(lǐng)域的實際應用存在諸多難題，亟須破解，以提升我國碳纖維產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力和競爭能力。本文發(fā)表于中國工業(yè)評論雜志第8期2014年，全球碳纖維區(qū)域理論產(chǎn)能達到118000噸，而且各大碳纖維制造商還陸續(xù)宣布了大幅擴產(chǎn)計劃。國際碳纖維應用市場需求量為53500噸，繼續(xù)以6%8%的年增速不斷擴大，應用領(lǐng)域進一

2、步拓展，其主要應用領(lǐng)域比例如下：航空航天29%、體育休閑14%、汽車13%、葉片11%、壓力容器5%。國際碳纖維產(chǎn)業(yè)及下游應用市場均呈現(xiàn)欣欣向榮的景象。國內(nèi)碳纖維應用水平差距 近10年，國產(chǎn)高性能碳纖維及其復合材料在關(guān)鍵技術(shù)、裝備及應用等方面取得了突破性進展。我國T300級規(guī)?；祭w維產(chǎn)品性能已經(jīng)達到國際水平，并在航空航天領(lǐng)域得到了應用；低成本干噴濕紡T700級碳纖維已建成千噸級生產(chǎn)線，產(chǎn)品進入初步應用階段；T800級碳纖維噸級線建成，并已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。但高模、高模高強碳纖維的工程化制備技術(shù)以及更高等級碳纖維的制備關(guān)鍵技術(shù)還有待攻關(guān)。截至2014年底，我國大小碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有近40家，理論產(chǎn)能

3、19，600噸，實際產(chǎn)量3700噸，主要產(chǎn)品為12K及以下規(guī)格小絲束PAN基碳纖維。2014年，國內(nèi)碳纖維總需求量約1.23萬噸，其中，60%應用于體育休閑領(lǐng)域，15%應用于建筑領(lǐng)域，8%應用于電力（電纜）領(lǐng)域，3%應用于航空航天。但國內(nèi)碳纖維應用水平與國外存在較大的差距，尤其國產(chǎn)碳纖維在以下領(lǐng)域的應用比例偏低。由于低成本、穩(wěn)定化、規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)的欠缺，絕大多數(shù)國內(nèi)碳纖維產(chǎn)品的成本與市場售價倒掛，我國碳纖維企業(yè)面臨著國內(nèi)企業(yè)間競爭和國外企業(yè)惡意壓價的內(nèi)憂外患，生存狀況不容樂觀。為改善我國碳纖維研發(fā)、生產(chǎn)與應用相互脫節(jié)，市場應用技術(shù)開發(fā)滯后，產(chǎn)業(yè)牽引力不足的不利局面，中國碳纖維及復合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展

4、聯(lián)盟以碳纖維在電力方面的應用為突破口，協(xié)調(diào)組織產(chǎn)業(yè)內(nèi)企業(yè)和應用單位，聯(lián)合推進碳纖維復合芯導線在新建線路中的應用，以期聚焦、突破產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵和共性技術(shù)難題，提高產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力和競爭能力，擴大我國碳纖維及復合材料產(chǎn)業(yè)在工業(yè)領(lǐng)域的應用。碳纖維復合芯導線的應用優(yōu)勢 碳纖維復合芯導線是一種采用環(huán)氧樹脂浸潤碳纖維、玻璃纖維后，固化形成碳纖維復合芯并在其外層絞合梯形鋁線的架空裸導線。與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復合導線具有重量輕、弛垂小、強度大、低線損、耐高溫、耐腐蝕、與環(huán)境親和等優(yōu)點，弛度特性良好，實現(xiàn)了電力傳輸?shù)墓?jié)能、環(huán)保與安全。碳纖維復合芯導線載流量大，增容和裕容特性優(yōu)異。碳纖維復合芯導線通過以下方法實現(xiàn)增

5、容：它采用軟鋁替代硬鋁，導電率從61%IACS增到63%IACS；與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復合芯導線可在160下運行，因此可提高運行溫度，實現(xiàn)高溫增容；與傳統(tǒng)圓線結(jié)構(gòu)相比，碳纖維復合芯導線外層采用型線結(jié)構(gòu)，相同外徑下，導線鋁截面填充率可以增加10%-30%；在單位長度等重量的情況下，碳纖維復合芯導線的鋁截面比鋼芯鋁絞線增加10%-30%。對已建線路改造工程，在不更換原有桿塔的情況下，采用碳纖維復合芯導線，可以成倍提高線路輸送容量。對新建線路，尤其是輸送容量不穩(wěn)定或需求不明朗的新建線路，采用碳纖維復合芯導線能提供強大的裕容能力，滿足未來區(qū)域輸送容量的增長要求，并可適應輸送容量的大落差波動，增強線

6、路對輸送容量變化的應變能力。碳纖維復合芯導線重量輕、強度高、安全性好。普通鍍鋅鋼絲的密度為7.8kg/dm3，強度在1240Mpa-1340Mpa之間，而碳纖維復合芯的密度為2.0kg/dm3，是鍍鋅鋼絲的1/4，強度分為兩個等級：2100Mpa和2400Mpa?？梢娞祭w維復合芯導線的重量輕，強度高，安全性更好。碳纖維復合芯導線初始弧垂及弧垂變化小，綜合經(jīng)濟性較好。碳纖維復合芯導線拉重比大，線膨脹系數(shù)小，線路架設的初始弧垂小，運行過程中弧垂變化少，因此可降低桿塔高度，節(jié)約桿塔數(shù)量，減少塔基占地面積，從而節(jié)約土地資源，降低輸電線路綜合建造成本。碳纖維復合芯導線傳輸損失小，節(jié)約能源。在相同外徑、相

7、同傳輸容量下，碳纖維復合芯導線的線損更低，可以節(jié)約能源，降低線路運行成本。碳纖維復合芯導線有較好的防覆冰和耐覆冰特性，環(huán)境適應性好。碳纖維復合芯導線可以輸送更大的負荷，運行線溫可更高，且外徑光滑，因此具有很好的防冰性能。同時，由于強度高，碳纖維復合芯導線具有更好的耐覆冰性能，可以在北方寒冷環(huán)境中使用。碳纖維復合芯導線耐環(huán)境老化性能好，壽命長。碳纖維耐腐蝕，碳纖維復合芯導線對酸雨等環(huán)境具有極強的抵抗力，也避免了傳統(tǒng)導線在通電時鋁線與鍍鋅鋼線之間的電化學腐蝕現(xiàn)象，具有優(yōu)異的介電性能，使用壽命長。國外生產(chǎn)與應用現(xiàn)狀 為解決現(xiàn)有輸電線路導線弧垂過大，對地凈距離不足的問題，20世紀90年代，日本開發(fā)出新

8、型碳纖維芯鋁絞線，以替代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線。這種復合材料芯線主要由碳纖維和熱硬化性樹脂構(gòu)成。用12000根直徑為7m的聚丙烯晴碳纖維，涂上未硬化的熱硬化性樹脂絞在一起，再纏上有機纖維形成一根股線，然后，用7根股線絞成合成絞線。再經(jīng)過最后的熱處理使樹脂完全硬化，形成復合材料芯線。美國CTC(CompositeTechonologyComporation)公司成功開發(fā)了新型復合材料合成芯導線。其系列ACCC(復合芯鋁絞線)導線芯是由碳纖維為中心層，和玻璃纖維包覆制成的單根芯棒，將碳纖維與玻璃纖維進行預拉伸后，環(huán)氧樹脂浸漬，然后在高溫模子中固化成型。芯線外層與鄰外層為梯形截面鋁線股。導線經(jīng)常規(guī)型試驗，

9、證明其具有良好的機械特性和電氣特性。ACCC導線與常規(guī)的鋼芯鋁絞線相比，在外徑相同時，復合芯鋁絞線外層允許纏繞超過28%的導電鋁線。成品重量與常規(guī)的鋼芯鋁絞線相似，它能夠利用現(xiàn)有線路鐵塔而不需改造。碳纖維復合芯鋁絞線ACCC能夠傳輸相同外徑鋼芯鋁絞線兩倍的電流，而且在容量增加一倍的同時，顯著地提高了電網(wǎng)的安全性和可靠性。國內(nèi)生產(chǎn)應用現(xiàn)狀與市場前景 隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展、工業(yè)化與城鎮(zhèn)化步伐不斷加快，我國對用電量的需求急劇增加，原有輸電線路面臨著成倍擴容的需求。此外，西電東送、南北互供，以及各類特高壓聯(lián)網(wǎng)等工程也需要建設大容量的新電網(wǎng)。若采用多分裂、大截面的傳統(tǒng)鋼芯鋁絞導線增加輸電容量，則因

10、導線荷載加重，需要大大增加鐵塔占地、塔材和基礎投資。另外，在桿塔荷載大的中國重覆冰地區(qū)、沿海高風速地區(qū)和容量不穩(wěn)定的風電輸送等工程，傳統(tǒng)導線的經(jīng)濟性較差。為節(jié)約材料和土地資源，減少運輸途中電耗，自2005年以來，中國電力科學研究院、上海電纜研究所、遠東復合技術(shù)有限公司、中復碳芯電纜科技有限公司等近20家單位開展了碳纖維復合芯導線的產(chǎn)品研究、制造和工程應用研究，并成功研發(fā)出碳纖維復合芯導線。目前，國內(nèi)有碳纖維復合芯導線生產(chǎn)企業(yè)14家，年產(chǎn)能超過10萬公里。其中，自主研發(fā)的產(chǎn)品已達到國外同類型產(chǎn)品的技術(shù)性能水平，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、拉伸強度等超過國外同類型產(chǎn)品。在標準制定方面，上海電纜研究所牽頭國內(nèi)十

11、余家單位，共同完成了碳纖維復合芯的國家標準纖維增強樹脂基復合材料芯棒（GB/T29234-2012），以及導線的國家標準復合材料芯架空導線（送審稿）。中國電力科學研究院牽頭完成了國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準碳纖維復合材料芯架空導線（Q/GDW1851-2012）、碳纖維復合芯鋁絞線施工工藝及驗收導則（GDW388-2009），為碳纖維復合芯導線的推廣奠定了技術(shù)基礎。2006年7月，首條ACCC碳纖維復合芯導線在福建龍巖電業(yè)局“園田塘曹溪220kV”高壓輸電線路掛網(wǎng)運行，該線路全長5.2公里，改造后輸送容量提高一倍。該工程利用原線路鐵塔及大部分金具、瓷瓶等原設備，施工比常規(guī)導線工程改造縮短三個多月的工期

12、，大大縮短了舊線路改造的停電時間。此后逐步在遼寧、深圳、陜西、北京等全國多個省區(qū)輸電線路工程中試用。2008年，嘉興“220kV汾湖嘉善”同塔雙回路增容改造線路總長度11.5公里，技改工程采用ACCC/TW-413替換LGJ-400/35導線后，輸送容量比原來擴大了一倍，但重量卻減輕了大約20%。2008年，天津電網(wǎng)在景衛(wèi)220kV、總長度11.26公里線路使用碳纖維復合芯導線，總投資低于新建同容量常規(guī)線路投資約30%，減少新建線路一半占地面積，節(jié)約了可觀的土地資源。其試運行兩年來，安全穩(wěn)定，效益明顯。截至2014年初，全國已有超過300多條碳纖維復合芯導線輸電線路運行，基本上屬于增容改造或擴

13、建線路，電壓等級覆蓋35kV到500kV。其中，在220kV電力線路上，最長已經(jīng)運行了近5年的時間，在500kV萬順線上已經(jīng)運行了1年多時間，整體運行狀態(tài)良好，相關(guān)參數(shù)符合規(guī)范要求?？傮w看，近5年工程應用方面取得了明顯進步，發(fā)展勢頭良好。我國已成為世界上使用碳纖維復合芯導線最多的國家，單線總長度超過2萬公里，其中，國產(chǎn)碳纖維復合芯導線單線長度超過1萬公里，在施工和運行等方面積累了一定經(jīng)驗。我國電力工業(yè)每年將以13%的速度發(fā)展，電線電纜市場需求巨大。若按10%的需求以碳纖維復合芯導線替換，每年需求量將超過200萬km，潛在的應用市場相當可觀。存在問題與破題思路 隨著國內(nèi)碳纖維及碳纖維復合芯導線產(chǎn)

14、業(yè)技術(shù)的不斷進步，碳纖維復合芯導線在舊線路改造中的應用獲得了業(yè)內(nèi)認可。但目前缺乏碳纖維復合芯導線的系統(tǒng)性應用規(guī)劃和應用指導，碳纖維復合芯導線的生產(chǎn)和經(jīng)營陷入困境，其突出問題有：工程設計缺乏專用軟件、數(shù)據(jù)庫和相關(guān)規(guī)范，限制了推廣應用。我國缺乏碳纖維復合芯導線的專業(yè)設計軟件、設計規(guī)范和工程應用數(shù)據(jù)庫，使技術(shù)人員前期設計工作受到限制。國內(nèi)碳纖維復合芯導線的施工規(guī)范和試驗驗收規(guī)范有待完善，配套的桿塔需要專門設計、制造。目前，碳纖維復合芯導線無損探測技術(shù)已經(jīng)由山東大學突破。國家電網(wǎng)也已設立專項課題，對碳纖維復合芯導線配套的設計規(guī)范、安裝施工規(guī)范、試驗驗收規(guī)范、入網(wǎng)評價準則開展研究。缺少碳纖維復合芯導線的

15、試驗檢測數(shù)據(jù)，阻礙了推廣應用。碳纖維復合芯導線的核心部分是碳纖維復合芯，其由碳纖維和玻璃纖維采用拉擠工藝生產(chǎn)。因樹脂對溫度、濕度的敏感性，以及導線對大長度的要求，碳纖維復合芯的生產(chǎn)要求嚴格的恒溫恒濕控制。目前，國內(nèi)碳纖維復合芯導線專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)工藝控制做到了醫(yī)藥行業(yè)一樣的管控水平，并對所有產(chǎn)品做性能檢驗、模擬架線放線的全長彎曲復繞，以確保碳纖維復合芯的質(zhì)量。河南電力科學研究院和國家電網(wǎng)電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心具有檢測輸電導線實驗條件，為進一步確定碳纖維復合芯導線的安全使用條件，著手對國產(chǎn)碳纖維復合芯導線產(chǎn)品進行安全試驗驗證。碳纖維復合芯導線價格較高，阻礙了推廣應用。經(jīng)國家電網(wǎng)多次

16、招標，碳纖維復合芯導線已實現(xiàn)國產(chǎn)化應用，目前其市場價格已大幅下降，為同規(guī)格鋼芯鋁絞線價格的2-2.5倍。前期較多的資金投入制約了碳纖維復合芯導線的推廣應用，但若考慮節(jié)能及節(jié)約占地等綜合效益，電力設計年費用計算表明：碳纖維復合芯導線綜合成本已經(jīng)和鋼芯鋁絞線相當。使用碳纖維復合芯導線具有良好的綜合經(jīng)濟效益，但由于慣有的投資理念，電網(wǎng)建設重視首次投資，采購招標采用低價中標原則，忽視其綜合效益和社會效益，使碳纖維復合芯導線局限在舊線增容改造的少量工程中應用。在新建電網(wǎng)中，桿塔及塔基等配套設施設計仍沿用原鋼芯鋁絞線的配套設施及條件，則形成資源浪費，使碳纖維復合芯強度高、重量輕、節(jié)能的性能優(yōu)勢無法充分體現(xiàn)

17、。通常設計中，對碳纖維復合芯導線一般采用等截面，而不采用等重量方式進行電纜選型。但由于碳纖維復合芯導線已經(jīng)加強芯材料，進行了替代升級，因此在新建電網(wǎng)中，建議根據(jù)碳纖維復合芯導線的特性進行合理的型號選擇，并配套設計、使用桿塔及塔基等設施，以最大程度發(fā)揮碳纖維復合芯導線的經(jīng)濟性。否則，產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步受到限制，而且招標量少，各碳纖維復合芯導線生產(chǎn)企業(yè)競相壓價，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，企業(yè)無法良性發(fā)展?？傊?，為充分發(fā)揮碳纖維復合芯導線的優(yōu)勢及提高綜合效益，必須進一步加強碳纖維復合芯導線的應用研究，為碳纖維復合芯導線的大規(guī)模應用提供技術(shù)保障。碳纖維作為戰(zhàn)略性產(chǎn)品，關(guān)乎國家安危。若國內(nèi)電網(wǎng)使用碳纖維復合芯導線4

18、0000公里年，則可以拉動碳纖維應用1300噸年，將大大促進國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。破題關(guān)鍵在政府和國家電網(wǎng)公司應推出支持措施。建議設立國產(chǎn)碳纖維復合芯導線應用專題項目，組織國家電網(wǎng)、碳纖維復合芯導線制造企業(yè)、碳纖維制造企業(yè)聯(lián)合開展研究，形成產(chǎn)品掛網(wǎng)應用，并開展應用示范。對碳纖維復合芯導線制造上下游產(chǎn)業(yè)制定財稅、金融等綜合配套政策，分別給予扶持。將電網(wǎng)使用國產(chǎn)碳纖維復合芯導線的數(shù)量作為項目終極考核目標，強化實際應用效果，以促進國產(chǎn)碳纖維及碳纖維復合芯導線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。針對碳纖維復合芯導線在舊線改造工程中的投資優(yōu)勢、新建線路中的長期運行年費用優(yōu)勢、大跨越低弧垂等特殊情況應用優(yōu)勢，建議電網(wǎng)公司制定長期應用發(fā)展規(guī)劃，明確碳纖維復合芯導線在電網(wǎng)相關(guān)項目中的應用量。在電網(wǎng)舊線改造中，主張選用碳纖維復合芯導線，淘汰傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，充分發(fā)揮碳纖維復合芯導線的增容特性。在電網(wǎng)新建線路建設上，規(guī)定碳纖維復合芯導線用量不低于5%的使用份額，充分發(fā)揮其節(jié)能、省資源的經(jīng)濟效益和社會效益。在大跨越或低弧垂等特殊要求線路，全部選用碳纖維復合芯導線，充分發(fā)揮碳纖維復合芯導線質(zhì)量輕、弧垂變化小的特性。為推廣碳纖維復合芯導線應用，建議電網(wǎng)公司分階段建設一批示范工程項目：輸電走廊容量有限、需改造增容的線路示范工程；電力輸送波動較大