復合材料在電力工程中的開發應用
復合材料在電力工程中的開發應用
國網智能電網研究院
劉輝
2014年4月23日
提 綱
一、碳纖維復合芯導線發展與挑戰
二、復合材料桿塔應用發展與挑戰
三、建議
提 綱
1、ACCC概述
2、國內外發展現狀
3、發展機遇與挑戰
1.1 ACCC概述
碳纖維復合芯導線(ACCC)是一種全新概念的架空輸電線路用導線，用碳纖維復合芯替代傳統的鋼芯鋁絞線中的鋼芯制成，是復合材料在輸電導線中的創新性應用。碳纖維復合芯是由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的單根芯棒。
1.2 ACCC技術特性
碳纖維復合芯導線技術特性
2、國內外發展現狀
2.1 國外發展現狀
研發及應用情況
2005年，美國CTC公司和水銀電纜公司研制出碳纖維復合芯導線并實現產業化應用，整體技術水平國際。
目前，已在17個40余條線路中開展了碳纖維復合芯導線應用，涵蓋了新建和改造線路，總長度約為2000公里（導線總量約為9000公里），電壓等級覆蓋了13.6-550kV。
2.2 國內發展現狀
研發情況
國內：2006年，江蘇遠東、河北硅谷、中復連眾等企業開始自主研制碳纖維復合芯及導線。
公司：2006年，公司組織電科院、智研院、華北、遼寧、浙江、河南公司等單位開展復合芯成型、導線絞制、配套金具、施工工藝等技術研究，已實現國產化和工程應用，整體技術水平與國外相當。
產業化情況
碳纖維復合芯及導線生產廠家接近20家（5家已有供貨業績），年產能超過5萬公里。國內廠家送檢產品技術指標均能滿足相關標準要求，并通過型式試驗，性能指標與國外相當。
應用情況
2006年6月起，我國累計投運碳纖維復合芯導線線路約3300公里（導線總量約10000公里，其產導線用量約5000公里），絕大部分用于110kV、220kV線路改造工程。以華北萬順線（1.2公里）、遼寧綏高線（1.2公里）為代表的500kV線路分別于2009年、2010年投運。
應用情況
3、發展機遇與挑戰
3.1 發展機遇
21世紀我國電網的發展已經進入新階段，電網的資源配置能力、經濟運行效率、安全水平、科技水平和智能化水平需要得到全面提升，加快推進碳纖維復合芯導線等新型節能導線在我國電網中的應用，可進一步實現電網的可靠、安全、經濟、高效和環境友好的目標。
一、電網需求日漸強勁
電網老舊線路改造、新建線路的快速推進，電網科技水平進步及產業結構升級蘊藏著巨大的市場需求潛力，針對增容改造、大跨越、接地極、短期負荷超過熱穩定負荷等線路工程，碳纖維復合芯導線具有經濟優勢，可擴大應用。
二、技術水平基本與國際同步
經過多年技術攻關和經驗積累，以電科院、國網智研院為代表的公司直屬科研單位已全部掌握ACCC結構設計、生產制造、導線絞制、配套金具及施工工藝等關鍵技術，并實現國產化和工程應用，技術水平與國外相當。
三、產業化規模不斷擴大
在國網公司積極引導和市場帶動下，碳纖維復合芯導線企業生產制造經驗不斷豐富，技術水平和生產能力明顯提高，以中復碳芯、江蘇遠東、河北硅谷為代表的國內ACCC制造企業正迅速成長，產能亦逐年擴大（目前產能已超過5萬公里)。
四、檢測平臺及評價體系基本完善
目前，已頒布復合芯棒、導線、配套金具、施工工藝及驗收導則等相關標準1 項、企業標準3 項。
建立了整套評價體系，包括拉伸強度、耐熱性、載流量、弧垂、腐蝕老化、過滑輪等，為碳纖維復合芯導線的推廣應用奠定了基礎。
GB/T 29234-2012 纖維增強樹脂基復合材料芯棒
Q/GDW 1780-2012 碳纖維復合芯鋁絞線配套金具技術規范
Q/GDW 1851-2012 碳纖維復合芯鋁絞線
Q/GDW 388-2009 碳纖維復合芯鋁絞線施工工藝及驗收導則
3.2 面臨的挑戰
我國碳纖維復合芯導線在價格控制、質量控制、施工工藝及關鍵材料國產化等方面仍需進一步提升和完善，創新能力、技術水平和市場競爭力仍需進一步提高，逐步實現從粗放型向集約型轉變。
一、導線價格需逐步調整
2012年，電網公司碳纖維復合芯導線的物資采購招標價格為普通鋼芯鋁絞線的3-4倍。高價格仍是該導線大面積推廣應用的制約因素。為促進碳纖維復合芯導線推廣應用，控制推廣初期的產品價格，應加強與廠家溝通協商，推動導線價格盡快降到合適范圍。
技術經濟評估：采用“等外徑”互換原則，線路初期投資大，碳纖維復合芯導線同鋼芯鋁絞線的年費用差值隨著年利用小時數、上網電價的增大以及碳纖維導線價格的降低而減小，其經濟性優勢逐步顯現。
[-page-]
二、產品質量需加強控制
由于碳纖維復合芯本體離散度大、連續生產工藝要求高、生產工藝標準不統一，考慮國內生產廠家整體技術水平及員工素質，建議加強廠家資質、生產工藝審查，以及產品型式試驗監督，加大抽檢力度，并開展入網評估工作，加強質量檢測，嚴把入網關。
三、施工工藝標準需進一步完善
由于碳纖維復合芯導線的彎曲韌性比鋼芯鋁絞線差，施工工藝與傳統導線差異較大，技術要求高，施工不當可造成芯棒損傷或斷裂，從而導致斷線事故，為降低因施工不當帶來的安全隱患，建議進一步完善施工工藝標準，并提升施工作業人員素質。
四、關鍵材料仍采用進口
為改變發達利用產業規模及成本優勢打壓我國碳纖維技術發展及產業化進程，我國已將發展高性能碳纖維上升到戰略高度。石油、石化等企業正積極推進碳纖維研發及產業化進程。常州中簡、中復神鷹等高新技術企業相繼加入碳纖維研發及生產行列。但整體來講，我國高性能碳纖維還處在研發向產業化過度階段，碳纖維復合芯導線仍采用進口碳纖維。
復合材料桿塔發展與挑戰
1、復合材料桿塔概述
1.1 復合材料桿塔概述
復合材料桿塔是一種新型輸電桿塔型式，采用復合材料替代傳統輸電桿塔的鋼材及混凝土，具有強度高、比重輕、耐腐蝕、可設計性強線路及絕緣性好等優異的綜合性能。
1.2 復合材料桿塔技術特性
電網輸電線路建設正面臨土地資源日益緊張問題
在人口密集、用地日趨緊張的發達城市，可以充分利用復合材料桿塔的電氣絕緣特性，設計高絕緣等級復合材料桿塔，有效壓縮輸電線路走廊寬度，節約大量土地資源。
沿海及重工業污染區桿塔腐蝕嚴重
在鐵塔腐蝕嚴重的沿海、重工業及酸雨地區，利用復合材料高耐腐蝕特性，可降低環境對桿塔的局部及整體銹蝕，延長桿塔使用壽命，節約大量維護成本。
特殊地區桿塔運輸和施工困難、維護成本高
在復雜地形山區，可充分利用復合材料桿塔的輕質高強特性，設計配網用復合材料輕型化桿塔，大幅度降低桿塔的重量，節省大量人工成本和降低施工強度，大幅提高電網建設效率。
2、國內外發展現狀
2.1 國外發展現狀
復合桿塔由于其優良的綜合性能已經在歐美得到應用，其中研究開發和應用為成熟的是美國。美國Ebert Composites 公司、Strongwell公司、Shakespear公司和Newmark公司等制品廠家都研制開發了復合材料桿塔，在低電壓配網中得到了比較廣泛的應用。
加拿大的RS公司采用獨特設計，研發出具有重量輕和安裝方便特點的復合材料桿塔、荷蘭Movares公司、意大利Topglass Composites公司也開展了相關設計、研發和應用工作。
復合桿塔由于其優良的綜合性能已經在歐美得到應用，其中研究開發和應用為成熟的是美國。美國Ebert Composites 公司、Strongwell公司等制品廠家都研制開發了復合材料桿塔并投入運行。
加拿大的RS公司采用獨特設計，研發出具有重量輕和安裝方便特點的復合桿塔、荷蘭Movares公司、意大利Topglass Composites公司也開展了相關設計、研發和應用工作。
2.2 國內發展現狀
復合材料桿塔已在北京青龍湖10kV切改工程、山東聊城光岳站35kV配電送出工程、浙江舟山110kV蘭秀輸電線路工程、北京西湖110kV送電工程、福建平潭澳前進至北厝110kV線路及江蘇220kV茅薔線改造工程中得到成功應用。
發展機遇與挑戰
3.1 發展機遇
復合材料輸電桿塔技術的成功開發和應用，促進了電力行業及其相關產業的技術發展和結構優化升級，特別是電力和復合材料領域基礎原材料的研發、重大技術裝備的研制、生產制備工藝的優化和結構設計水平的提升。
通過國內5個省市6條線路復合材料桿塔示范工程的初步驗證，在線路走廊用地緊張、桿塔腐蝕嚴重的沿海及重工業污染區、桿塔運輸及施工困難等地區，復合材料桿塔可作為現有輸電桿塔的有益補充，產業規模較大。
3.2 面臨的挑戰
材料特性
目前樹脂基復合材料的電絕緣特性能還不能滿足220kV及以上輸電線路的外絕緣要求。
安全性評定
復合桿塔整體安全性評定，特別是在高電壓等級電絕緣特性、微風振動抗疲勞特性方面的安全評價體系還未建立。
防雷接地
高電壓等級復合材料桿塔防雷接地方式還需要進一步研究及工程驗證。
設計選型
材料類型設計、塔形設計、絕緣配合、節點連接設計及原有設計規程的突破還有待進一步深入研究。
規程規范
復合材料桿塔配套的相關高電壓等級的設計規程規范還需完善。在材料相關結構的設計參數選擇、設計計算方法以及塔形形式設計等方面還缺乏具體規范。
輕型化
現有試點應用的復合材料桿塔設計冗余過大，因此如何突破現有桿塔載荷變形量的限制，實現輕型化復合材料桿塔設計仍為下一步的研究重點。
工程造價
復合桿塔的造價遠高于普通桿塔，需要開展復合材料桿塔低成本化的技術研究，更有利于推廣應用。
三、 建議
鑒于國內外復合材料研發現狀及電網輸電線路對其需求，該領域未來研究重點
