碳纖維材料在電網(wǎng)中的應(yīng)用情況

今年以來，碳纖維在電網(wǎng)中的應(yīng)用不斷增多：4月28日，河南鄭州電網(wǎng)首次在110千伏線路上使用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線；5月15日，碳纖維導(dǎo)線在陜西電網(wǎng)首次亮相；10月16日，國家電網(wǎng)公司科技項目“國產(chǎn)碳纖維在復(fù)合材料導(dǎo)線中的應(yīng)用技術(shù)研究”通過驗收。碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用于電網(wǎng)中有哪些優(yōu)勢？現(xiàn)在的產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢是怎樣的？
碳纖維：被寄予厚望的新材料
近年來，無論是我國政府還是國家電網(wǎng)公司，都在大力推動新材料、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用。這里所說的新材料，是指新出現(xiàn)的或正在發(fā)展的、具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能的材料。從這個角度看，碳纖維無疑算是新材料的典型代表。
碳纖維是一種主要由碳元素組成的高性能纖維，其含碳量隨種類不同而異，但一般在90%以上。碳纖維既具有碳素材料的固有特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟性和可加工性。因此，碳纖維是一類性能神奇、用途廣泛的化工新材料，有人甚至賦予其“新材料之王”和“夢幻材料”的美譽。 123456
在碳纖維的眾多性能中，其力學(xué)性能最為人所津津樂道——密度不到鋼的四分之一，抗拉強度卻是鋼的7~9倍，抗拉彈性也高于鋼。
因為新材料都具備優(yōu)異性能，以碳纖維為代表的新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到我國高度重視，并被寄予厚望。
2009年11月，國務(wù)院總理溫家寶發(fā)表《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》的講話，新材料產(chǎn)業(yè)由幕后走向臺前，產(chǎn)業(yè)扶持政策相繼推出。2012年2月發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，碳纖維低成本化與高端創(chuàng)新示范工程成為十項重大工程之一，可見政策制定部門對于碳纖維產(chǎn)業(yè)的重視。
根據(jù)《規(guī)劃》，“十二五”期間，國家將重點建設(shè)江蘇連云港、山東威海、吉林碳纖維及其復(fù)合材料基地，組織開發(fā)聚丙烯腈基碳纖維的原絲產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，圍繞聚丙烯腈基碳纖維及其配套原絲開展技術(shù)改造，提高現(xiàn)有纖維的產(chǎn)業(yè)化水平。到2015年，實現(xiàn)碳纖維產(chǎn)能1.2萬噸，基本滿足航空航天、能源電力等領(lǐng)域的需求。 copyright 123456
5月30日，國務(wù)院常務(wù)會議討論通過《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，其中提到“新材料產(chǎn)業(yè)要大力發(fā)展新型功能材料、先進結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料”。其中，要“大力發(fā)展”的“先進結(jié)構(gòu)材料”和“復(fù)合材料”都與碳纖維有關(guān)。
碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線：
理想的架空輸電線路材料
現(xiàn)代經(jīng)濟的快速發(fā)展對電網(wǎng)的輸電能力提出了更高要求。為了提高輸電線路的輸送容量，在現(xiàn)有線路走廊的基礎(chǔ)上盡可能多地輸送電力，各國都在努力尋求理想的架空輸電線路用導(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線。2003年，美國復(fù)合技術(shù)有限公司首次推出碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，使得這種新材料導(dǎo)線迅速成為輸電線路領(lǐng)域的明星。
碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與傳統(tǒng)的鋼芯導(dǎo)線相比，有很多優(yōu)點：
第一，重量輕，密度小。碳纖維復(fù)合芯的密度為1.90克每立方厘米，而鋼芯為7.8克每立方厘米。這意味著，使用碳纖維復(fù)合芯的話，可以使塔桿間距增大，從而減少16%的桿塔，相應(yīng)地減少占地面積，節(jié)省投資。

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第二，強度高，拉斷的抗破壞力大。碳纖維復(fù)合芯的拉伸強度是普通鋼絲的1.97倍，是高強度鋼的1.7倍。實驗表明，前者比鋼的抗破壞力提高了30%左右。
第三，導(dǎo)電率高，載流量大。在相同直徑條件下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的載流量提高了29%。
第四，線路損耗小。碳纖維復(fù)合材料是一種非磁性材料，當(dāng)導(dǎo)線通過交流電時，不會產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，呈現(xiàn)出較小的交流電阻。一般來說，可減少輸電損耗6%。
此外，碳纖維復(fù)合芯還耐腐蝕，使用壽命長，熱膨脹系數(shù)小。條件試驗表明，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線比普通鋼芯導(dǎo)線更加適應(yīng)晝夜溫差大、冬夏溫差大的地區(qū)。
目前，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在全球范圍內(nèi)已經(jīng)進行了幾萬千米的掛網(wǎng)實驗，我國也有130多條線路掛線運行，總長超過7000千米。
國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀：
發(fā)展空間大并有待提高水平 123456
我國從20世紀60年代起就注意到發(fā)展碳纖維的重要性，基本與國外同時起步。多年來雖然取得了一些進展，但總體來說發(fā)展較為緩慢，與國外先進國家有較大差距，研制和生產(chǎn)水平大約相當(dāng)于國外上世紀70年代末期水平，可謂是研發(fā)“老人”，產(chǎn)業(yè)化“新手”。
當(dāng)前，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著三大問題：首先，原絲質(zhì)量不過關(guān)。原絲水平落后是制約我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大因素，不僅影響碳纖維的質(zhì)量，也影響其產(chǎn)量、生產(chǎn)成本和市場競爭能力。因此，建設(shè)高質(zhì)量的原絲生產(chǎn)線，保證碳纖維生產(chǎn)穩(wěn)定、質(zhì)量優(yōu)異，才能在關(guān)鍵技術(shù)上打破國外的封鎖與壟斷。其次，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)線規(guī)模小。價格無疑是制約碳纖維應(yīng)用的重要因素之一。當(dāng)前世界主要碳纖維生產(chǎn)廠商都在致力于降低碳纖維生產(chǎn)成本，但國內(nèi)很多企業(yè)的生產(chǎn)成本甚至要高于國外企業(yè)的碳纖維銷售價格。最后，產(chǎn)品質(zhì)量有待提高。與國外企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)高質(zhì)量碳纖維相比，國產(chǎn)碳纖維目前還存在毛絲較多等質(zhì)量問題。
雖然存在著諸多問題，但是也應(yīng)看到，我國碳纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化正處于歷史最好時期——國家投入大量資金對碳纖維的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用進行研究；許多地方政府正在積極招商引資；相關(guān)企業(yè)也有大手筆的投資。
應(yīng)用初期，碳纖維導(dǎo)線的價格約為普通鋼芯鋁絞線的10倍，目前則已經(jīng)降至3~4倍。雖然采用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的一次性投資仍然較大，但是隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國部分地區(qū)電力供需矛盾將更為突出，利用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線改造現(xiàn)有輸電線路，依然是一個較有誘惑力的選擇。同時，使用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在降低線路損耗上具有比傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線更明顯的優(yōu)勢，這進一步增強了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在電網(wǎng)中應(yīng)用的優(yōu)勢。
目前，我國每年新增輸電線路約100萬千米，改造老化線路約20萬千米。隨著碳纖維導(dǎo)線滲透率的提高，碳纖維的用量也將增加。 123456
從國家電網(wǎng)公司的特高壓工程實踐看，國家電網(wǎng)公司支持國產(chǎn)化產(chǎn)品的策略，推動了國產(chǎn)輸變電裝備的技術(shù)提升。我們相信，國家電網(wǎng)公司對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的嘗試應(yīng)用，也將帶動國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。