复合材料在电力工程中的开发应用
复合材料在电力工程中的开发应用
国网智能电网研究院
刘辉
2014年4月23日
提 纲
一、碳纤维复合芯导线发展与挑战
二、复合材料杆塔应用发展与挑战
三、建议
提 纲
1、ACCC概述
2、国内外发展现状
3、发展机遇与挑战
1.1 ACCC概述
碳纤维复合芯导线(ACCC)是一种全新概念的架空输电线路用导线，用碳纤维复合芯替代传统的钢芯铝绞线中的钢芯制成，是复合材料在输电导线中的创新性应用。碳纤维复合芯是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒。
1.2 ACCC技术特性
碳纤维复合芯导线技术特性
2、国内外发展现状
2.1 国外发展现状
研发及应用情况
2005年，美国CTC公司和水银电缆公司研制出碳纤维复合芯导线并实现产业化应用，整体技术水平国际。
目前，已在17个40余条线路中开展了碳纤维复合芯导线应用，涵盖了新建和改造线路，总长度约为2000公里（导线总量约为9000公里），电压等级覆盖了13.6-550kV。
2.2 国内发展现状
研发情况
国内：2006年，江苏远东、河北硅谷、中复连众等企业开始自主研制碳纤维复合芯及导线。
公司：2006年，公司组织电科院、智研院、华北、辽宁、浙江、河南公司等单位开展复合芯成型、导线绞制、配套金具、施工工艺等技术研究，已实现国产化和工程应用，整体技术水平与国外相当。
产业化情况
碳纤维复合芯及导线生产厂家接近20家（5家已有供货业绩），年产能超过5万公里。国内厂家送检产品技术指标均能满足相关标准要求，并通过型式试验，性能指标与国外相当。
应用情况
2006年6月起，我国累计投运碳纤维复合芯导线线路约3300公里（导线总量约10000公里，其产导线用量约5000公里），绝大部分用于110kV、220kV线路改造工程。以华北万顺线（1.2公里）、辽宁绥高线（1.2公里）为代表的500kV线路分别于2009年、2010年投运。
应用情况
3、发展机遇与挑战
3.1 发展机遇
21世纪我国电网的发展已经进入新阶段，电网的资源配置能力、经济运行效率、安全水平、科技水平和智能化水平需要得到全面提升，加快推进碳纤维复合芯导线等新型节能导线在我国电网中的应用，可进一步实现电网的可靠、安全、经济、高效和环境友好的目标。
一、电网需求日渐强劲
电网老旧线路改造、新建线路的快速推进，电网科技水平进步及产业结构升级蕴藏着巨大的市场需求潜力，针对增容改造、大跨越、接地极、短期负荷超过热稳定负荷等线路工程，碳纤维复合芯导线具有经济优势，可扩大应用。
二、技术水平基本与国际同步
经过多年技术攻关和经验积累，以电科院、国网智研院为代表的公司直属科研单位已全部掌握ACCC结构设计、生产制造、导线绞制、配套金具及施工工艺等关键技术，并实现国产化和工程应用，技术水平与国外相当。
三、产业化规模不断扩大
在国网公司积极引导和市场带动下，碳纤维复合芯导线企业生产制造经验不断丰富，技术水平和生产能力明显提高，以中复碳芯、江苏远东、河北硅谷为代表的国内ACCC制造企业正迅速成长，产能亦逐年扩大（目前产能已超过5万公里)。
四、检测平台及评价体系基本完善
目前，已颁布复合芯棒、导线、配套金具、施工工艺及验收导则等相关标准1 项、企业标准3 项。
建立了整套评价体系，包括拉伸强度、耐热性、载流量、弧垂、腐蚀老化、过滑轮等，为碳纤维复合芯导线的推广应用奠定了基础。
GB/T 29234-2012 纤维增强树脂基复合材料芯棒
Q/GDW 1780-2012 碳纤维复合芯铝绞线配套金具技术规范
Q/GDW 1851-2012 碳纤维复合芯铝绞线
Q/GDW 388-2009 碳纤维复合芯铝绞线施工工艺及验收导则
3.2 面临的挑战
我国碳纤维复合芯导线在价格控制、质量控制、施工工艺及关键材料国产化等方面仍需进一步提升和完善，创新能力、技术水平和市场竞争力仍需进一步提高，逐步实现从粗放型向集约型转变。
一、导线价格需逐步调整
2012年，电网公司碳纤维复合芯导线的物资采购招标价格为普通钢芯铝绞线的3-4倍。高价格仍是该导线大面积推广应用的制约因素。为促进碳纤维复合芯导线推广应用，控制推广初期的产品价格，应加强与厂家沟通协商，推动导线价格尽快降到合适范围。
技术经济评估：采用“等外径”互换原则，线路初期投资大，碳纤维复合芯导线同钢芯铝绞线的年费用差值随着年利用小时数、上网电价的增大以及碳纤维导线价格的降低而减小，其经济性优势逐步显现。
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二、产品质量需加强控制
由于碳纤维复合芯本体离散度大、连续生产工艺要求高、生产工艺标准不统一，考虑国内生产厂家整体技术水平及员工素质，建议加强厂家资质、生产工艺审查，以及产品型式试验监督，加大抽检力度，并开展入网评估工作，加强质量检测，严把入网关。
三、施工工艺标准需进一步完善
由于碳纤维复合芯导线的弯曲韧性比钢芯铝绞线差，施工工艺与传统导线差异较大，技术要求高，施工不当可造成芯棒损伤或断裂，从而导致断线事故，为降低因施工不当带来的安全隐患，建议进一步完善施工工艺标准，并提升施工作业人员素质。
四、关键材料仍采用进口
为改变发达利用产业规模及成本优势打压我国碳纤维技术发展及产业化进程，我国已将发展高性能碳纤维上升到战略高度。石油、石化等企业正积极推进碳纤维研发及产业化进程。常州中简、中复神鹰等高新技术企业相继加入碳纤维研发及生产行列。但整体来讲，我国高性能碳纤维还处在研发向产业化过度阶段，碳纤维复合芯导线仍采用进口碳纤维。
复合材料杆塔发展与挑战
1、复合材料杆塔概述
1.1 复合材料杆塔概述
复合材料杆塔是一种新型输电杆塔型式，采用复合材料替代传统输电杆塔的钢材及混凝土，具有强度高、比重轻、耐腐蚀、可设计性强线路及绝缘性好等优异的综合性能。
1.2 复合材料杆塔技术特性
电网输电线路建设正面临土地资源日益紧张问题
在人口密集、用地日趋紧张的发达城市，可以充分利用复合材料杆塔的电气绝缘特性，设计高绝缘等级复合材料杆塔，有效压缩输电线路走廊宽度，节约大量土地资源。
沿海及重工业污染区杆塔腐蚀严重
在铁塔腐蚀严重的沿海、重工业及酸雨地区，利用复合材料高耐腐蚀特性，可降低环境对杆塔的局部及整体锈蚀，延长杆塔使用寿命，节约大量维护成本。
特殊地区杆塔运输和施工困难、维护成本高
在复杂地形山区，可充分利用复合材料杆塔的轻质高强特性，设计配网用复合材料轻型化杆塔，大幅度降低杆塔的重量，节省大量人工成本和降低施工强度，大幅提高电网建设效率。
2、国内外发展现状
2.1 国外发展现状
复合杆塔由于其优良的综合性能已经在欧美得到应用，其中研究开发和应用为成熟的是美国。美国Ebert Composites 公司、Strongwell公司、Shakespear公司和Newmark公司等制品厂家都研制开发了复合材料杆塔，在低电压配网中得到了比较广泛的应用。
加拿大的RS公司采用独特设计，研发出具有重量轻和安装方便特点的复合材料杆塔、荷兰Movares公司、意大利Topglass Composites公司也开展了相关设计、研发和应用工作。
复合杆塔由于其优良的综合性能已经在欧美得到应用，其中研究开发和应用为成熟的是美国。美国Ebert Composites 公司、Strongwell公司等制品厂家都研制开发了复合材料杆塔并投入运行。
加拿大的RS公司采用独特设计，研发出具有重量轻和安装方便特点的复合杆塔、荷兰Movares公司、意大利Topglass Composites公司也开展了相关设计、研发和应用工作。
2.2 国内发展现状
复合材料杆塔已在北京青龙湖10kV切改工程、山东聊城光岳站35kV配电送出工程、浙江舟山110kV兰秀输电线路工程、北京西湖110kV送电工程、福建平潭澳前进至北厝110kV线路及江苏220kV茅蔷线改造工程中得到成功应用。
发展机遇与挑战
3.1 发展机遇
复合材料输电杆塔技术的成功开发和应用，促进了电力行业及其相关产业的技术发展和结构优化升级，特别是电力和复合材料领域基础原材料的研发、重大技术装备的研制、生产制备工艺的优化和结构设计水平的提升。
通过国内5个省市6条线路复合材料杆塔示范工程的初步验证，在线路走廊用地紧张、杆塔腐蚀严重的沿海及重工业污染区、杆塔运输及施工困难等地区，复合材料杆塔可作为现有输电杆塔的有益补充，产业规模较大。
3.2 面临的挑战
材料特性
目前树脂基复合材料的电绝缘特性能还不能满足220kV及以上输电线路的外绝缘要求。
安全性评定
复合杆塔整体安全性评定，特别是在高电压等级电绝缘特性、微风振动抗疲劳特性方面的安全评价体系还未建立。
防雷接地
高电压等级复合材料杆塔防雷接地方式还需要进一步研究及工程验证。
设计选型
材料类型设计、塔形设计、绝缘配合、节点连接设计及原有设计规程的突破还有待进一步深入研究。
规程规范
复合材料杆塔配套的相关高电压等级的设计规程规范还需完善。在材料相关结构的设计参数选择、设计计算方法以及塔形形式设计等方面还缺乏具体规范。
轻型化
现有试点应用的复合材料杆塔设计冗余过大，因此如何突破现有杆塔载荷变形量的限制，实现轻型化复合材料杆塔设计仍为下一步的研究重点。
工程造价
复合杆塔的造价远高于普通杆塔，需要开展复合材料杆塔低成本化的技术研究，更有利于推广应用。
三、 建议
鉴于国内外复合材料研发现状及电网输电线路对其需求，该领域未来研究重点
