近日,由国网内蒙古东部电力有限公司负责建设管理的内蒙古神华胜利电厂1000千伏送出线路工程全线贯通。

该工程配套送出线路分为3条,为1000千伏大唐锡林浩特电厂—胜利变输电线路、1000千伏北方胜利电厂—胜利变输电线路、1000千伏神华胜利电厂—胜利变输电线路,线路总长为52.5千米。其中,锡林段工程是全国首条采用碳纤维导线设计的1000千伏特高压项目。

据悉,这是世界首条应用碳纤维复合材料芯导线的特高压试点示范工程。

该工程投产后,预计年输送电量132万千瓦时,将进一步改善华北特高压交流网架结构,增强系统抵御严重故障的能力,确保锡盟煤电基地电源安全可靠送出。

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。由碳纤维复合芯与外层铝线同心绞合而成,与传统钢芯铝绞线相比,在选材方案和结构设计方面均实现了重大突破,具备节能、大容量、低弧垂、耐高温、强度高、重量轻、耐腐蚀、防覆冰等优点。

节能

世界首条应用碳纤维复合材料芯导线的特高压试点示范工程贯通-复合材料网

采用63%IACS的高导电率软铝,降低电阻率约2%;

致密的型线绞线设计,同外径下铝截面较钢芯铝绞线增加约28%;

复合材料芯不会引起磁滞、涡流损耗和热效应,降低交流电阻约6%;

与同外径钢芯铝绞线相比,碳纤维复合芯导线降低电阻约35%,减少线损30%以上,极大降低了输电成本,减少CO2 排放,兼具经济效益与社会效益。

大容量

世界首条应用碳纤维复合材料芯导线的特高压试点示范工程贯通-复合材料网

内部结构致密,同外径下铝截面比钢芯铝绞线增加约28%,常温运行增容30%;

碳纤维复合芯导线的材料特性允许在180℃高温下持续运行,高温运行增容2倍以上;

与钢芯铝绞线相比,同外径的碳纤维复合芯导线可以传输更大电流,实现倍容效果。

低弧垂

世界首条应用碳纤维复合材料芯导线的特高压试点示范工程贯通-复合材料网

碳纤维复合芯棒的线膨胀系数小于2×10-6℃-1,远低于铝,热拐点(约70℃)以上时弧垂增量由芯棒决定,仅为普通钢芯铝绞线的1/10,可以有效保证高温运行时的对地安全距离。

强度高

世界首条应用碳纤维复合材料芯导线的特高压试点示范工程贯通-复合材料网

遭遇5级龙卷风后、铝股损坏、芯线完好

碳纤维复合芯棒的抗拉强度可达2400Mpa以上,是普通钢芯的2倍以上。

重量轻

世界首条应用碳纤维复合材料芯导线的特高压试点示范工程贯通-复合材料网

应用于大跨越工程

同等铝截面的碳纤维复合芯导线重量约为钢芯铝绞线的60%~80%。

耐腐蚀、自阻尼特性优越

世界首条应用碳纤维复合材料芯导线的特高压试点示范工程贯通-复合材料网

应用于腐蚀环境工程

耐腐蚀,碳纤维与玻璃纤维化学性质稳定,具备优越的耐腐蚀特性。芯棒外层玻璃纤维绝缘,可避免电化学腐蚀,适用于高腐蚀环境;

自阻尼特性优越,碳纤维复合芯导线振动阻尼有效性比钢芯铝绞线高10倍到30倍,可有效防止导线风舞动。

防覆冰

世界首条应用碳纤维复合材料芯导线的特高压试点示范工程贯通-复合材料网

应用于严寒环境工程

防覆冰,碳纤维复合芯导线内部结构致密,有效防止积水覆冰;

碳纤维复合芯导线的高强度、低弧垂特性,确保在覆冰情况下的线路安全运行;

碳纤维复合芯导线可与线路融冰装置配合使用,通过升高导线温度,在保持弧垂基本不变的情况下快速融冰。

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(Composite Techonology Comporation)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,为碳纤维复合芯导线的大规模应用提供技术保障。

碳纤维作为战略性产品,关乎国家安危。若国内电网使用碳纤维复合芯导线40000公里/年,则可以拉动碳纤维应用1300吨/年,将大大促进国内碳纤维产业的发展。

世界首条应用碳纤维复合材料芯导线的特高压试点示范工程贯通-复合材料网

破题关键在政府和国家电网公司应推出支持措施。

建议设立国产碳纤维复合芯导线应用专题项目,组织国家电网、碳纤维复合芯导线制造企业、碳纤维制造企业联合开展研究,形成产品挂网应用,并开展应用示范。对碳纤维复合芯导线制造上下游产业制定财税、金融等综合配套政策,分别给予扶持。将电网使用国产碳纤维复合芯导线的数量作为项目终极考核目标,强化实际应用效果,以促进国产碳纤维及碳纤维复合芯导线产业的发展。

针对碳纤维复合芯导线在旧线改造工程中的投资优势、新建线路中的长期运行年费用优势、大跨越低弧垂等特殊情况应用优势,建议电网公司制定长期应用发展规划,明确碳纤维复合芯导线在电网相关项目中的应用量。

在电网旧线改造中,主张选用碳纤维复合芯导线,淘汰传统的钢芯铝绞线,充分发挥碳纤维复合芯导线的增容特性。在电网新建线路建设上,规定碳纤维复合芯导线用量不低于5%的使用份额,充分发挥其节能、省资源的经济效益和社会效益。在大跨越或低弧垂等特殊要求线路,全部选用碳纤维复合芯导线,充分发挥碳纤维复合芯导线质量轻、弧垂变化小的特性。

为推广碳纤维复合芯导线应用,建议电网公司分阶段建设一批示范工程项目:输电走廊容量有限、需改造增容的线路示范工程;电力输送波动较大的线路示范工程,如冶炼、煤矿或其他矿厂供电线路;风能、光伏能源输出线路;火力发电厂电站输出线路;大跨越或低弧垂及需筑路、建造铁塔基础等特殊要求的线路示范工程;220kV和500kV新建线路示范工程;抗冰雪、耐盐雾腐蚀的新建线路示范工程。