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碳纤维在电网中应用的前景

导读: 近年来,无论是我国政府还是国家电网公司,都在大力推动新材料、新技术、新工艺的应用。

  今年以来,碳纤维在电网中的应用不断增多:4月28日,河南郑州电网首次在110千伏线路上使用碳纤维复合芯导线;5月15日,碳纤维导线在陕西电网首次亮相;10月16日,国家电网公司科技项目“国产碳纤维在复合材料导线中的应用技术研究”通过验收。碳纤维导线应用于电网中有哪些优势?现在的产业发展形势是怎样的?

  碳纤维:被寄予厚望的新材料

  近年来,无论是我国政府还是国家电网公司,都在大力推动新材料、新技术、新工艺的应用。这里所说的新材料,是指新出现的或正在发展的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。从这个角度看,碳纤维无疑算是新材料的典型代表。

  碳纤维是一种主要由碳元素组成的高性能纤维,其含碳量随种类不同而异,但一般在90%以上。碳纤维既具有碳素材料的固有特性,如耐高温、耐摩擦、导电、导热、耐腐蚀,又兼备纺织纤维的柔软性和可加工性。因此,碳纤维是一类性能神奇、用途广泛的化工新材料,有人甚至赋予其“新材料之王”和“梦幻材料”的美誉。

  在碳纤维的众多性能中,其力学性能最为人所津津乐道——密度不到钢的四分之一,抗拉强度却是钢的7~9倍,抗拉弹性也高于钢。

  因为新材料都具备优异性能,以碳纤维为代表的新材料产业发展受到我国高度重视,并被寄予厚望。

  2009年11月,国务院总理温家宝发表《让科技引领中国可持续发展》的讲话,新材料产业由幕后走向台前,产业扶持政策相继推出。2012年2月发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中,碳纤维低成本化与高端创新示范工程成为十项重大工程之一,可见政策制定部门对于碳纤维产业的重视。

  根据《规划》,“十二五”期间,国家将重点建设江苏连云港、山东威海、吉林碳纤维及其复合材料基地,组织开发聚丙烯腈基碳纤维的原丝产业化生产技术,围绕聚丙烯腈基碳纤维及其配套原丝开展技术改造,提高现有纤维的产业化水平。到2015年,实现碳纤维产能1.2万吨,基本满足航空航天、能源电力等领域的需求。

  今年5月30日,国务院常务会议讨论通过《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》,其中提到“新材料产业要大力发展新型功能材料、先进结构材料和复合材料”。其中,要“大力发展”的“先进结构材料”和“复合材料”都与碳纤维有关。

  碳纤维复合芯导线:

  理想的架空输电线路材料

  现代经济的快速发展对电网的输电能力提出了更高要求。为了提高输电线路的输送容量,在现有线路走廊的基础上尽可能多地输送电力,各国都在努力寻求理想的架空输电线路用导线,以取代传统的钢芯铝绞线。2003年,美国复合技术有限公司首次推出碳纤维复合芯导线,使得这种新材料导线迅速成为输电线路领域的明星。

  碳纤维复合芯导线与传统的钢芯导线相比,有很多优点:

  第一,重量轻,密度小。碳纤维复合芯的密度为1.90克每立方厘米,而钢芯为7.8克每立方厘米。这意味着,使用碳纤维复合芯的话,可以使塔杆间距增大,从而减少16%的杆塔,相应地减少占地面积,节省投资。

  第二,强度高,拉断的抗破坏力大。碳纤维复合芯的拉伸强度是普通钢丝的1.97倍,是高强度钢的1.7倍。实验表明,前者比钢的抗破坏力提高了30%左右。

  第三,导电率高,载流量大。在相同直径条件下,碳纤维复合芯导线的载流量提高了29%。

  第四,线路损耗小。碳纤维复合材料是一种非磁性材料,当导线通过交流电时,不会产生磁滞损耗和涡流损耗,呈现出较小的交流电阻。一般来说,可减少输电损耗6%。

  此外,碳纤维复合芯还耐腐蚀,使用寿命长,热膨胀系数小。条件试验表明,碳纤维复合芯导线比普通钢芯导线更加适应昼夜温差大、冬夏温差大的地区。

  目前,碳纤维复合芯导线在全球范围内已经进行了几万千米的挂网实验,我国也有130多条线路挂线运行,总长超过7000千米。

  国内产业现状:

  发展空间大并有待提高水平

  我国从20世纪60年代起就注意到发展碳纤维的重要性,基本与国外同时起步。多年来虽然取得了一些进展,但总体来说发展较为缓慢,与国外先进国家有较大差距,研制和生产水平大约相当于国外上世纪70年代末期水平,可谓是研发“老人”,产业化“新手”。

  当前,我国碳纤维产业发展面临着三大问题:首先,原丝质量不过关。原丝水平落后是制约我国碳纤维产业发展的一大因素,不仅影响碳纤维的质量,也影响其产量、生产成本和市场竞争能力。因此,建设高质量的原丝生产线,保证碳纤维生产稳定、质量优异,才能在关键技术上打破国外的封锁与垄断。其次,生产成本高,生产线规模小。价格无疑是制约碳纤维应用的重要因素之一。当前世界主要碳纤维生产厂商都在致力于降低碳纤维生产成本,但国内很多企业的生产成本甚至要高于国外企业的碳纤维销售价格。最后,产品质量有待提高。与国外企业已经实现稳定生产高质量碳纤维相比,国产碳纤维目前还存在毛丝较多等质量问题。

  虽然存在着诸多问题,但是也应看到,我国碳纤维的研发和产业化正处于历史最好时期——国家投入大量资金对碳纤维的基础理论及应用进行研究;许多地方政府正在积极招商引资;相关企业也有大手笔的投资。

  应用初期,碳纤维导线的价格约为普通钢芯铝绞线的10倍,目前则已经降至3~4倍。虽然采用碳纤维复合芯导线的一次性投资仍然较大,但是随着经济的不断发展,我国部分地区电力供需矛盾将更为突出,利用碳纤维复合芯导线改造现有输电线路,依然是一个较有诱惑力的选择。同时,使用碳纤维复合芯导线在降低线路损耗上具有比传统钢芯铝绞线更明显的优势,这进一步增强了碳纤维复合芯导线在电网中应用的优势。

  目前,我国每年新增输电线路约100万千米,改造老化线路约20万千米。随着碳纤维导线渗透率的提高,碳纤维的用量也将增加。

  从国家电网公司的特高压工程实践看,国家电网公司支持国产化产品的策略,推动了国产输变电装备的技术提升。我们相信,国家电网公司对碳纤维复合芯导线的尝试应用,也将带动国内碳纤维产业的快速发展。
 

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