電網(wǎng)中碳纖維應(yīng)用前景

今年以來(lái)，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(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“國(guó)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(guò)驗(yàn)收。碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用于電網(wǎng)中有哪些優(yōu)勢(shì)?現(xiàn)在的產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)是怎樣的?

碳纖維：被寄予厚望的新材料

近年來(lái)，無(wú)論是我國(guó)政府還是國(guó)家電網(wǎng)公司，都在大力推動(dòng)新材料、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用。這里所說(shuō)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(gè)角度看，碳纖維無(wú)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(mèng)幻材料”的美譽(yù)。

在碳纖維的眾多性能中，其力學(xué)性能最為人所津津樂(lè)道——密度不到鋼的四分之一，抗拉強(qiáng)度卻是鋼的7~9倍，抗拉彈性也高于鋼。

因?yàn)樾虏牧隙季邆鋬?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(guó)高度重視，并被寄予厚望。

2009年11月，國(guó)務(wù)院總理溫家寶發(fā)表《讓科技引領(lǐng)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展》的講話，新材料產(chǎn)業(yè)由幕后走向臺(tái)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(xiàng)重大工程之一，可見政策制定部門對(duì)于碳纖維產(chǎn)業(yè)的重視。

根據(jù)《規(guī)劃》，“十二五”期間，國(guó)家將重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)碳纖維產(chǎn)能1.2萬(wàn)噸，基本滿足航空航天、能源電力等領(lǐng)域的需求。

今年5月30日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議討論通過(guò)《“十二五”國(guó)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(jìn)結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料”。其中，要“大力發(fā)展”的“先進(jìn)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(jì)的快速發(fā)展對(duì)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(guó)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(guó)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(diǎn)：

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。

第二，強(qiáng)度高，拉斷的抗破壞力大。碳纖維復(fù)合芯的拉伸強(qiáng)度是普通鋼絲的1.97倍，是高強(qiáng)度鋼的1.7倍。實(shí)驗(yàn)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(guò)交流電時(shí)，不會(huì)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)，熱膨脹系數(shù)小。條件試驗(yàn)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(jìn)行了幾萬(wàn)千米的掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，我國(guó)也有130多條線路掛線運(yùn)行，總長(zhǎng)超過(guò)7000千米。

國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀：

發(fā)展空間大并有待提高水平

我國(guó)從20世紀(jì)60年代起就注意到發(fā)展碳纖維的重要性，基本與國(guó)外同時(shí)起步。多年來(lái)雖然取得了一些進(jìn)展，但總體來(lái)說(shuō)發(fā)展較為緩慢，與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家有較大差距，研制和生產(chǎn)水平大約相當(dāng)于國(guó)外上世紀(jì)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(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著三大問(wèn)題：首先，原絲質(zhì)量不過(guò)關(guān)。原絲水平落后是制約我國(guó)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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?jī)?yōu)異，才能在關(guān)鍵技術(shù)上打破國(guó)外的封鎖與壟斷。其次，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)線規(guī)模小。價(jià)格無(wú)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(guó)內(nèi)很多企業(yè)的生產(chǎn)成本甚至要高于國(guó)外企業(yè)的碳纖維銷售價(jià)格。最后，產(chǎn)品質(zhì)量有待提高。與國(guó)外企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)高質(zhì)量碳纖維相比，國(guó)產(chǎn)碳纖維目前還存在毛絲較多等質(zhì)量問(wèn)題。

雖然存在著諸多問(wèn)題，但是也應(yīng)看到，我國(guó)碳纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化正處于歷史最好時(shí)期——國(guó)家投入大量資金對(duì)碳纖維的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用進(jìn)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(jià)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(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)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(gè)較有誘惑力的選擇。同時(shí)，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(shì)，這進(jìn)一步增強(qiáng)了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在電網(wǎng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

目前，我國(guó)每年新增輸電線路約100萬(wàn)千米，改造老化線路約20萬(wàn)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。

從國(guó)家電網(wǎng)公司的特高壓工程實(shí)踐看，國(guó)家電網(wǎng)公司支持國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的策略，推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)輸變電裝備的技術(shù)提升。我們相信，國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的嘗試應(yīng)用，也將帶動(dòng)國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。