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目前,对电力的远距离输送主要采用架空电缆的方式,传统的电缆为钢芯铝绞线( aluminum conductor steel reinforced,ACSR),钢芯用于承担线缆的重量带来的力学负荷,外层的铝绞线则承担输电任务。20世纪90年代开始,用碳纤维复合材料作为电缆的芯棒的碳纤维复合材料芯电缆( aluminum conductor composite core,ACCC)研发成功,其结构如图所示。
ACCC与传统导线相比,具有如下优势：
(1)强度高,重量轻。普通钢丝的抗拉强度为1240~1410MPa,而ACCC导线的碳纤维复合材料芯棒是前者的两倍,而其比重仅是钢的1/4,相同规格的ACCC导线单位长度重量比常规ACSR导线轻10%~20%,这使得架空电缆的杆塔跨距可增长,减少塔杆数约16%,同时减少占地面积。
(2)导电率高,输电损耗小。在相同的外径下,ACCC的铝绞线截面积为常规导线的1.29倍,因而载流量提高29%左右。由于ACCC导线不存在钢丝材料引起的磁损以及电阻热效应,而且在输送相同负荷的条件下,具有更低的运行温度,可以减少输电损失约6%。同时由于ACCC采用梯形铝线,使其外表比ACSR的圆形铝线更加光滑,提高了表面粗糙系数,从而提高了导线的电晕起始电压,减少了电晕损失。
(3)低弧垂,降低两倍以上垂度。ACCC导线与常规导线相比具有显着的低弛度特性,在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的12,能有效减少架空线的绝缘空间走廊,提高了导线运行的安全性和可靠性。
(4)耐腐蚀。ACSR的铝线和钢芯由于长期暴露于空气中,周围环境会对金属材料产生腐蚀,从而降低导线强度,影响导线寿命。碳纤维复合芯不生锈、耐腐蚀,克服了镀锌钢绞丝芯的腐蚀问题,而且又避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题,较好地解决了导线长期运行的老化问题,使用寿命高于普通导线的两倍。
ACCC面临的主要问题是成本,在美国,其成本一般在传统ACSR电缆的5倍以上。但是,对于输电系统,电缆成本仅仅是其中一项,杆塔建设、土地征用、维护维修、安全保障、输电损耗等方面也都是难以回避的必须成本。如果考虑到这些方面,那么与传统ACSR电缆相比,虽然ACCC电缆本身成本较高,但是如果整体的系统考虑,常规的110kV单回线路新建的综合造价约为每千米80万元,而采用碳纤维电缆,其每千米的投资仅需约50万元,能够节约近40%的费用,可大大减少工程投资。
因此,采用碳纤维电缆无论从系统经济效益,还是从节能、减排、环保、安全等社会效益,都要远远高出传统钢制电缆。也正是因为这样,碳纤维电缆对传统钢制电缆的替代乃是大势所趋,是电网建设必然的发展方向。
最近几年,已经在全球范围内开始了对传统钢芯铝绞线电缆的替换取代过程,并且有逐渐加快的趋势。据碳纤维电缆的领军企业—美国复合材料技术公司( Composite Technology Corporation,CTc)报道,2005年,该公司销售碳纤维电缆3500m,2008年,仅美国市场对该产品每年的需求量就超过了60亿美元,201年全球市场范围内对碳纤维电缆每年的需求量则超过300亿美元。
国内也在积极开展对碳纤维电缆的研究开发和应用。从2006年福建龙岩电力局的一条旧线路(曹园线)扩容改造开始,到现在已经有数十条线路采用。初期的碳纤维电缆全部由美国进口,2006年,远东控股集团有限公司采用与CTC公司合资的方式,实现了技术引进,推出的碳纤维电缆在全国40余条输电线路挂网运行。河北硅谷化工公司等企业也开始建立碳纤维以及ACCC生产线,积极开拓国内市场。内蒙古浩源新材料股份有限公司自主研发生产的碳纤维复合芯电缆在内蒙古电网多条输电线路成功应用,已经逐步覆盖了技术研发、芯棒生产、导线绞制、架线施工等全产业链。
随着整体经济的发展和人民生活水平的提高,各地对用电量的需求也大幅提高,因而在对原有旧线路的改造中,必须考虑扩容,这就为碳纤维电缆的切入提供了一个非常好的机会。保守估计,未来数年中,由于电网改造对碳纤维架空输电线缆的需求量至少会以10%~20%的速度快速增长,成为碳纤维应用的另一个重要领域。
ACCC与传统导线相比,具有如下优势：
(1)强度高,重量轻。普通钢丝的抗拉强度为1240~1410MPa,而ACCC导线的碳纤维复合材料芯棒是前者的两倍,而其比重仅是钢的1/4,相同规格的ACCC导线单位长度重量比常规ACSR导线轻10%~20%,这使得架空电缆的杆塔跨距可增长,减少塔杆数约16%,同时减少占地面积。
(2)导电率高,输电损耗小。在相同的外径下,ACCC的铝绞线截面积为常规导线的1.29倍,因而载流量提高29%左右。由于ACCC导线不存在钢丝材料引起的磁损以及电阻热效应,而且在输送相同负荷的条件下,具有更低的运行温度,可以减少输电损失约6%。同时由于ACCC采用梯形铝线,使其外表比ACSR的圆形铝线更加光滑,提高了表面粗糙系数,从而提高了导线的电晕起始电压,减少了电晕损失。
(3)低弧垂,降低两倍以上垂度。ACCC导线与常规导线相比具有显着的低弛度特性,在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的12,能有效减少架空线的绝缘空间走廊,提高了导线运行的安全性和可靠性。
(4)耐腐蚀。ACSR的铝线和钢芯由于长期暴露于空气中,周围环境会对金属材料产生腐蚀,从而降低导线强度,影响导线寿命。碳纤维复合芯不生锈、耐腐蚀,克服了镀锌钢绞丝芯的腐蚀问题,而且又避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题,较好地解决了导线长期运行的老化问题,使用寿命高于普通导线的两倍。
ACCC面临的主要问题是成本,在美国,其成本一般在传统ACSR电缆的5倍以上。但是,对于输电系统,电缆成本仅仅是其中一项,杆塔建设、土地征用、维护维修、安全保障、输电损耗等方面也都是难以回避的必须成本。如果考虑到这些方面,那么与传统ACSR电缆相比,虽然ACCC电缆本身成本较高,但是如果整体的系统考虑,常规的110kV单回线路新建的综合造价约为每千米80万元,而采用碳纤维电缆,其每千米的投资仅需约50万元,能够节约近40%的费用,可大大减少工程投资。
因此,采用碳纤维电缆无论从系统经济效益,还是从节能、减排、环保、安全等社会效益,都要远远高出传统钢制电缆。也正是因为这样,碳纤维电缆对传统钢制电缆的替代乃是大势所趋,是电网建设必然的发展方向。
最近几年,已经在全球范围内开始了对传统钢芯铝绞线电缆的替换取代过程,并且有逐渐加快的趋势。据碳纤维电缆的领军企业—美国复合材料技术公司( Composite Technology Corporation,CTc)报道,2005年,该公司销售碳纤维电缆3500m,2008年,仅美国市场对该产品每年的需求量就超过了60亿美元,201年全球市场范围内对碳纤维电缆每年的需求量则超过300亿美元。
国内也在积极开展对碳纤维电缆的研究开发和应用。从2006年福建龙岩电力局的一条旧线路(曹园线)扩容改造开始,到现在已经有数十条线路采用。初期的碳纤维电缆全部由美国进口,2006年,远东控股集团有限公司采用与CTC公司合资的方式,实现了技术引进,推出的碳纤维电缆在全国40余条输电线路挂网运行。河北硅谷化工公司等企业也开始建立碳纤维以及ACCC生产线,积极开拓国内市场。内蒙古浩源新材料股份有限公司自主研发生产的碳纤维复合芯电缆在内蒙古电网多条输电线路成功应用,已经逐步覆盖了技术研发、芯棒生产、导线绞制、架线施工等全产业链。
随着整体经济的发展和人民生活水平的提高,各地对用电量的需求也大幅提高,因而在对原有旧线路的改造中,必须考虑扩容,这就为碳纤维电缆的切入提供了一个非常好的机会。保守估计,未来数年中,由于电网改造对碳纤维架空输电线缆的需求量至少会以10%~20%的速度快速增长,成为碳纤维应用的另一个重要领域。
