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      產業透視:碳纖維在電網中應用的前景

      發表時間:2019-03-18 15:28

          今年以來,碳纖維在電網中的應用不斷增多:4月28日,河南鄭州電網首次在110千伏線路上使用碳纖維復合芯導線;5月15日,碳纖維導線在陜西電網首次亮相;10月16日,國家電網公司科技項目“國產碳纖維在復合材料導線中的應用技術研究”通過驗收。碳纖維導線應用于電網中有哪些優勢?現在的產業發展形勢是怎樣的?

      碳纖維:被寄予厚望的新材料

          近年來,無論是我國政府還是國家電網公司,都在大力推動新材料、新技術、新工藝的應用。這里所說的新材料,是指新出現的或正在發展的、具有傳統材料所不具備的優異性能和特殊功能的材料。從這個角度看,碳纖維無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、導電、導熱、耐腐蝕,又兼備紡織纖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“夢幻材料”的美譽。

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

          因為新材料都具備優異性能,以碳纖維為代表的新材料產業發展受到我國高度重視,并被寄予厚望。

      2009年11月,國務院總理溫家寶發表《讓科技引領中國可持續發展》的講話,新材料產業由幕后走向臺前,產業扶持政策相繼推出。2012年2月發布的《新材料產業“十二五”發展規劃》中,碳纖維低成本化與高端創新示范工程成為十項重大工程之一,可見政策制定部門對于碳纖維產業的重視。

          根據《規劃》,“十二五”期間,國家將重點建設江蘇連云港、山東威海、吉林碳纖維及其復合材料基地,組織開發聚丙烯腈基碳纖維的原絲產業化生產技術,圍繞聚丙烯腈基碳纖維及其配套原絲開展技術改造,提高現有纖維的產業化水平。到2015年,實現碳纖維產能1.2萬噸,基本滿足航空航天、能源電力等領域的需求。

          今年5月30日,國務院常務會議討論通過《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》,其中提到“新材料產業要大力發展新型功能材料、先進結構材料和復合材料”。其中,要“大力發展”的“先進結構材料”和“復合材料”都與碳纖維有關。

      碳纖維復合芯導線:理想的架空輸電線路材料

          現代經濟的快速發展對電網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,在現有線路走廊的基礎上盡可能多地輸送電力,各國都在努力尋求理想的架空輸電線路用導線,以取代傳統的鋼芯鋁絞線。2003年,美國復合技術有限公司首次推出碳纖維復合芯導線,使得這種新材料導線迅速成為輸電線路領域的明星。

      碳纖維復合芯導線與傳統的鋼芯導線相比,有很多優點:

          第一,重量輕,密度小。碳纖維復合芯的密度為1.90克每立方厘米,而鋼芯為7.8克每立方厘米。這意味著,使用碳纖維復合芯的話,可以使塔桿間距增大,從而減少16%的桿塔,相應地減少占地面積,節省投資。

          第二,強度高,拉斷的抗破壞力大。碳纖維復合芯的拉伸強度是普通鋼絲的1.97倍,是高強度鋼的1.7倍。實驗表明,前者比鋼的抗破壞力提高了30%左右。

          第三,導電率高,載流量大。在相同直徑條件下,碳纖維復合芯導線的載流量提高了29%。

          第四,線路損耗小。碳纖維復合材料是一種非磁性材料,當導線通過交流電時,不會產生磁滯損耗和渦流損耗,呈現出較小的交流電阻。一般來說,可減少輸電損耗6%。

          此外,碳纖維復合芯還耐腐蝕,使用壽命長,熱膨脹系數小。條件試驗表明,碳纖維復合芯導線比普通鋼芯導線更加適應晝夜溫差大、冬夏溫差大的地區。

          目前,碳纖維復合芯導線在全球范圍內已經進行了幾萬千米的掛網實驗,我國也有130多條線路掛線運行,總長超過7000千米。

      國內產業現狀:發展空間大并有待提高水平

          我國從20世紀60年代起就注意到發展碳纖維的重要性,基本與國外同時起步。多年來雖然取得了一些進展,但總體來說發展較為緩慢,與國外先進國家有較大差距,研制和生產水平大約相當于國外上世紀70年代末期水平,可謂是研發“老人”,產業化“新手”。

          當前,我國碳纖維產業發展面臨著三大問題:首先,原絲質量不過關。原絲水平落后是制約我國碳纖維產業發展的一大因素,不僅影響碳纖維的質量,也影響其產量、生產成本和市場競爭能力。因此,建設高質量的原絲生產線,保證碳纖維生產穩定、質量優異,才能在關鍵技術上打破國外的封鎖與壟斷。其次,生產成本高,生產線規模小。價格無疑是制約碳纖維應用的重要因素之一。當前世界主要碳纖維生產廠商都在致力于降低碳纖維生產成本,但國內很多企業的生產成本甚至要高于國外企業的碳纖維銷售價格。最后,產品質量有待提高。與國外企業已經實現穩定生產高質量碳纖維相比,國產碳纖維目前還存在毛絲較多等質量問題。

          雖然存在著諸多問題,但是也應看到,我國碳纖維的研發和產業化正處于歷史最好時期——國家投入大量資金對碳纖維的基礎理論及應用進行研究;許多地方政府正在積極招商引資;相關企業也有大手筆的投資。

          應用初期,碳纖維導線的價格約為普通鋼芯鋁絞線的10倍,目前則已經降至3~4倍。雖然采用碳纖維復合芯導線的一次性投資仍然較大,但是隨著經濟的不斷發展,我國部分地區電力供需矛盾將更為突出,利用碳纖維復合芯導線改造現有輸電線路,依然是一個較有誘惑力的選擇。同時,使用碳纖維復合芯導線在降低線路損耗上具有比傳統鋼芯鋁絞線更明顯的優勢,這進一步增強了碳纖維復合芯導線在電網中應用的優勢。

          目前,我國每年新增輸電線路約100萬千米,改造老化線路約20萬千米。隨著碳纖維導線滲透率的提高,碳纖維的用量也將增加。

          從國家電網公司的特高壓工程實踐看,國家電網公司支持國產化產品的策略,推動了國產輸變電裝備的技術提升。我們相信,國家電網公司對碳纖維復合芯導線的嘗試應用,也將帶動國內碳纖維產業的快速發展。

      新聞來源:北極星智能電網 


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      文章標題:《產業透視:碳纖維在電網中應用的前景
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