目前,對電力的遠距離輸送主要采用架空電纜的方式,傳統的電纜為鋼芯鋁絞線( aluminum co
nductor steel reinforced,ACSR),鋼芯用于承擔線纜的重量帶來的力學負荷,外層的鋁絞線則承擔輸電任務。20世紀90年代開始,用碳纖維復合材料作為電纜的芯棒的碳纖維復合材料芯電纜( aluminum co
nductor composite core,ACCC)研發成功,其結構如圖所示。
ACCC與傳統導線相比,具有如下優勢：
(1)強度高,重量輕。普通鋼絲的抗拉強度為1240~1410MPa,而ACCC導線的碳纖維復合材料芯棒是前者的兩倍,而其比重僅是鋼的1/4,相同規格的ACCC導線單位長度重量比常規ACSR導線輕10%~20%,這使得架空電纜的桿塔跨距可增長,減少塔桿數約16%,同時減少占地面積。
(2)導電率高,輸電損耗小。在相同的外徑下,ACCC的鋁絞線截面積為常規導線的1.29倍,因而載流量提高29%左右。由于ACCC導線不存在鋼絲材料引起的磁損以及電阻熱效應,而且在輸送相同負荷的條件下,具有更低的運行溫度,可以減少輸電損失約6%。同時由于ACCC采用梯形鋁線,使其外表比ACSR的圓形鋁線更加光滑,提高了表面粗糙系數,從而提高了導線的電暈起始電壓,減少了電暈損失。
(3)低弧垂,降低兩倍以上垂度。ACCC導線與常規導線相比具有顯著的低弛度特性,在高溫條件下弧垂不到鋼芯鋁絞線的12,能有效減少架空線的絕緣空間走廊,提高了導線運行的安全性和可靠性。
(4)耐腐蝕。ACSR的鋁線和鋼芯由于長期暴露于空氣中,周圍環境會對金屬材料產生腐蝕,從而降低導線強度,影響導線壽命。碳纖維復合芯不生銹、耐腐蝕,克服了鍍鋅鋼絞絲芯的腐蝕問題,而且又避免了導體在通電時鋁線與鍍鋅鋼線之間的電化腐蝕問題,較好地解決了導線長期運行的老化問題,使用壽命高于普通導線的兩倍。
ACCC面臨的主要問題是成本,在美國,其成本一般在傳統ACSR電纜的5倍以上。但是,對于輸電系統,電纜成本僅僅是其中一項,桿塔建設、土地征用、維護維修、安全保障、輸電損耗等方面也都是難以回避的必須成本。如果考慮到這些方面,那么與傳統ACSR電纜相比,雖然ACCC電纜本身成本較高,但是如果整體的系統考慮,常規的110kV單回線路新建的綜合造價約為每千米80萬元,而采用碳纖維電纜,其每千米的投資僅需約50萬元,能夠節約近40%的費用,可大大減少工程投資。
因此,采用碳纖維電纜無論從系統經濟效益,還是從節能、減排、環保、安全等社會效益,都要遠遠高出傳統鋼制電纜。也正是因為這樣,碳纖維電纜對傳統鋼制電纜的替代乃是大勢所趨,是電網建設必然的發展方向。
最近幾年,已經在全球范圍內開始了對傳統鋼芯鋁絞線電纜的替換取代過程,并且有逐漸加快的趨勢。據碳纖維電纜的領軍企業—美國復合材料技術公司( Composite Technology Corporation,CTc)報道,2005年,該公司銷售碳纖維電纜3500m,2008年,僅美國市場對該產品每年的需求量就超過了60億美元,201年全球市場范圍內對碳纖維電纜每年的需求量則超過300億美元。
國內也在積極開展對碳纖維電纜的研究開發和應用。從2006年福建龍巖電力局的一條舊線路(曹園線)擴容改造開始,到現在已經有數十條線路采用。初期的碳纖維電纜全部由美國進口,2006年,遠東控股集團有限公司采用與CTC公司合資的方式,實現了技術引進,推出的碳纖維電纜在全國40余條輸電線路掛網運行。河北硅谷化工公司等企業也開始建立碳纖維以及ACCC生產線,積極開拓國內市場。內蒙古浩源新材料股份有限公司自主研發生產的碳纖維復合芯電纜在內蒙古電網多條輸電線路成功應用,已經逐步覆蓋了技術研發、芯棒生產、導線絞制、架線施工等全產業鏈。
隨著整體經濟的發展和人民生活水平的提高,各地對用電量的需求也大幅提高,因而在對原有舊線路的改造中,必須考慮擴容,這就為碳纖維電纜的切入提供了一個非常好的機會。保守估計,未來數年中,由于電網改造對碳纖維架空輸電線纜的需求量至少會以10%~20%的速度快速增長,成為碳纖維應用的另一個重要領域。
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