復(fù)合材料在電力行業(yè)的應(yīng)用-胡良全

電力行業(yè)用復(fù)合材料的發(fā)展胡良全1陳新2（1北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司2中國(guó)電力科學(xué)研究院）BeijingCompositeMaterialCo.,Ltd.BeijingChina102101,,P.O..Box261,Beijing摘要：本文對(duì)電力行業(yè)的復(fù)合材料研究與應(yīng)用情況作了簡(jiǎn)要介紹，主要有電力導(dǎo)線(xiàn)的碳纖維復(fù)合材料芯、輸電線(xiàn)路的復(fù)合材料桿塔、輸變電設(shè)備的絕緣零部件與線(xiàn)路復(fù)合絕緣子、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)合材料，并提出了目前電力用復(fù)合材料的主要技術(shù)問(wèn)題及需要大力研究的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料絕緣材料電力工程導(dǎo)線(xiàn)桿塔輸變電設(shè)備引言隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)供電可靠性、電能質(zhì)量要求的日益提高、電力負(fù)荷需求的逐步增加，無(wú)疑對(duì)電力行業(yè)提出了更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。電力工程的建設(shè)正面臨著土地資源日益緊張、有色金屬資源的稀缺、電力傳輸?shù)目焖贁U(kuò)容及環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題。對(duì)電力工程的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、高效性和環(huán)境友好性等提出了更高的要求。復(fù)合材料優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性，具有高強(qiáng)、絕緣、防腐、無(wú)磁等多重特性，決定了復(fù)合材料是電力工程領(lǐng)域的關(guān)鍵材料之一。目前主要應(yīng)用有：1）電力導(dǎo)線(xiàn)的碳纖維復(fù)合材料芯；2）輸電線(xiàn)路的復(fù)合材料桿塔；3）輸變電設(shè)備的絕緣零部件與線(xiàn)路復(fù)合絕緣子；4）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)合材料等。本文就電力行業(yè)中主要應(yīng)用復(fù)合材料的情況進(jìn)行介紹。電力導(dǎo)線(xiàn)的碳纖維復(fù)合材料芯現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代，日本學(xué)者研究用碳纖維復(fù)合材料芯代替鋼芯，開(kāi)發(fā)出了即碳纖維復(fù)合芯鋁絞線(xiàn)。碳纖維復(fù)合芯是由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的單根或多根芯棒。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)（ACCC）是一種全新概念的架空輸電線(xiàn)路用導(dǎo)線(xiàn)，用碳纖維復(fù)合芯替代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線(xiàn)中的鋼芯制成，是復(fù)合材料在輸電導(dǎo)線(xiàn)中的創(chuàng)新性應(yīng)用，可節(jié)約走廊20-40%,擴(kuò)容線(xiàn)路可減少新建線(xiàn)路一半的土地占用面積；節(jié)能降耗，全年220Kv線(xiàn)路每公里減少電力損耗將達(dá)20萬(wàn)元左右；導(dǎo)線(xiàn)輸送能力提高約30-50%。2003年，美國(guó)的CTC（compositeTechnologycompany）公司推出了ACCC（Aluminumconductorcompositecore）復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線(xiàn)，美國(guó)最早成功推行復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)輸電線(xiàn)路，歐美國(guó)家共有19條線(xiàn)路（均為單回路）使用該種導(dǎo)線(xiàn)，美國(guó)16條線(xiàn)路；法國(guó)2條線(xiàn)路；西班牙1條線(xiàn)路；日本碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)主要由日本制綱株式會(huì)社生產(chǎn)，導(dǎo)線(xiàn)在日本東北電力公司宮城支店的66kV輸電線(xiàn)路上進(jìn)行了試用。目前，印度、波蘭、巴西等國(guó)家也積極開(kāi)發(fā)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)技術(shù)，印度作為最有潛力的市場(chǎng)正在推動(dòng)復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)輸電線(xiàn)路應(yīng)用。我國(guó)的江蘇遠(yuǎn)東電纜有限公司于2005年引進(jìn)美國(guó)CTC公司復(fù)合芯產(chǎn)品，合作生產(chǎn)ACCC導(dǎo)線(xiàn)，購(gòu)買(mǎi)美國(guó)CTC公司復(fù)合芯制造的導(dǎo)線(xiàn)已在我國(guó)多個(gè)地區(qū)掛網(wǎng)運(yùn)行100多條。2008年，河北硅谷化工公司的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)項(xiàng)目在邯鄲市永年縣開(kāi)工建設(shè)。2010年9月，中國(guó)電力科學(xué)院承擔(dān)的國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“碳纖維復(fù)合芯擴(kuò)容導(dǎo)線(xiàn)的開(kāi)發(fā)”順利通過(guò)驗(yàn)收，并已在50多條線(xiàn)路掛網(wǎng)試運(yùn)行。迄今為止，除非洲國(guó)家以外，其他幾大洲都有碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)的成功應(yīng)用。目前，全球碳纖維復(fù)合芯應(yīng)用里程超過(guò)10000公里，其中中國(guó)超過(guò)5000公里?，F(xiàn)階段碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)用主要以線(xiàn)路增容改造為主，在新建線(xiàn)路中未大規(guī)模推廣，其主要存在安全可靠性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、運(yùn)行穩(wěn)定性的問(wèn)題。如何進(jìn)一步降低碳纖維復(fù)合導(dǎo)線(xiàn)的造價(jià)、ACCC生產(chǎn)、施工及運(yùn)行中安全可靠性評(píng)定的方法有待進(jìn)一步研究。目前國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)制定了十二五期間ACCC的推廣應(yīng)用計(jì)劃；立項(xiàng)開(kāi)展ACCC的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用技術(shù)、低成本技術(shù)、老化與安全壽命評(píng)估、無(wú)損檢測(cè)和線(xiàn)路在線(xiàn)檢測(cè)等應(yīng)用技術(shù)研究；中國(guó)電科院和上纜所已編制碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線(xiàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家已建成158條CF芯專(zhuān)用拉擠生產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)一步加大了產(chǎn)業(yè)研發(fā)力度，正在逐步降低產(chǎn)品價(jià)格。輸電線(xiàn)路的復(fù)合材料桿塔現(xiàn)狀50多年以前，采用連續(xù)纖維纏繞成型工藝制造了樹(shù)脂基玻璃纖維復(fù)合材料電桿，但鑒于當(dāng)時(shí)工藝技術(shù)水平和樹(shù)脂配方問(wèn)題導(dǎo)致抗老化性能差，壽命短，未能在實(shí)際工程線(xiàn)路中得到實(shí)際應(yīng)用。進(jìn)入上世紀(jì)90年代，隨著樹(shù)脂和纖維材料性能的改進(jìn)和制造技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合材料電桿重新受到世界各國(guó)輸電行業(yè)的重視。復(fù)合材料桿塔由于其優(yōu)良的綜合性能已經(jīng)在歐美得到應(yīng)用，其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：1）良好的絕緣性，不僅避免了風(fēng)偏和污閃事故，提高線(xiàn)路安全運(yùn)行水平；同時(shí)，還可以減少塔頭尺寸、縮減走廊寬度；2）桿塔質(zhì)輕高強(qiáng)，易于加工成型，可大幅降低桿塔的運(yùn)輸組裝成本；3）材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，通過(guò)不同的纖維分布方式實(shí)現(xiàn)材料各項(xiàng)異性，從而滿(mǎn)足不同受力構(gòu)件的力學(xué)要求；4）材料良好的耐腐蝕性、耐候性，降低了線(xiàn)路的運(yùn)行維護(hù)成本。復(fù)合材料在一定程度上是建造輸電桿塔結(jié)構(gòu)的理想材料之一。美國(guó)的EbertComposites公司、PowertrusionComposites公司、Shakespear公司、NorthPacific公司和CTC公司等制品廠家都開(kāi)發(fā)了自己的復(fù)合材料桿產(chǎn)品，并申請(qǐng)專(zhuān)利和得到了比較廣泛的應(yīng)用。1996年，美國(guó)公司和圣地亞哥煤氣電力公司（SDGE）和南加利福尼亞愛(ài)迪生公司（SCE）合作，針對(duì)南加利福尼亞海濱奧德比奇的一條22萬(wàn)線(xiàn)路，開(kāi)發(fā)了三基復(fù)合材料格構(gòu)式輸電塔。加拿大的RS公司研究開(kāi)發(fā)了獨(dú)特設(shè)計(jì)的復(fù)合材料桿塔，具有重量輕和安裝方便的特點(diǎn)，被南加州愛(ài)迪生公司的“未來(lái)電路”項(xiàng)目選中，采用的聚氨酯樹(shù)脂體系具有創(chuàng)新性，比常規(guī)不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料有更大的強(qiáng)度、耐沖擊力和較大比強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)。荷蘭Movares工程咨詢(xún)公司2005年完成了荷蘭電網(wǎng)一條1.5公里380/150kV試驗(yàn)線(xiàn)路的方案設(shè)計(jì)，該方案旨在利用復(fù)合材料桿塔的電氣絕緣性能以改善輸電線(xiàn)路電磁場(chǎng)對(duì)環(huán)境的影響。該項(xiàng)目曾一度受到歐盟重視。ExelCompsites國(guó)際集團(tuán)（分部主要在澳大利亞、奧地利、比利時(shí)、芬蘭、德國(guó)、英國(guó)）針對(duì)電網(wǎng)應(yīng)用實(shí)際情況研制了復(fù)合材料桿塔，集團(tuán)成立了專(zhuān)門(mén)的部門(mén)進(jìn)行市場(chǎng)運(yùn)作。國(guó)內(nèi)自1995年開(kāi)始，溫嶺市電力絕緣器材有限公司研究復(fù)合材料桿塔，研制成功了220KV及以下?lián)屝匏ㄩT(mén)形、帶拉線(xiàn)）、110KV復(fù)合材料橫擔(dān)和桿頭并應(yīng)用。常熟市鐵塔有限公司曾與加拿大RS公司洽談合作復(fù)合材料桿塔項(xiàng)目，但因?yàn)镽S公司要求過(guò)高而未能達(dá)成一致意見(jiàn)。鞍山鐵塔開(kāi)發(fā)研制中心與鞍山鐵塔廠合作，于2006年在

遼寧省電力公司立項(xiàng)研制高強(qiáng)度復(fù)合材料桿塔。但因撓度達(dá)1/10,未能實(shí)際應(yīng)用。南方電網(wǎng)的廣東電網(wǎng)公司于2007年針對(duì)復(fù)合桿塔的應(yīng)用研究進(jìn)行了立項(xiàng)，項(xiàng)目選用了加拿大RS公司的復(fù)合桿塔，其力學(xué)真型試驗(yàn)在中國(guó)電力科學(xué)研究院進(jìn)行，由于存在諸多問(wèn)題，復(fù)合桿塔一直沒(méi)有真正應(yīng)用到輸電線(xiàn)路上。隨著國(guó)家電網(wǎng)公司倡導(dǎo)建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的“兩型三新”線(xiàn)路，自2009年6月，國(guó)家電網(wǎng)公司基建部牽頭召開(kāi)了第一次“復(fù)合材料桿塔項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)”，各設(shè)計(jì)參與單位先后落實(shí)了復(fù)合材料桿塔應(yīng)用的試點(diǎn)工程及與之合作的復(fù)合材料產(chǎn)品商。項(xiàng)目共設(shè)立8個(gè)試點(diǎn)工程，電壓等級(jí)涵蓋10kV、35kV、110kV以及220kV四個(gè)電壓等級(jí)。其中，110kV、220kV僅應(yīng)用在橫擔(dān)上，利用其絕緣性縮減走廊寬度。按照國(guó)網(wǎng)296號(hào)文件，復(fù)合材料桿塔任務(wù)如下：1）北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院承擔(dān)山東電力公司的35kV全復(fù)合材料桿、上海電力公司110KV復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)（2010年底增加220KV復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)）、天津電力公司110KV復(fù)合材料格構(gòu)橫擔(dān)、110KV防覆冰復(fù)合材料格構(gòu)塔頭的研究與研制任務(wù)。2）航天703所承擔(dān)10kV全復(fù)合材料桿研制任務(wù)；3）鞍山遠(yuǎn)達(dá)公司承擔(dān)浙江電力公司的110KV復(fù)合材料格構(gòu)橫擔(dān)研制任務(wù)；4）秦川電力器材廠承擔(dān)北京電力公司與福建電力公司的110KV復(fù)合材料格構(gòu)橫擔(dān)與絕緣橫擔(dān)研制任務(wù);5）神馬電力科技公司與常熟鐵塔廠承擔(dān)江蘇電力公司220KV復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)的研制任務(wù)。截止目前，10kV、35kV、110kV以及220kV四個(gè)電壓等級(jí)的復(fù)合材料桿塔與絕緣橫擔(dān)已經(jīng)在工程線(xiàn)路中通電運(yùn)行。2011年6月，復(fù)合材料桿塔應(yīng)用研究項(xiàng)目通過(guò)國(guó)網(wǎng)驗(yàn)收。以上海電力公司220Kv輸電線(xiàn)路為例，采用復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)線(xiàn)路走廊凈減少1.8米，綜合考慮風(fēng)偏距離后，線(xiàn)路走廊減少達(dá)到5米以上，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。在研制過(guò)程中，由國(guó)家電網(wǎng)公司牽頭，國(guó)網(wǎng)電科院及中國(guó)電科院負(fù)責(zé)，起草了針對(duì)復(fù)合材料在輸電桿塔應(yīng)用的試驗(yàn)大綱。各參與單位根據(jù)試點(diǎn)工程情況選擇測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試包括：材料基本力學(xué)性能測(cè)試、腐蝕老化性能測(cè)試、材料電氣性能測(cè)試、構(gòu)件真型試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)真型試驗(yàn)以及防雷接地性能測(cè)試，并制定了《復(fù)合材料桿塔技術(shù)條件》與《復(fù)合材料桿塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則》的討論稿，并在進(jìn)一步完善中。國(guó)家電網(wǎng)公司在“十二五”期間，針對(duì)上一階段桿塔研制中存在的需要改進(jìn)的技術(shù)關(guān)鍵部分，與中國(guó)中材集團(tuán)北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司協(xié)作，對(duì)現(xiàn)有桿塔復(fù)合材料的綜合性能進(jìn)一步改進(jìn)，并就結(jié)構(gòu)連接的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，以期在更高電壓等級(jí)（220KV以上）的輸電線(xiàn)路桿塔上應(yīng)用。圖1同塔雙回路220KV復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)上海電力公司，北玻院研制，線(xiàn)路走廊減少5米）輸電線(xiàn)路設(shè)備的固體絕緣復(fù)合材料與絕緣子按輸送方式可分為交流輸變電設(shè)備和直流輸電設(shè)備；按運(yùn)行電壓高低，輸電分為高壓（60?220kV）、超高壓（330?750kV）和特高壓（750kV以上）輸電。由于交流特高壓設(shè)備尺寸比較大，雜散分布電容和局部發(fā)熱等因素對(duì)絕緣的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行形成威脅。特高壓輸電工程對(duì)絕緣子提出了更高的要求，如高機(jī)械強(qiáng)度、防污閃、提高過(guò)電壓耐受能力和降低無(wú)線(xiàn)電干擾等。隨著遠(yuǎn)距離大容量輸電、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)距離海底電纜或大城市地下電纜送電等方面的技術(shù)要求，國(guó)內(nèi)已開(kāi)始大力發(fā)展特高壓直流輸電技術(shù)，但特高壓輸電設(shè)備主要依賴(lài)進(jìn)口，如ABB、SIEMENS、AREVA等，國(guó)產(chǎn)500kV以上設(shè)備國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率不高，進(jìn)口比例仍在90%以上，如500kV巨型電力變壓器、在緊湊型、智能化的開(kāi)關(guān)設(shè)備（類(lèi)似國(guó)外PASS、MITS、HIS等產(chǎn)品）、50噸以上大噸位絕緣子、超高壓干式電纜技術(shù)、換流閥與換流變壓器等，其中因素之一是受絕緣復(fù)合材料核心技術(shù)限制。隨著特高壓技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，特高壓電網(wǎng)的主要設(shè)備包括變壓器、可控電抗器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、套管、輸電線(xiàn)路、晶匣管、換流變等將逐步國(guó)產(chǎn)化。最近三年，特高壓輸電設(shè)備取得了一定進(jìn)展，如山東電力設(shè)備有限公司研制的40萬(wàn)千伏安、1000千伏特高壓升壓變壓器，具有絕緣可靠，局放量小，損耗、溫升和噪聲低等特點(diǎn)。淄博泰光電力器材廠研制了的±1100kV直流棒形懸式復(fù)合絕緣子，達(dá)到840kN強(qiáng)度等級(jí)，適用于準(zhǔn)東-重慶±1100kV特高壓直流輸電線(xiàn)路工程。特變電工沈陽(yáng)變壓器公司研制了±800千伏特高壓直流換流變壓器；平高集團(tuán)研制了±800千伏直流隔離開(kāi)關(guān)（百萬(wàn)伏GIS用斷路器）。但是，超、特高電壓等級(jí)（50萬(wàn)伏及以上）的關(guān)鍵絕緣復(fù)合材料基本上依賴(lài)進(jìn)口，并且國(guó)外公司對(duì)國(guó)內(nèi)用戶(hù)與材料界進(jìn)行技術(shù)封鎖，主要有：HVDC換流閥絕緣組件、GIS組合電器中絕緣部件、復(fù)合絕緣套管、超憎水改性環(huán)氧絕緣子（包括±1100KV盆式絕緣子與拉桿）、高電壓等級(jí)的干式環(huán)保變壓器等，這些產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)雖有單位引進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)，但核心材料技術(shù)仍在國(guó)外。國(guó)內(nèi)高電壓等級(jí)絕緣復(fù)合材料技術(shù)研究基本上沒(méi)有開(kāi)展，從高電壓絕緣破壞機(jī)理、材料設(shè)計(jì)與組分特性、納米技術(shù)、工程驗(yàn)證等方面沒(méi)有做過(guò)深入研究，絕緣復(fù)合材料理論、設(shè)計(jì)、合成、制造與應(yīng)用水平一直趕不上國(guó)外先進(jìn)水平，落后達(dá)到20年以上?！笆濉逼陂g國(guó)家電網(wǎng)將高電壓等級(jí)的絕緣材料技術(shù)研究納入研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃，重點(diǎn)突破納米材料改性的高等級(jí)絕緣復(fù)合材料技術(shù)、表征方法等，以期在戶(hù)內(nèi)大型GIS組合電器中應(yīng)用取得突破。因此真正實(shí)現(xiàn)特高壓技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，還需要大力開(kāi)展直流輸電領(lǐng)域的絕緣材料國(guó)產(chǎn)化研究，該類(lèi)復(fù)合材料在未來(lái)20年有很大的市場(chǎng)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)合材料風(fēng)能是一種清潔可再生能源，取之不盡，用之不竭。預(yù)計(jì)015年全球用電量將達(dá)到2.2PW，至到2030年將達(dá)到3.0PW。如果利用10%的風(fēng)能資源的水平，那就滿(mǎn)足全球/4的電力需求量。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)合材料主要有：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣復(fù)合材料，風(fēng)力發(fā)電葉片與機(jī)艙罩、貯能用復(fù)合材料飛輪等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣復(fù)合材料要求無(wú)氣隙、局放小，耐高溫、交頻電場(chǎng)下抗裂解性好等特點(diǎn)。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組正朝著大型化發(fā)展，風(fēng)輪直徑已突破Om,最長(zhǎng)的葉片已做至61.5m,葉片自重達(dá)18t,大型葉片這對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度提出了更加苛刻的要求，全玻璃鋼葉片已無(wú)法滿(mǎn)足葉片大型化，輕量化的要求。由于碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強(qiáng)度大40%，模量高3至8倍，大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈、輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。使用CFRP，直徑為120m風(fēng)輪葉片有效減少總體自重邊8%，葉片成本降低14%，并使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置成本降低4.5%。目前，中材葉片、中復(fù)連眾、南通東泰電工、GE、Vestas、Gamesa、NEGMicon、NordexRotor、Repower、DeWind等公司在39.2?90m的葉片上應(yīng)用了CFRP材料。未來(lái)海上風(fēng)電機(jī)組的額定功率將超過(guò)20MW、轉(zhuǎn)子直徑約200m,碳纖維能夠?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電提供更輕質(zhì)、更抗拉力、更耐腐蝕的葉片和塔架材料。與鋼質(zhì)飛輪相比，復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有飛輪重量輕、整個(gè)容積的重量輕、比較安全（轉(zhuǎn)子本身及外殼）、比能高特點(diǎn)，儲(chǔ)存同等能量的復(fù)合材料飛輪幾乎要比鋼質(zhì)飛輪輕一個(gè)數(shù)量級(jí)。碳纖維復(fù)合材料飛輪貯能技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電得至長(zhǎng)久發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。自1994年中科院電工所、玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院、