复合材料在电力行业的应用-胡良全

电力行业用复合材料的发展胡良全1陈新2（1北京玻钢院复合材料有限公司2中国电力科学研究院）BeijingCompositeMaterialCo.,Ltd.BeijingChina102101,,P.O..Box261,Beijing摘要：本文对电力行业的复合材料研究与应用情况作了简要介绍，主要有电力导线的碳纤维复合材料芯、输电线路的复合材料杆塔、输变电设备的绝缘零部件与线路复合绝缘子、风力发电系统的复合材料，并提出了目前电力用复合材料的主要技术问题及需要大力研究的关键技术。关键词：复合材料绝缘材料电力工程导线杆塔输变电设备引言随着现代工业对供电可靠性、电能质量要求的日益提高、电力负荷需求的逐步增加，无疑对电力行业提出了更加严峻的考验。电力工程的建设正面临着土地资源日益紧张、有色金属资源的稀缺、电力传输的快速扩容及环境保护等问题。对电力工程的可靠性、安全性、经济性、高效性和环境友好性等提出了更高的要求。复合材料优异的可设计性，具有高强、绝缘、防腐、无磁等多重特性，决定了复合材料是电力工程领域的关键材料之一。目前主要应用有：1）电力导线的碳纤维复合材料芯；2）输电线路的复合材料杆塔；3）输变电设备的绝缘零部件与线路复合绝缘子；4）风力发电系统的复合材料等。本文就电力行业中主要应用复合材料的情况进行介绍。电力导线的碳纤维复合材料芯现状20世纪90年代，日本学者研究用碳纤维复合材料芯代替钢芯，开发出了即碳纤维复合芯铝绞线。碳纤维复合芯是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根或多根芯棒。碳纤维复合芯导线（ACCC）是一种全新概念的架空输电线路用导线，用碳纤维复合芯替代传统的钢芯铝绞线中的钢芯制成，是复合材料在输电导线中的创新性应用，可节约走廊20-40%,扩容线路可减少新建线路一半的土地占用面积；节能降耗，全年220Kv线路每公里减少电力损耗将达20万元左右；导线输送能力提高约30-50%。2003年，美国的CTC（compositeTechnologycompany）公司推出了ACCC（Aluminumconductorcompositecore）复合材料合成芯导线，美国最早成功推行复合芯导线输电线路，欧美国家共有19条线路（均为单回路）使用该种导线，美国16条线路；法国2条线路；西班牙1条线路；日本碳纤维复合芯导线主要由日本制纲株式会社生产，导线在日本东北电力公司宫城支店的66kV输电线路上进行了试用。目前，印度、波兰、巴西等国家也积极开发碳纤维复合芯导线技术，印度作为最有潜力的市场正在推动复合芯导线输电线路应用。我国的江苏远东电缆有限公司于2005年引进美国CTC公司复合芯产品，合作生产ACCC导线，购买美国CTC公司复合芯制造的导线已在我国多个地区挂网运行100多条。2008年，河北硅谷化工公司的碳纤维复合芯导线项目在邯郸市永年县开工建设。2010年9月，中国电力科学院承担的国家电网公司科技项目“碳纤维复合芯扩容导线的开发”顺利通过验收，并已在50多条线路挂网试运行。迄今为止，除非洲国家以外，其他几大洲都有碳纤维复合芯导线的成功应用。目前，全球碳纤维复合芯应用里程超过10000公里，其中中国超过5000公里。现阶段碳纤维复合芯导线应用主要以线路增容改造为主，在新建线路中未大规模推广，其主要存在安全可靠性、经济实用性、运行稳定性的问题。如何进一步降低碳纤维复合导线的造价、ACCC生产、施工及运行中安全可靠性评定的方法有待进一步研究。目前国家电网公司已经制定了十二五期间ACCC的推广应用计划；立项开展ACCC的国产化应用技术、低成本技术、老化与安全寿命评估、无损检测和线路在线检测等应用技术研究；中国电科院和上缆所已编制碳纤维复合材料导线的相关标准，生产厂家已建成158条CF芯专用拉挤生产线，进一步加大了产业研发力度，正在逐步降低产品价格。输电线路的复合材料杆塔现状50多年以前，采用连续纤维缠绕成型工艺制造了树脂基玻璃纤维复合材料电杆，但鉴于当时工艺技术水平和树脂配方问题导致抗老化性能差，寿命短，未能在实际工程线路中得到实际应用。进入上世纪90年代，随着树脂和纤维材料性能的改进和制造技术的进步，复合材料电杆重新受到世界各国输电行业的重视。复合材料杆塔由于其优良的综合性能已经在欧美得到应用，其主要技术优势包括：1）良好的绝缘性，不仅避免了风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平；同时，还可以减少塔头尺寸、缩减走廊宽度；2）杆塔质轻高强，易于加工成型，可大幅降低杆塔的运输组装成本；3）材料可设计性强，通过不同的纤维分布方式实现材料各项异性，从而满足不同受力构件的力学要求；4）材料良好的耐腐蚀性、耐候性，降低了线路的运行维护成本。复合材料在一定程度上是建造输电杆塔结构的理想材料之一。美国的EbertComposites公司、PowertrusionComposites公司、Shakespear公司、NorthPacific公司和CTC公司等制品厂家都开发了自己的复合材料杆产品，并申请专利和得到了比较广泛的应用。1996年，美国公司和圣地亚哥煤气电力公司（SDGE）和南加利福尼亚爱迪生公司（SCE）合作，针对南加利福尼亚海滨奥德比奇的一条22万线路，开发了三基复合材料格构式输电塔。加拿大的RS公司研究开发了独特设计的复合材料杆塔，具有重量轻和安装方便的特点，被南加州爱迪生公司的“未来电路”项目选中，采用的聚氨酯树脂体系具有创新性，比常规不饱和聚酯树脂复合材料有更大的强度、耐冲击力和较大比强度等优势。荷兰Movares工程咨询公司2005年完成了荷兰电网一条1.5公里380/150kV试验线路的方案设计，该方案旨在利用复合材料杆塔的电气绝缘性能以改善输电线路电磁场对环境的影响。该项目曾一度受到欧盟重视。ExelCompsites国际集团（分部主要在澳大利亚、奥地利、比利时、芬兰、德国、英国）针对电网应用实际情况研制了复合材料杆塔，集团成立了专门的部门进行市场运作。国内自1995年开始，温岭市电力绝缘器材有限公司研究复合材料杆塔，研制成功了220KV及以下抢修塔（门形、带拉线）、110KV复合材料横担和杆头并应用。常熟市铁塔有限公司曾与加拿大RS公司洽谈合作复合材料杆塔项目，但因为RS公司要求过高而未能达成一致意见。鞍山铁塔开发研制中心与鞍山铁塔厂合作，于2006年在

辽宁省电力公司立项研制高强度复合材料杆塔。但因挠度达1/10,未能实际应用。南方电网的广东电网公司于2007年针对复合杆塔的应用研究进行了立项，项目选用了加拿大RS公司的复合杆塔，其力学真型试验在中国电力科学研究院进行，由于存在诸多问题，复合杆塔一直没有真正应用到输电线路上。随着国家电网公司倡导建设环境友好型、资源节约型的“两型三新”线路，自2009年6月，国家电网公司基建部牵头召开了第一次“复合材料杆塔项目启动会”，各设计参与单位先后落实了复合材料杆塔应用的试点工程及与之合作的复合材料产品商。项目共设立8个试点工程，电压等级涵盖10kV、35kV、110kV以及220kV四个电压等级。其中，110kV、220kV仅应用在横担上，利用其绝缘性缩减走廊宽度。按照国网296号文件，复合材料杆塔任务如下：1）北京玻璃钢研究设计院承担山东电力公司的35kV全复合材料杆、上海电力公司110KV复合材料绝缘横担（2010年底增加220KV复合材料绝缘横担）、天津电力公司110KV复合材料格构横担、110KV防覆冰复合材料格构塔头的研究与研制任务。2）航天703所承担10kV全复合材料杆研制任务；3）鞍山远达公司承担浙江电力公司的110KV复合材料格构横担研制任务；4）秦川电力器材厂承担北京电力公司与福建电力公司的110KV复合材料格构横担与绝缘横担研制任务;5）神马电力科技公司与常熟铁塔厂承担江苏电力公司220KV复合材料绝缘横担的研制任务。截止目前，10kV、35kV、110kV以及220kV四个电压等级的复合材料杆塔与绝缘横担已经在工程线路中通电运行。2011年6月，复合材料杆塔应用研究项目通过国网验收。以上海电力公司220Kv输电线路为例，采用复合材料绝缘横担线路走廊净减少1.8米，综合考虑风偏距离后，线路走廊减少达到5米以上，经济效益非常显著。在研制过程中，由国家电网公司牵头，国网电科院及中国电科院负责，起草了针对复合材料在输电杆塔应用的试验大纲。各参与单位根据试点工程情况选择测试项目，测试包括：材料基本力学性能测试、腐蚀老化性能测试、材料电气性能测试、构件真型试验、结构真型试验以及防雷接地性能测试，并制定了《复合材料杆塔技术条件》与《复合材料杆塔设计导则》的讨论稿，并在进一步完善中。国家电网公司在“十二五”期间，针对上一阶段杆塔研制中存在的需要改进的技术关键部分，与中国中材集团北京玻钢院复合材料有限公司协作，对现有杆塔复合材料的综合性能进一步改进，并就结构连接的关键技术进行攻关，以期在更高电压等级（220KV以上）的输电线路杆塔上应用。图1同塔双回路220KV复合材料绝缘横担上海电力公司，北玻院研制，线路走廊减少5米）输电线路设备的固体绝缘复合材料与绝缘子按输送方式可分为交流输变电设备和直流输电设备；按运行电压高低，输电分为高压（60〜220kV）、超高压（330〜750kV）和特高压（750kV以上）输电。由于交流特高压设备尺寸比较大，杂散分布电容和局部发热等因素对绝缘的长期稳定运行形成威胁。特高压输电工程对绝缘子提出了更高的要求，如高机械强度、防污闪、提高过电压耐受能力和降低无线电干扰等。随着远距离大容量输电、电力系统联网、远距离海底电缆或大城市地下电缆送电等方面的技术要求，国内已开始大力发展特高压直流输电技术，但特高压输电设备主要依赖进口，如ABB、SIEMENS、AREVA等，国产500kV以上设备国内市场占有率不高，进口比例仍在90%以上，如500kV巨型电力变压器、在紧凑型、智能化的开关设备（类似国外PASS、MITS、HIS等产品）、50吨以上大吨位绝缘子、超高压干式电缆技术、换流阀与换流变压器等，其中因素之一是受绝缘复合材料核心技术限制。随着特高压技术国产化，特高压电网的主要设备包括变压器、可控电抗器、开关设备、套管、输电线路、晶匣管、换流变等将逐步国产化。最近三年，特高压输电设备取得了一定进展，如山东电力设备有限公司研制的40万千伏安、1000千伏特高压升压变压器，具有绝缘可靠，局放量小，损耗、温升和噪声低等特点。淄博泰光电力器材厂研制了的±1100kV直流棒形悬式复合绝缘子，达到840kN强度等级，适用于准东-重庆±1100kV特高压直流输电线路工程。特变电工沈阳变压器公司研制了±800千伏特高压直流换流变压器；平高集团研制了±800千伏直流隔离开关（百万伏GIS用断路器）。但是，超、特高电压等级（50万伏及以上）的关键绝缘复合材料基本上依赖进口，并且国外公司对国内用户与材料界进行技术封锁，主要有：HVDC换流阀绝缘组件、GIS组合电器中绝缘部件、复合绝缘套管、超憎水改性环氧绝缘子（包括±1100KV盆式绝缘子与拉杆）、高电压等级的干式环保变压器等，这些产品，国内虽有单位引进生产线，但核心材料技术仍在国外。国内高电压等级绝缘复合材料技术研究基本上没有开展，从高电压绝缘破坏机理、材料设计与组分特性、纳米技术、工程验证等方面没有做过深入研究，绝缘复合材料理论、设计、合成、制造与应用水平一直赶不上国外先进水平，落后达到20年以上。“十二五”期间国家电网将高电压等级的绝缘材料技术研究纳入研究开发计划，重点突破纳米材料改性的高等级绝缘复合材料技术、表征方法等，以期在户内大型GIS组合电器中应用取得突破。因此真正实现特高压技术国产化，还需要大力开展直流输电领域的绝缘材料国产化研究，该类复合材料在未来20年有很大的市场。风力发电系统的复合材料风能是一种清洁可再生能源，取之不尽，用之不竭。预计015年全球用电量将达到2.2PW，至到2030年将达到3.0PW。如果利用10%的风能资源的水平，那就满足全球/4的电力需求量。风力发电系统的复合材料主要有：风力发电机的绝缘复合材料，风力发电叶片与机舱罩、贮能用复合材料飞轮等，风力发电机的绝缘复合材料要求无气隙、局放小，耐高温、交频电场下抗裂解性好等特点。目前，风力发电机机组正朝着大型化发展，风轮直径已突破Om,最长的叶片已做至61.5m,叶片自重达18t,大型叶片这对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求，全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化，轻量化的要求。由于碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，模量高3至8倍，大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹、轻质的优点。使用CFRP，直径为120m风轮叶片有效减少总体自重边8%，叶片成本降低14%，并使整个风力发电装置成本降低4.5%。目前，中材叶片、中复连众、南通东泰电工、GE、Vestas、Gamesa、NEGMicon、NordexRotor、Repower、DeWind等公司在39.2〜90m的叶片上应用了CFRP材料。未来海上风电机组的额定功率将超过20MW、转子直径约200m,碳纤维能够为海上风力发电提供更轻质、更抗拉力、更耐腐蚀的叶片和塔架材料。与钢质飞轮相比，复合材料飞轮储能系统具有飞轮重量轻、整个容积的重量轻、比较安全（转子本身及外壳）、比能高特点，储存同等能量的复合材料飞轮几乎要比钢质飞轮轻一个数量级。碳纤维复合材料飞轮贮能技术是风力发电得至长久发展的关键技术。自1994年中科院电工所、玻璃钢研究设计院、