隨著全球電網(wǎng)面臨著數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車(chē)的激增需求以及向非化石燃料轉(zhuǎn)型帶來(lái)的壓力，輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（TSO）正在尋找經(jīng)濟(jì)高效、可靠的方式來(lái)提升基礎(chǔ)設(shè)施容量和使用壽命。碳纖維生產(chǎn)商、導(dǎo)體原始設(shè)備制造商與輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商如何攜手合作，以滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力的需求，是目前關(guān)注的焦點(diǎn)。

導(dǎo)體芯是貫穿架空輸電線中心的細(xì)長(zhǎng)增強(qiáng)導(dǎo)線，用于維持導(dǎo)線的形狀并使其保持在地面上方的高空位置。鋼芯鋁絞線（ACSR）在 20 世紀(jì)已在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。

然而，鋼芯鋁絞線中使用的傳統(tǒng)鋼質(zhì)增強(qiáng)材料在工作溫度超過(guò) 85°C 時(shí)會(huì)成為性能限制因素，而隨著輸電網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代化，這種高溫工況正變得越來(lái)越普遍。新型高級(jí)導(dǎo)體能夠通過(guò)線路傳輸更多電力，其工作溫度也隨之升高。鋼的熱膨脹系數(shù)相對(duì)較高，為 12-17×10??K?1，這意味著增強(qiáng)材料會(huì)出現(xiàn)明顯的熱脹下垂現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)線離地面更近—— 而出于安全考慮，導(dǎo)線與地面的距離有著嚴(yán)格的規(guī)定。熱膨脹現(xiàn)象加上材料本身的重量，限制了在導(dǎo)體中添加更多導(dǎo)電鋁的可能性，從而實(shí)際制約了導(dǎo)體的傳輸容量。

復(fù)合材料導(dǎo)體芯的優(yōu)勢(shì)

碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）憑借其卓越的材料性能，已成為鋼的理想替代品：其熱膨脹系數(shù)僅為 0.2-0.9×10??K?1，這意味著熱脹下垂現(xiàn)象幾乎可以忽略不計(jì)，相應(yīng)橫截面上可容納更多鋁導(dǎo)體。鋁導(dǎo)體數(shù)量的增加意味著導(dǎo)線能夠傳輸更大的電流，有助于滿足日益增長(zhǎng)的輸電容量需求。此外，所用鋁可作為更高效的導(dǎo)電組件，且成本更低、對(duì)環(huán)境的影響更小。輸電容量的提升會(huì)導(dǎo)致線路溫度升高，而由碳纖維增強(qiáng)聚合物制成的聚合物基復(fù)合材料（PMC）導(dǎo)體芯可承受約 180°C 的工作溫度。除了提升輸電容量外，這種 “換代升級(jí)”—— 即用含復(fù)合材料芯的導(dǎo)體替代鋼芯鋁絞線，無(wú)需新建基礎(chǔ)設(shè)施，具有干擾小、環(huán)境影響小的特點(diǎn)。

復(fù)合材料導(dǎo)體芯的制造

拉擠成型工藝非常適合生產(chǎn)導(dǎo)體芯：導(dǎo)體芯具有均勻性，且長(zhǎng)度要求達(dá)數(shù)千米，這就需要一種能夠持續(xù)、連續(xù)生產(chǎn)的制造技術(shù)。拉擠成型工藝的成本節(jié)約效果顯著，因?yàn)槔瓟D成型機(jī)能夠生產(chǎn)超長(zhǎng)長(zhǎng)度的產(chǎn)品，無(wú)需頻繁更換或調(diào)整以適應(yīng)客戶(hù)線軸所需的新配置。

質(zhì)量保證創(chuàng)新已受到輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注。CFRP或PMC芯體經(jīng)拉擠成型機(jī)生產(chǎn)后，會(huì)卷繞到庫(kù)存線軸上等待發(fā)貨，隨后會(huì)被裝載到客戶(hù)的線軸上運(yùn)出，線軸空了之后會(huì)運(yùn)回工廠。這些線軸在更換前可重復(fù)使用多次。

采用復(fù)卷技術(shù)確保產(chǎn)品型材以承諾的質(zhì)量和精確的長(zhǎng)度公差送達(dá)客戶(hù)手中。復(fù)卷是指借助滾壓檢測(cè)裝置將所需長(zhǎng)度的線材從一個(gè)線軸卷繞到另一個(gè)線軸上。該裝置會(huì)將CFRP線材彎曲到特定的彎曲半徑，以此檢測(cè)出任何缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，作為質(zhì)量控制流程的一部分。

第一代復(fù)合材料導(dǎo)體芯及其統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（ASTM B987-20）基于單一產(chǎn)品 —— 即帶有玻璃纖維表面的碳纖維增強(qiáng)聚合物芯體。

然而，隨著電網(wǎng)增強(qiáng)技術(shù)需求的激增，市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種不同等級(jí)、不同預(yù)算定位的產(chǎn)品。近年來(lái)，電網(wǎng)管理者明確表示，實(shí)施此類(lèi)技術(shù)的一個(gè)重大障礙是難以進(jìn)行產(chǎn)品比較和評(píng)估。如果他們無(wú)法確定某一解決方案比競(jìng)品具有更優(yōu)的性能和性?xún)r(jià)比，就會(huì)將投資轉(zhuǎn)向其他領(lǐng)域。這種信心必須建立在復(fù)合材料技術(shù)的多個(gè)方面：安裝是否簡(jiǎn)便安全？長(zhǎng)期維護(hù)需求如何？與鋼芯鋁絞線及其他競(jìng)爭(zhēng)解決方案相比，其確切的性能優(yōu)勢(shì)是什么？關(guān)鍵是，該產(chǎn)品在其使用壽命內(nèi)是否會(huì)被淘汰或過(guò)時(shí)？

制造商及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)深知復(fù)合材料在電氣化和脫碳進(jìn)程中應(yīng)發(fā)揮重要作用。要向客戶(hù)證明這一點(diǎn)，就需要更新標(biāo)準(zhǔn)化體系，以創(chuàng)造公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。

標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范市場(chǎng)

2024 年末，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）TC 7發(fā)布了 TS 62818-1 技術(shù)規(guī)范。該技術(shù)規(guī)范旨在為輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商提供產(chǎn)品比較的便利，通過(guò)制定質(zhì)量指南和明確適用的測(cè)試方法，為復(fù)合材料導(dǎo)體芯建立了首個(gè)統(tǒng)一的測(cè)試和認(rèn)證框架，且不受設(shè)計(jì)、材料或表面處理方式的限制。

產(chǎn)品管理負(fù)責(zé)人于 2021 年加入第 7 技術(shù)委員會(huì)（TC 7），當(dāng)時(shí)該委員會(huì)正尋求復(fù)合材料制造商的意見(jiàn)。其所在工廠此前獲得國(guó)際汽車(chē)工作組（IATF）TS 16949 質(zhì)量管理體系認(rèn)證的經(jīng)驗(yàn)，為制定符合 IEC TS 62818-1 測(cè)試規(guī)范的生產(chǎn)線理念、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和報(bào)告流程提供了借鑒。例如，阿倫尼烏斯法可用于評(píng)估材料的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性，該方法通過(guò)將與溫度相關(guān)的降解過(guò)程與機(jī)械性能相關(guān)聯(lián)，推斷材料隨時(shí)間變化的性能表現(xiàn)。在此背景下，我們可以監(jiān)測(cè)高溫與軸向抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，從而預(yù)測(cè)產(chǎn)品在整個(gè)使用壽命內(nèi)的合規(guī)性。

對(duì)于價(jià)值鏈上的制造商而言，標(biāo)準(zhǔn)化的術(shù)語(yǔ)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法為展示產(chǎn)品性能提供了清晰的途徑，避免了因各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)或沖突帶來(lái)的困擾。對(duì)于輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商而言，標(biāo)準(zhǔn)化消除了因不同解決方案評(píng)估依據(jù)不一致而導(dǎo)致的比較困難問(wèn)題。

合作推動(dòng)行業(yè)發(fā)展

TS 62818-1 技術(shù)規(guī)范制定期間收到的反饋總體積極向好；在該規(guī)范發(fā)布前的幾年里，與輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、電網(wǎng)公司和導(dǎo)體制造商的討論均表明，行業(yè)普遍希望能夠更便捷地評(píng)估和應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。如今，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了更新，納入了更多種類(lèi)的復(fù)合材料芯產(chǎn)品。

事實(shí)上，TS 62818-1 技術(shù)規(guī)范的制定離不開(kāi)各方合作伙伴的共同努力。國(guó)際電工委員會(huì)委員會(huì)通過(guò)吸納價(jià)值鏈各階段行業(yè)專(zhuān)家的意見(jiàn)，清晰地了解了市場(chǎng)需求，確保該技術(shù)規(guī)范在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)都能為行業(yè)所信賴(lài)。復(fù)合材料制造商、導(dǎo)體制造商、輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和公用事業(yè)公司均在材料、機(jī)械集成、運(yùn)行和可靠性需求以及風(fēng)險(xiǎn)管理等方面分享了專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

在復(fù)合材料推動(dòng)電網(wǎng)系統(tǒng)演進(jìn)的過(guò)程中，IEC和國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)（CIGRE）等組織，積極分享各自積累的技術(shù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，發(fā)揮了重要的價(jià)值。