拉挤工艺复合材料：重塑美国电网的科技引擎

美国电力系统正面临现代化转型的迫切需求，电网升级已成为关乎能源安全、经济发展与清洁能源转型的关键议题。作为传统输电线路的理想替代方案，拉挤复合材料凭借其独特优势，为解决美国电网现存困境提供了全新路径。然而，能源行业固有的保守性与技术竞争格局，使得这一创新材料的推广应用充满挑战。本文将围绕美国电网升级的紧迫性、换线改造的优势、拉挤复合材料的性能特点及行业竞争态势展开综述，探讨其在电网现代化进程中的核心价值与发展前景。

美国电网的老化问题已不容忽视。美国能源部（DOE）数据显示，70% 的输电线路已使用超过 25 年，其设计使用寿命为 50-80 年，虽仍有至少 25 年的使用期限，但升级改造的窗口期已然收紧。更严峻的是，新建一条高压输电线路的周期长达 10 年以上，不仅涉及工程建设，还需历经复杂的财务审批与监管流程。在这样的背景下，电力需求的持续飙升进一步加剧了电网的供需矛盾。

需求驱动因素

2023 年，数据中心的电力消耗占美国总用电量的 4.4%，是十年前的三倍，美国能源部预计到 2028 年这一比例将升至 6.7% 至 12%。美国电力信息署称，轻型电动汽车的能耗在 2023 年首次超过轻轨系统，较 2018 年增长了五倍。此外，可再生能源的快速发展也对电网提出了新的要求，美国电网应对天气变化的能力不足，风力发电场和太阳能电站通常比传统能源产地更远离人口密集区，若不进行现代化改造，电力从产地传输至目的地将面临诸多挑战。

这些挑战并无放之四海而皆准的解决方案。美国电网结构复杂，估计有 3000 家电力系统所有者和运营商（也称为公用事业公司）。电网项目的审批与实施以地方和区域为单位逐步推进，分段进行。不同州、县、市拥有各自的土地使用规则和许可流程。加之能源行业普遍趋于保守，要说服决策层考虑替代材料和新技术需要时间，但时间已所剩无几。美国能否及时将足够的电力输送到需要的地方？

换线改造（Reconducting）：高效解决方案

有一种方法可以让美国现有电网输出更多电力，那就是换线改造。即替换老旧的高压（HV）导体电缆，采用新型改良电缆。换线改造能够使输电容量提升两倍甚至更多，而成本和耗时仅为新建高压输电线路的一小部分。根据项目规模不同，换线改造可在 1-2 年内完成，部分项目甚至仅需数周或数月。如今，大多数高压输电线路采用的是钢芯铝绞线（ACSR），其以钢为增强芯体，铝绞线缠绕在外部构成电缆并传输电力。通常由一家制造商生产芯体，再出售给另一家制造商，后者完成铝绞线的绞合、电缆组件的组装，最终将钢芯铝绞线销售给发电行业。

钢芯铝绞线是 1908 年的一项电气工程突破，由宾夕法尼亚州匹兹堡的威廉・胡普斯发明。相比当时的铜电缆，其重量轻 20%，强度却高出近 60%。一个世纪后，这项发明仍在全球输电领域占据主导地位。但它也存在致命弱点，即抗拉强度与导电性能之间的矛盾。保持电缆强度与提高导电性能难以兼顾，导电性能又称载流量（AMP 容量），以兆伏安（MVA）为单位，指电缆可传输的电力负荷。载流量越高，导体温度就会越高，过高的温度会导致钢芯铝绞线强度下降并出现下垂现象，存在安全隐患。而钢芯的存在进一步限制了铝导体的载流量。

拉挤复合材料

这正是拉挤复合材料的优势所在。先进复合材料芯导体于约 20 年前发明，但并未迅速得到推广，因为规避风险的电力企业缺乏更换材料的动力。然而，面对日益逼近的美国电力短缺危机，该技术重新引发了关注。碳纤维增强复合材料芯（CFC）的优势包括：强度更高、重量更轻，可减少支撑结构数量并增加跨度；电缆中可添加更多铝含量以提升传输效率；可靠性、安全性和韧性更优，且耐高温性能突出，能够提高载流量、减少线路下垂，有效预防与输电线路相关的野火事故。

加州大学伯克利分校哈斯商学院能源研究所发布了一份题为《利用现有通道权中的先进导体加速输电线路扩建》的报告。研究人员建立了首个全面模型，以展示大规模采用换线改造对提升美国电网容量的潜在作用，并核算了全国 5.3 万条高压输电线路的换线改造成本。报告指出，尽管由于原材料成本较高且生产规模有限，先进导体目前的单位长度价格是传统导体的 2-4 倍，但由于省去了新通道权（ROW）和新结构的建设成本，换线改造项目的单位长度总成本不足新建项目的一半。

钢材竞争

尽管优势显著，碳纤维增强复合材料芯在换线改造市场仍面临来自钢材的激烈竞争。近年来，钢芯铝绞线的性能不断提升，而 1973 年推出的钢支撑铝导体（ACSS）在 21 世纪初迎来关注度高峰。新一代钢支撑铝导体号称具备 “兆级” 或 “吉级” 芯体容量，能够在最小下垂的情况下传输与碳纤维增强复合材料芯相当或更大的电力，如今再次成为市场焦点。

北美最大的独立钢丝解决方案供应商曾在 2023 年发布白皮书，对哈斯商学院的报告提出不同观点。该白皮书指出，钢支撑铝导体不仅成本更低，其弹性模量（抗拉伸能力）更是碳纤维增强复合材料芯的两倍，能够更好地抵御冰雪和风力载荷。竞争行业和企业总会对研究结果和市场宣传的细节展开争论，但归根结底，竞争是创新的驱动力。若换线改造获得广泛应用，多种芯体材料和电网增强技术有望在市场中占据一席之地。

市场突破

作为早期创新企业，一家总部位于加州的公司曾资助克莱门特・希尔博士（FSAMPE）和已故的乔治・科尔泽尼奥夫斯基的研究，二人发明了铝导体复合材料芯增强电缆（图 2）。该 ACCC 导体于 2003 年推出，至今已在 68 个国家的 18.5 万公里输电线路上安装使用，该公司已完成超过 1350 个项目，合作对象涵盖 300 家公用事业公司。其总部拥有两条拉挤生产线、一个测试实验室和户外测试设施，并在中国、印度尼西亚、巴拉圭和印度等能源需求旺盛的地区设有核心生产基地。

图2

该公司近期与谷歌宣布开展合作项目，双方正在推进信息征询（RFI）和招标（RFP）倡议，联合各州及公用事业公司筛选高影响力输电线路，这有望开创提升电网容量的新型投资模式。

图3

一家总部位于芬兰的复合材料企业也在换线改造领域崭露头角。该公司的聚合物基复合材料（PMC）导体芯是通过拉挤工艺制成的可成卷碳纤维棒，适用于多丝芯和单丝芯结构（图 3）。为拓展美国市场，该企业正在扩建其肯塔基州生产基地，并致力于将其在欧洲市场的成功复制到美国。例如，在意大利，该公司与一家导体制造商合作开发了铝导体复合材料多股芯，该芯体由多根碳纤维丝绞合后置于挤压铝管内构成。该芬兰公司为合作方提供碳纤维棒，后者再在芯体周围绞合导电铝。

合作方基于一年的平均运行数据，对 ACCM 与钢芯铝绞线（ACSR）进行了对比分析。该研究聚焦于一条 50 公里长的输电线路，结果显示，ACCM 的载流量提升了 60%，电力损耗降低了 13.08 兆瓦时，仅减少电力损耗一项就节省了约 104.6 万欧元，项目有望在 24 个月内实现收支平衡。该公司工程解决方案销售与营销副总裁弗朗西斯科・勒鲁洛近期迎来了入职十周年，他表示，在这十年中，最具里程碑意义的事件是主导了公司导体芯解决方案的商业部署。“这对我们来说是一个重要的里程碑，标志着我们正式进入导体芯市场。如今，该市场已成为全球拉挤工艺最重要的应用领域之一，与风能领域并驾齐驱。” 他补充道：“这不仅是一个技术机遇，更是一项战略要务。电网现代化进程越快，我们就能越快推动清洁能源转型，增强经济竞争力，并为家庭、工业和数据中心提供可靠电力。”

迫切需求

美国迫切需要提高电力传输能力和效率。若不进行升级改造，美国电网将难以满足日益增长的电力需求。换线改造是解决这一挑战的电网增强方案，而拉挤复合材料作为导体芯材料，相比钢材具有已被证实的性能优势。每一个复合材料换线改造项目都在提升美国的电力容量，同时让更多人认识到先进导体的优势。

美国电网的现代化转型刻不容缓，拉挤复合材料凭借其优异的性能和成本效益，在换线改造中占据重要地位，为解决电网老化、电力需求激增和可再生能源传输等问题提供了有效途径。尽管面临来自传统钢材的竞争和行业保守性的挑战，但在政策支持、技术创新和市场需求的共同推动下，拉挤复合材料有望在美国电网升级进程中发挥更大作用，为清洁能源转型、经济竞争力提升和可靠电力供应提供坚实保障。未来，随着生产规模的扩大和技术的持续进步，拉挤复合材料在电网领域的应用前景将更加广阔。

参考来源：JEC