复合材料标准规范如何助力电网升级

随着全球电网面临着数据中心、电动汽车的激增需求以及向非化石燃料转型带来的压力，输电系统运营商（TSO）正在寻找经济高效、可靠的方式来提升基础设施容量和使用寿命。碳纤维生产商、导体原始设备制造商与输电系统运营商如何携手合作，以满足现代社会对电力的需求，是目前关注的焦点。

导体芯是贯穿架空输电线中心的细长增强导线，用于维持导线的形状并使其保持在地面上方的高空位置。钢芯铝绞线（ACSR）在 20 世纪已在全球范围内广泛应用。

然而，钢芯铝绞线中使用的传统钢质增强材料在工作温度超过 85°C 时会成为性能限制因素，而随着输电网络的现代化，这种高温工况正变得越来越普遍。新型高级导体能够通过线路传输更多电力，其工作温度也随之升高。钢的热膨胀系数相对较高，为 12-17×10⁻⁶K⁻¹，这意味着增强材料会出现明显的热胀下垂现象，导致导线离地面更近—— 而出于安全考虑，导线与地面的距离有着严格的规定。热膨胀现象加上材料本身的重量，限制了在导体中添加更多导电铝的可能性，从而实际制约了导体的传输容量。

复合材料导体芯的优势

碳纤维增强聚合物（CFRP）凭借其卓越的材料性能，已成为钢的理想替代品：其热膨胀系数仅为 0.2-0.9×10⁻⁶K⁻¹，这意味着热胀下垂现象几乎可以忽略不计，相应横截面上可容纳更多铝导体。铝导体数量的增加意味着导线能够传输更大的电流，有助于满足日益增长的输电容量需求。此外，所用铝可作为更高效的导电组件，且成本更低、对环境的影响更小。输电容量的提升会导致线路温度升高，而由碳纤维增强聚合物制成的聚合物基复合材料（PMC）导体芯可承受约 180°C 的工作温度。除了提升输电容量外，这种 “换代升级”—— 即用含复合材料芯的导体替代钢芯铝绞线，无需新建基础设施，具有干扰小、环境影响小的特点。

复合材料导体芯的制造

拉挤成型工艺非常适合生产导体芯：导体芯具有均匀性，且长度要求达数千米，这就需要一种能够持续、连续生产的制造技术。拉挤成型工艺的成本节约效果显著，因为拉挤成型机能够生产超长长度的产品，无需频繁更换或调整以适应客户线轴所需的新配置。

质量保证创新已受到输电系统运营商的关注。CFRP或PMC芯体经拉挤成型机生产后，会卷绕到库存线轴上等待发货，随后会被装载到客户的线轴上运出，线轴空了之后会运回工厂。这些线轴在更换前可重复使用多次。

采用复卷技术确保产品型材以承诺的质量和精确的长度公差送达客户手中。复卷是指借助滚压检测装置将所需长度的线材从一个线轴卷绕到另一个线轴上。该装置会将CFRP线材弯曲到特定的弯曲半径，以此检测出任何缺陷或薄弱环节，作为质量控制流程的一部分。

第一代复合材料导体芯及其统一标准（ASTM B987-20）基于单一产品 —— 即带有玻璃纤维表面的碳纤维增强聚合物芯体。

然而，随着电网增强技术需求的激增，市场上出现了多种不同等级、不同预算定位的产品。近年来，电网管理者明确表示，实施此类技术的一个重大障碍是难以进行产品比较和评估。如果他们无法确定某一解决方案比竞品具有更优的性能和性价比，就会将投资转向其他领域。这种信心必须建立在复合材料技术的多个方面：安装是否简便安全？长期维护需求如何？与钢芯铝绞线及其他竞争解决方案相比，其确切的性能优势是什么？关键是，该产品在其使用寿命内是否会被淘汰或过时？

制造商及产业链企业深知复合材料在电气化和脱碳进程中应发挥重要作用。要向客户证明这一点，就需要更新标准化体系，以创造公平的竞争环境。

标准化规范市场

2024 年末，国际电工委员会（IEC）TC 7发布了 TS 62818-1 技术规范。该技术规范旨在为输电系统运营商提供产品比较的便利，通过制定质量指南和明确适用的测试方法，为复合材料导体芯建立了首个统一的测试和认证框架，且不受设计、材料或表面处理方式的限制。

产品管理负责人于 2021 年加入第 7 技术委员会（TC 7），当时该委员会正寻求复合材料制造商的意见。其所在工厂此前获得国际汽车工作组（IATF）TS 16949 质量管理体系认证的经验，为制定符合 IEC TS 62818-1 测试规范的生产线理念、质量标准和报告流程提供了借鉴。例如，阿伦尼乌斯法可用于评估材料的长期热稳定性，该方法通过将与温度相关的降解过程与机械性能相关联，推断材料随时间变化的性能表现。在此背景下，我们可以监测高温与轴向抗拉强度之间的关系，从而预测产品在整个使用寿命内的合规性。

对于价值链上的制造商而言，标准化的术语、验收标准和测试方法为展示产品性能提供了清晰的途径，避免了因各国标准重复或冲突带来的困扰。对于输电系统运营商而言，标准化消除了因不同解决方案评估依据不一致而导致的比较困难问题。

合作推动行业发展

TS 62818-1 技术规范制定期间收到的反馈总体积极向好；在该规范发布前的几年里，与输电系统运营商、电网公司和导体制造商的讨论均表明，行业普遍希望能够更便捷地评估和应用这项技术。如今，美国材料与试验协会（ASTM）标准也进行了更新，纳入了更多种类的复合材料芯产品。

事实上，TS 62818-1 技术规范的制定离不开各方合作伙伴的共同努力。国际电工委员会委员会通过吸纳价值链各阶段行业专家的意见，清晰地了解了市场需求，确保该技术规范在未来数十年内都能为行业所信赖。复合材料制造商、导体制造商、输电系统运营商和公用事业公司均在材料、机械集成、运行和可靠性需求以及风险管理等方面分享了专业知识。

在复合材料推动电网系统演进的过程中，IEC和国际大电网委员会（CIGRE）等组织，积极分享各自积累的技术专业知识，发挥了重要的价值。