美國電力系統(tǒng)正面臨現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的迫切需求，電網(wǎng)升級已成為關乎能源安全、經(jīng)濟發(fā)展與清潔能源轉(zhuǎn)型的關鍵議題。作為傳統(tǒng)輸電線路的理想替代方案，拉擠復合材料憑借其獨特優(yōu)勢，為解決美國電網(wǎng)現(xiàn)存困境提供了全新路徑。然而，能源行業(yè)固有的保守性與技術競爭格局，使得這一創(chuàng)新材料的推廣應用充滿挑戰(zhàn)。本文將圍繞美國電網(wǎng)升級的緊迫性、換線改造的優(yōu)勢、拉擠復合材料的性能特點及行業(yè)競爭態(tài)勢展開綜述，探討其在電網(wǎng)現(xiàn)代化進程中的核心價值與發(fā)展前景。

美國電網(wǎng)的老化問題已不容忽視。美國能源部（DOE）數(shù)據(jù)顯示，70% 的輸電線路已使用超過 25 年，其設計使用壽命為 50-80 年，雖仍有至少 25 年的使用期限，但升級改造的窗口期已然收緊。更嚴峻的是，新建一條高壓輸電線路的周期長達 10 年以上，不僅涉及工程建設，還需歷經(jīng)復雜的財務審批與監(jiān)管流程。在這樣的背景下，電力需求的持續(xù)飆升進一步加劇了電網(wǎng)的供需矛盾。

需求驅(qū)動因素

2023 年，數(shù)據(jù)中心的電力消耗占美國總用電量的 4.4%，是十年前的三倍，美國能源部預計到 2028 年這一比例將升至 6.7% 至 12%。美國電力信息署稱，輕型電動汽車的能耗在 2023 年首次超過輕軌系統(tǒng)，較 2018 年增長了五倍。此外，可再生能源的快速發(fā)展也對電網(wǎng)提出了新的要求，美國電網(wǎng)應對天氣變化的能力不足，風力發(fā)電場和太陽能電站通常比傳統(tǒng)能源產(chǎn)地更遠離人口密集區(qū)，若不進行現(xiàn)代化改造，電力從產(chǎn)地傳輸至目的地將面臨諸多挑戰(zhàn)。

這些挑戰(zhàn)并無放之四海而皆準的解決方案。美國電網(wǎng)結構復雜，估計有 3000 家電力系統(tǒng)所有者和運營商（也稱為公用事業(yè)公司）。電網(wǎng)項目的審批與實施以地方和區(qū)域為單位逐步推進，分段進行。不同州、縣、市擁有各自的土地使用規(guī)則和許可流程。加之能源行業(yè)普遍趨于保守，要說服決策層考慮替代材料和新技術需要時間，但時間已所剩無幾。美國能否及時將足夠的電力輸送到需要的地方？

換線改造（Reconducting）：高效解決方案

有一種方法可以讓美國現(xiàn)有電網(wǎng)輸出更多電力，那就是換線改造。即替換老舊的高壓（HV）導體電纜，采用新型改良電纜。換線改造能夠使輸電容量提升兩倍甚至更多，而成本和耗時僅為新建高壓輸電線路的一小部分。根據(jù)項目規(guī)模不同，換線改造可在 1-2 年內(nèi)完成，部分項目甚至僅需數(shù)周或數(shù)月。如今，大多數(shù)高壓輸電線路采用的是鋼芯鋁絞線（ACSR），其以鋼為增強芯體，鋁絞線纏繞在外部構成電纜并傳輸電力。通常由一家制造商生產(chǎn)芯體，再出售給另一家制造商，后者完成鋁絞線的絞合、電纜組件的組裝，最終將鋼芯鋁絞線銷售給發(fā)電行業(yè)。

鋼芯鋁絞線是 1908 年的一項電氣工程突破，由賓夕法尼亞州匹茲堡的威廉?胡普斯發(fā)明。相比當時的銅電纜，其重量輕 20%，強度卻高出近 60%。一個世紀后，這項發(fā)明仍在全球輸電領域占據(jù)主導地位。但它也存在致命弱點，即抗拉強度與導電性能之間的矛盾。保持電纜強度與提高導電性能難以兼顧，導電性能又稱載流量（AMP 容量），以兆伏安（MVA）為單位，指電纜可傳輸?shù)碾娏ω摵伞］d流量越高，導體溫度就會越高，過高的溫度會導致鋼芯鋁絞線強度下降并出現(xiàn)下垂現(xiàn)象，存在安全隱患。而鋼芯的存在進一步限制了鋁導體的載流量。

拉擠復合材料

這正是拉擠復合材料的優(yōu)勢所在。先進復合材料芯導體于約 20 年前發(fā)明，但并未迅速得到推廣，因為規(guī)避風險的電力企業(yè)缺乏更換材料的動力。然而，面對日益逼近的美國電力短缺危機，該技術重新引發(fā)了關注。碳纖維增強復合材料芯（CFC）的優(yōu)勢包括：強度更高、重量更輕，可減少支撐結構數(shù)量并增加跨度；電纜中可添加更多鋁含量以提升傳輸效率；可靠性、安全性和韌性更優(yōu)，且耐高溫性能突出，能夠提高載流量、減少線路下垂，有效預防與輸電線路相關的野火事故。

加州大學伯克利分校哈斯商學院能源研究所發(fā)布了一份題為《利用現(xiàn)有通道權中的先進導體加速輸電線路擴建》的報告。研究人員建立了首個全面模型，以展示大規(guī)模采用換線改造對提升美國電網(wǎng)容量的潛在作用，并核算了全國 5.3 萬條高壓輸電線路的換線改造成本。報告指出，盡管由于原材料成本較高且生產(chǎn)規(guī)模有限，先進導體目前的單位長度價格是傳統(tǒng)導體的 2-4 倍，但由于省去了新通道權（ROW）和新結構的建設成本，換線改造項目的單位長度總成本不足新建項目的一半。

鋼材競爭

盡管優(yōu)勢顯著，碳纖維增強復合材料芯在換線改造市場仍面臨來自鋼材的激烈競爭。近年來，鋼芯鋁絞線的性能不斷提升，而 1973 年推出的鋼支撐鋁導體（ACSS）在 21 世紀初迎來關注度高峰。新一代鋼支撐鋁導體號稱具備 “兆級” 或 “吉級” 芯體容量，能夠在最小下垂的情況下傳輸與碳纖維增強復合材料芯相當或更大的電力，如今再次成為市場焦點。

北美最大的獨立鋼絲解決方案供應商曾在 2023 年發(fā)布白皮書，對哈斯商學院的報告提出不同觀點。該白皮書指出，鋼支撐鋁導體不僅成本更低，其彈性模量（抗拉伸能力）更是碳纖維增強復合材料芯的兩倍，能夠更好地抵御冰雪和風力載荷。競爭行業(yè)和企業(yè)總會對研究結果和市場宣傳的細節(jié)展開爭論，但歸根結底，競爭是創(chuàng)新的驅(qū)動力。若換線改造獲得廣泛應用，多種芯體材料和電網(wǎng)增強技術有望在市場中占據(jù)一席之地。

市場突破

作為早期創(chuàng)新企業(yè)，一家總部位于加州的公司曾資助克萊門特?希爾博士（FSAMPE）和已故的喬治?科爾澤尼奧夫斯基的研究，二人發(fā)明了鋁導體復合材料芯增強電纜（圖 2）。該 ACCC 導體于 2003 年推出，至今已在 68 個國家的 18.5 萬公里輸電線路上安裝使用，該公司已完成超過 1350 個項目，合作對象涵蓋 300 家公用事業(yè)公司。其總部擁有兩條拉擠生產(chǎn)線、一個測試實驗室和戶外測試設施，并在中國、印度尼西亞、巴拉圭和印度等能源需求旺盛的地區(qū)設有核心生產(chǎn)基地。

圖2

該公司近期與谷歌宣布開展合作項目，雙方正在推進信息征詢（RFI）和招標（RFP）倡議，聯(lián)合各州及公用事業(yè)公司篩選高影響力輸電線路，這有望開創(chuàng)提升電網(wǎng)容量的新型投資模式。

圖3

一家總部位于芬蘭的復合材料企業(yè)也在換線改造領域嶄露頭角。該公司的聚合物基復合材料（PMC）導體芯是通過拉擠工藝制成的可成卷碳纖維棒，適用于多絲芯和單絲芯結構（圖 3）。為拓展美國市場，該企業(yè)正在擴建其肯塔基州生產(chǎn)基地，并致力于將其在歐洲市場的成功復制到美國。例如，在意大利，該公司與一家導體制造商合作開發(fā)了鋁導體復合材料多股芯，該芯體由多根碳纖維絲絞合后置于擠壓鋁管內(nèi)構成。該芬蘭公司為合作方提供碳纖維棒，后者再在芯體周圍絞合導電鋁。

合作方基于一年的平均運行數(shù)據(jù)，對 ACCM 與鋼芯鋁絞線（ACSR）進行了對比分析。該研究聚焦于一條 50 公里長的輸電線路，結果顯示，ACCM 的載流量提升了 60%，電力損耗降低了 13.08 兆瓦時，僅減少電力損耗一項就節(jié)省了約 104.6 萬歐元，項目有望在 24 個月內(nèi)實現(xiàn)收支平衡。該公司工程解決方案銷售與營銷副總裁弗朗西斯科?勒魯洛近期迎來了入職十周年，他表示，在這十年中，最具里程碑意義的事件是主導了公司導體芯解決方案的商業(yè)部署?！斑@對我們來說是一個重要的里程碑，標志著我們正式進入導體芯市場。如今，該市場已成為全球拉擠工藝最重要的應用領域之一，與風能領域并駕齊驅(qū)。” 他補充道：“這不僅是一個技術機遇，更是一項戰(zhàn)略要務。電網(wǎng)現(xiàn)代化進程越快，我們就能越快推動清潔能源轉(zhuǎn)型，增強經(jīng)濟競爭力，并為家庭、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心提供可靠電力?！?/p>

迫切需求

美國迫切需要提高電力傳輸能力和效率。若不進行升級改造，美國電網(wǎng)將難以滿足日益增長的電力需求。換線改造是解決這一挑戰(zhàn)的電網(wǎng)增強方案，而拉擠復合材料作為導體芯材料，相比鋼材具有已被證實的性能優(yōu)勢。每一個復合材料換線改造項目都在提升美國的電力容量，同時讓更多人認識到先進導體的優(yōu)勢。

美國電網(wǎng)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型刻不容緩，拉擠復合材料憑借其優(yōu)異的性能和成本效益，在換線改造中占據(jù)重要地位，為解決電網(wǎng)老化、電力需求激增和可再生能源傳輸?shù)葐栴}提供了有效途徑。盡管面臨來自傳統(tǒng)鋼材的競爭和行業(yè)保守性的挑戰(zhàn)，但在政策支持、技術創(chuàng)新和市場需求的共同推動下，拉擠復合材料有望在美國電網(wǎng)升級進程中發(fā)揮更大作用，為清潔能源轉(zhuǎn)型、經(jīng)濟競爭力提升和可靠電力供應提供堅實保障。未來，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和技術的持續(xù)進步，拉擠復合材料在電網(wǎng)領域的應用前景將更加廣闊。

參考來源：JEC