高導(dǎo)電率鋁合金節(jié)能導(dǎo)線研制及應(yīng)用探討

單小龍，林繼亮，馮祝華，薛春林，陸 偉，尤偉任，溫作銘，徐一峰

(1.上海中天鋁線有限公司，上海 200001；2. 中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063；3.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通 226400；4.上海高性能架空導(dǎo)線輸電材料與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，上海 200001)

0 引言

目前，國家電網(wǎng)在各類電壓等級輸電線路上廣泛使用節(jié)能導(dǎo)線，在特高壓交流工程中規(guī)模化采用鋁合金芯鋁絞線，超高壓線路工程中規(guī)?；捎娩撔靖邔?dǎo)電率鋁絞線，在降低輸電線路損耗、減少二氧化碳排放方面，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益[1]。

國內(nèi)架空導(dǎo)線制造廠家基于現(xiàn)有鋁合金芯鋁絞線的基礎(chǔ)上進行技術(shù)升級，從鋁合金材料研究上進行突破，研發(fā)高導(dǎo)電率鋁合金材料，制備高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線，相比鋁合金芯鋁絞線電阻更小，線路損耗更低，節(jié)能效果更優(yōu)，經(jīng)濟性更好，有助于電力系統(tǒng)碳減排，服務(wù)我國“碳中和、碳達峰”建設(shè)。

本文闡述了高導(dǎo)電率鋁合金材料制備的關(guān)鍵工藝技術(shù)，并以擬建華中環(huán)網(wǎng)1000 kV交流特高壓工程為例，圍繞電氣性能、機械性能和經(jīng)濟性進行對比分析。

1 高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線

高強度鋁鎂硅合金作為輸電導(dǎo)線材料，已經(jīng)有幾十年的應(yīng)用史，國內(nèi)外也已形成相應(yīng)的標準體系，國標GB/T 23308—2009《架空絞線用鋁-鎂-硅系合金圓線》[2]包含了兩種高強度鋁鎂硅合金LHA1、LHA2，歐標BS EN 50183—2000《架空導(dǎo)線鋁鎂硅合金線》中包含7種鋁鎂硅合金材料AL2～AL8。

1.1 LHA55.25高導(dǎo)電率鋁合金材料研制

鋁鎂硅合金材料的導(dǎo)電率與強度互為矛盾，一般鋁合金強度的提高會導(dǎo)致鋁合金導(dǎo)電率降低。從鋁合金成分、熔體質(zhì)量以及微觀強化相三方面進行調(diào)控，獲得具有高強度、高導(dǎo)電率綜合性能的鋁合金材料。

1)配方優(yōu)化。鋁鎂硅合金中Mg、Si元素的含量和 Mg/Si質(zhì)量百分數(shù)比對合金強度和導(dǎo)電率都會產(chǎn)生影響，Mg/Si質(zhì)量百分數(shù)在0.88～1.0時合金綜合性能最好。在生產(chǎn)鋁合金時，充分保證Mg和Si的固溶，減少游離態(tài)的Mg或Si，從而提高合金的性能。

2)除雜工藝。采用特殊除雜工藝方法，可有效去除鋁合金熔體中的超細夾雜物。相比常規(guī)陶瓷過濾，大于15 μm的顆粒過濾效率由66%提高至95%；對于5～15 μm 的夾雜去除效果由46%提高至85%，如圖1所示。

圖1 不同除雜工藝除雜效果對比

3)熱處理工藝：鋁鎂硅合金在時效過程中析出行為：過飽和固溶體→G.P.區(qū)→β″→β′→β的相變過程[3]，有關(guān)研究表明[4]： 時效過程中析出球形的亞穩(wěn)相β″具有最佳的強化效應(yīng)，同時對鋁鎂硅合金的導(dǎo)電率沒有明顯影響。在鋁合金后續(xù)時效過程中，嚴格控制時效溫度、時間，精確調(diào)控細小的亞穩(wěn)相β″ ( Mg5Si6)充分、均勻析出，協(xié)調(diào)解決導(dǎo)電率與強度之間的矛盾。

通過上述工藝實現(xiàn)鋁合金線高強高導(dǎo)特性，研發(fā)LHA55.25高導(dǎo)鋁合金，抗拉強度達 到305～315 MPa，導(dǎo) 電 率 達 到55.25% IACS(International Annealed Copper Standard，國際退火銅標準值)。

1.2 LHA55.25高導(dǎo)電率鋁合金材料性能指標對比

LHA55.25高導(dǎo)電率鋁合金材料與國標GB/T 23308—2009中LHA1、LHA2；歐 標BS EN 50183—2000中AL5、AL6以及國網(wǎng)企標Q/GDW 10815-2017[5]中的LHA5性能對比，見表1所列。

表1 LHA55.25單線性能對比表

從表1可以看出：

1) LHA55.25與LHA1、LHA2同屬于高強度鋁合金，進一步提升了導(dǎo)電率；

2) LHA55.25相比LHA5具有更優(yōu)的性能，抗拉強度提升了3.3%，導(dǎo)電率提升了0.45%；

3) LHA55.25性 能 介 于AL5、AL6之 間，導(dǎo)電率達到AL5水平，抗拉強度達到AL6水平，相比AL5提升3.4%～6.7%。

采用LHA55.25高導(dǎo)電率鋁合金材料制備的高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線JL3/LHA55.25-800/550-54/37通過國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測中心型式試驗(報告編號：CT18—02042)，各 項 性 能 符 合Q/GDW 1815—2017、Q31/0112000213C014—2108標準要求，檢測結(jié)果見表2所列。該產(chǎn)品2018年通過中國電力企業(yè)聯(lián)合會組織技術(shù)鑒定(中電聯(lián)鑒字[2018]第181號)，2019年入選國家電網(wǎng)新技術(shù)、新產(chǎn)品推廣目錄。

表2 JL3/LHA55.25-800/550-54/37鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線主要指標測試數(shù)據(jù)

2 交流特高壓應(yīng)用分析

以擬建華中環(huán)網(wǎng)1000 kV交流特高壓工程為例，雙回八分裂，輸送容量為10000 MW、電壓1000 kV、單根導(dǎo)線輸送電流380 A，設(shè)計覆冰厚度為10 mm，年損耗小時3000 h，回收率8%，上網(wǎng)電價0.40元/kWh。選取鋼芯鋁絞線8×JL/G1A-630/45、鋁合金芯鋁絞線8×JL1/LHA1-465/210、高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線8×JL3/LHA55.25-465/210三種絞線進行對比分析。

2.1 絞線參數(shù)對比

載流量采用2010年7月1日起實施的標準 GB 50545—2010《110 kV～750 kV架 空 輸 電線路設(shè)計規(guī)范》中提供的方法計算，其中橫向風(fēng)的速度0.5 m/s，日照強度1000 W/m2，相對黑體的發(fā)射系數(shù)、吸熱系數(shù)均取0.9，環(huán)境溫度40 ℃，頻率50 Hz。三種絞線的參數(shù)對比見表3所列。

表3 三種絞線技術(shù)參數(shù)

通過表3對比得出，高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線JL3/LHA55.25-465/210具有以下優(yōu)勢：

1)與鋁合金芯鋁絞線相比強度、重量相同，比鋼芯鋁絞線重量輕，拉重比相當，可廣泛應(yīng)用于各類電壓等級輸電線路；

2) 20℃直流電阻與鋼芯鋁絞線相比下降5.3%，與鋁合金芯鋁絞線相比下降1.94%；

3)同等條件下載流能力高于鋁合金芯鋁絞線、鋼芯鋁絞線。

2.2 線路損耗對比

交流輸電線路每千米線路損耗對比見表4所列。

表4 電能損耗對比表

通過表4對比，高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線降耗效果如下：

1)每千米線路電阻損耗比傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線降低5.9%，比鋁合金芯鋁絞線降低2.4%；

2)年線路損耗電能相比傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線節(jié)約62331 kWh/km，相比鋁合金芯鋁絞線節(jié)約24932 kWh/km。

2.3 節(jié)能減排效果對比

根據(jù)國家統(tǒng)計局2021年1月20日發(fā)布全國電力工業(yè)數(shù)據(jù)顯示，電廠供電標準煤耗為305.5 g/kWh，工業(yè)鍋爐每燃燒1 t標準煤，就產(chǎn)生CO22620 kg，SO28.5 kg，NOx7.4 kg。以上網(wǎng)電價0.40元/kWh計算，對比分析三種絞線線路年損耗費用以及由于損耗產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx排放情況。導(dǎo)線節(jié)能效果對比見表5所列。

表5 導(dǎo)線節(jié)能、減排效果對比

通過表5對比，高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線在節(jié)能方面具有如下優(yōu)勢：

1)每年線路損耗費用相比鋼芯鋁絞線節(jié)省2.49萬元/km，相比鋁合金芯鋁絞線節(jié)省約 1萬元/km。

2)相比鋁合金芯鋁絞線，每年線路損耗降低相當于減少煤耗7.62 t/km，減少CO219.96 t/km， SO20.05 t/km，NOx0.06 t/km。

2.4 經(jīng)濟分析

2.4.1 投資分析

綜合考慮不同導(dǎo)線方案對地距離差異、弧垂特性差異的部分影響以及導(dǎo)線價格、塔重、基礎(chǔ)等因素，得到不同導(dǎo)線的工程靜態(tài)投資[1]，見表6所列。

表6 導(dǎo)線方案的投資對比

由于8*JL1/LHA1-465/210導(dǎo)線張力比8*JL3/LHA55.25-465/210大，導(dǎo)致其耐張塔桿塔工程量有所增加。

2.4.2 年費用分析

根據(jù)最小年費用法[1]對所選導(dǎo)線進行經(jīng)濟性比較，選取年損耗小時數(shù)分別為2700 h、3000 h、3200 h，資本金內(nèi)部收益率分別為8%、10%，上網(wǎng)電價為0.4元/kWh條件進行比較。以鋼芯鋁絞線JL/G1A-630/45年費用作為基準，比較年費用降低情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 交流特高壓最小年費用對比

從圖2可以看出，高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線相比鋁合金芯鋁絞線、鋼芯鋁絞線具有更低年費用，且隨著年損耗小時數(shù)的增加，其節(jié)能效果優(yōu)勢更大，相比鋼芯鋁絞線，年費用降低值逐漸增大，具有更明顯的經(jīng)濟性優(yōu)勢。

2.4.3 平衡點分析

針對年費用分析得出在損耗小時數(shù)分別在2700 h、3000 h、3200 h，資本金內(nèi)部收益率分別為8%、10%，上網(wǎng)電價在0.4元/kWh電價下的導(dǎo)線單價平衡點，結(jié)果如圖3所示。

圖3 交流特高壓平衡點導(dǎo)線單價對比

由圖3可知，隨著損耗小時數(shù)不斷增加，高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線在導(dǎo)線價格上優(yōu)勢越來越大。

3 結(jié)論

1) JL3/LHA55.25高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線相比現(xiàn)有JL1/LHA1-465/210鋁合金芯鋁絞線，20℃直流電阻下降1.94%，節(jié)能效果進一步提升，符合國家雙碳經(jīng)濟的需要，可適用于各個電壓等級的架空輸電線路；

2)通過最小年費用法進行經(jīng)濟性比較，由于高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線具有更低的電阻，可顯著降低線路電能損耗，具有更低年費用，經(jīng)濟性更優(yōu)；

3) JL3/LHA55.25高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線已形成企業(yè)標準，通過國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測中心型式試驗檢測符合相關(guān)標準要求。國內(nèi)主流導(dǎo)線設(shè)備制造企業(yè)通過現(xiàn)有技術(shù)、工藝的優(yōu)化能夠具備制造能力。