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(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)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)
目前,國(guó)家電網(wǎng)在各類電壓等級(jí)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)模化采用鋼芯高導(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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。
國(guó)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(jìn)行技術(shù)升級(jí),從鋁合金材料研究上進(jìn)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(jì)性更好,有助于電力系統(tǒng)碳減排,服務(wù)我國(guó)“碳中和、碳達(dá)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(jī)械性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。
高強(qiáng)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(guó)內(nèi)外也已形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系,國(guó)標(biāo)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(qiáng)度鋁鎂硅合金LHA1、LHA2,歐標(biāo)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。
鋁鎂硅合金材料的導(dǎo)電率與強(qiáng)度互為矛盾,一般鋁合金強(qiáng)度的提高會(huì)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(qiáng)化相三方面進(jìn)行調(diào)控,獲得具有高強(qiáng)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?jǐn)?shù)比對(duì)合金強(qiáng)度和導(dǎo)電率都會(huì)產(chǎn)生影響,Mg/Si質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在0.88~1.0時(shí)合金綜合性能最好。在生產(chǎn)鋁合金時(shí),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(xì)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(duì)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(duì)比
3)熱處理工藝:鋁鎂硅合金在時(shí)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(shí)效過程中析出球形的亞穩(wěn)相β″具有最佳的強(qiáng)化效應(yīng),同時(shí)對(duì)鋁鎂硅合金的導(dǎo)電率沒有明顯影響。在鋁合金后續(xù)時(shí)效過程中,嚴(yán)格控制時(shí)效溫度、時(shí)間,精確調(diào)控細(xì)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(qiáng)度之間的矛盾。
通過上述工藝實(shí)現(xiàn)鋁合金線高強(qiáng)高導(dǎo)特性,研發(fā)LHA55.25高導(dǎo)鋁合金,抗拉強(qiáng)度達(dá) 到305~315 MPa,導(dǎo) 電 率 達(dá) 到55.25% IACS(International Annealed Copper Standard,國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)值)。
LHA55.25高導(dǎo)電率鋁合金材料與國(guó)標(biāo)GB/T 23308—2009中LHA1、LHA2;歐 標(biāo)BS EN 50183—2000中AL5、AL6以及國(guó)網(wǎng)企標(biāo)Q/GDW 10815-2017[5]中的LHA5性能對(duì)比,見表1所列。
表1 LHA55.25單線性能對(duì)比表
從表1可以看出:
1) LHA55.25與LHA1、LHA2同屬于高強(qiáng)度鋁合金,進(jìn)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(qiáng)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(dá)到AL5水平,抗拉強(qiáng)度達(dá)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(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心型式試驗(yàn)(報(bào)告編號(hào):CT18—02042),各 項(xiàng) 性 能 符 合Q/GDW 1815—2017、Q31/0112000213C014—2108標(biāo)準(zhǔn)要求,檢測(cè)結(jié)果見表2所列。該產(chǎn)品2018年通過中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)組織技術(shù)鑒定(中電聯(lián)鑒字[2018]第181號(hào)),2019年入選國(guó)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(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)
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(jì)覆冰厚度為10 mm,年損耗小時(shí)3000 h,回收率8%,上網(wǎng)電價(jià)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(jìn)行對(duì)比分析。
載流量采用2010年7月1日起實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn) GB 50545—2010《110 kV~750 kV架 空 輸 電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中提供的方法計(jì)算,其中橫向風(fēng)的速度0.5 m/s,日照強(qiáng)度1000 W/m2,相對(duì)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(duì)比見表3所列。
表3 三種絞線技術(shù)參數(shù)
通過表3對(duì)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(shì):
1)與鋁合金芯鋁絞線相比強(qiáng)度、重量相同,比鋼芯鋁絞線重量輕,拉重比相當(dāng),可廣泛應(yīng)用于各類電壓等級(jí)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。
交流輸電線路每千米線路損耗對(duì)比見表4所列。
表4 電能損耗對(duì)比表
通過表4對(duì)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。
根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2021年1月20日發(fā)布全國(guó)電力工業(yè)數(shù)據(jù)顯示,電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為305.5 g/kWh,工業(yè)鍋爐每燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤,就產(chǎn)生CO22620 kg,SO28.5 kg,NOx7.4 kg。以上網(wǎng)電價(jià)0.40元/kWh計(jì)算,對(duì)比分析三種絞線線路年損耗費(fèi)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(duì)比見表5所列。
表5 導(dǎo)線節(jié)能、減排效果對(duì)比
通過表5對(duì)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(shì):
1)每年線路損耗費(fèi)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(dāng)于減少煤耗7.62 t/km,減少CO219.96 t/km, SO20.05 t/km,NOx0.06 t/km。
2.4.1 投資分析
綜合考慮不同導(dǎo)線方案對(duì)地距離差異、弧垂特性差異的部分影響以及導(dǎo)線價(jià)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(duì)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(fèi)用分析
根據(jù)最小年費(fèi)用法[1]對(duì)所選導(dǎo)線進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較,選取年損耗小時(shí)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(jià)為0.4元/kWh條件進(jìn)行比較。以鋼芯鋁絞線JL/G1A-630/45年費(fèi)用作為基準(zhǔn),比較年費(fèi)用降低情況,結(jié)果如圖2所示。
圖2 交流特高壓最小年費(fèi)用對(duì)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(fèi)用,且隨著年損耗小時(shí)數(shù)的增加,其節(jié)能效果優(yōu)勢(shì)更大,相比鋼芯鋁絞線,年費(fèi)用降低值逐漸增大,具有更明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。
2.4.3 平衡點(diǎn)分析
針對(duì)年費(fèi)用分析得出在損耗小時(shí)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(jià)在0.4元/kWh電價(jià)下的導(dǎo)線單價(jià)平衡點(diǎn),結(jié)果如圖3所示。
圖3 交流特高壓平衡點(diǎn)導(dǎo)線單價(jià)對(duì)比
由圖3可知,隨著損耗小時(shí)數(shù)不斷增加,高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線在導(dǎo)線價(jià)格上優(yōu)勢(shì)越來越大。
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(jìn)一步提升,符合國(guó)家雙碳經(jīng)濟(jì)的需要,可適用于各個(gè)電壓等級(jí)的架空輸電線路;
2)通過最小年費(fèi)用法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(fèi)用,經(jīng)濟(jì)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(biāo)準(zhǔn),通過國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心型式試驗(yàn)檢測(cè)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。國(guó)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。