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)

0 引言

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。

1 高導(dǎo)電率鋁合金芯鋁絞線

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。

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(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)。

1.2 LHA55.25高導(dǎo)電率鋁合金材料性能指標(biāo)對(duì)比

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)

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(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。

2.1 絞線參數(shù)對(duì)比

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。

2.2 線路損耗對(duì)比

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。

2.3 節(jié)能減排效果對(duì)比

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 經(jīng)濟(jì)分析

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。

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(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。