高性能铝合金芯高导电率铝绞线的研制关键与特点

2021-06-15 05:38张志力田崇军徐静杨阳
河南科技 2021年5期

张志力?田崇军?徐静?杨阳

摘 要:铝合金以其优异的性能,已经在架空输电领域得到了广泛应用,技术比较成熟。为进一步推动技术创新发展,提高架空输电线路经济效益,本文介绍了一种高性能铝合金芯高导电率铝绞线。

关键词:高性能铝合金;关键制造工艺;线路损耗

中图分类号:TM244.2文献标识码:A文章编号:1003-5168(2021)05-0057-03

Abstract: Aluminum alloy has been used widely in overhead transmission field due to its excellent performance, and the technology is quite mature. In order to promote the technological innovation and improve the economic benefit of overhead transmission lines, this paper introduced a high conductivity aluminum conductor high performance aluminum alloy reinforced.

Keywords: high performance aluminum alloy;key manufacturing process;line loss

1 研究背景

架空导线在我国电网建设中发挥了巨大的作用,但随着经济的持续发展,用电负荷急剧攀升,电网建设的规模持续扩大,无论是线路数量还是输送容量都在不断攀升,随之而来的则是线路损耗问题。输电线路损耗主要由电晕损耗和电阻损耗组成。在电晕损耗基本相同的情况下,输电损耗主要由导线的直流电阻所决定,另外还有少量的集肤效应和铁芯引起的损耗[1]。国家电网公司自2012年启动了输电线路铝合金节能导线的应用工作,用更低直流电阻值的节能导线替代常规钢芯铝绞线。线路长度大于20 km时,与普通钢芯铝绞线相比,采用节能导线电阻损耗可降低3~8 kW·h/km[2]。

目前,铝合金节能导线已经得到了广泛应用,其生产技术及产品稳定性能得到完全保障,但是行业内陆续研制了一些更高水平的铝合金导线产品。铝合金线的导电率每提升1%IACS(International Annealed Copper Standard,国际退火铜标准),绞合导线即可减少线路损耗3%以上。本文从研制关键技术与性能特点角度介绍了一种高性能铝合金芯高导电率铝绞线。

2 关键工艺

高性能铝合金芯铝绞线的制造工艺包括连铸连轧、拉丝、时效和绞合工艺,其中对本产品的实现较为关键的是连铸连轧和时效工艺。

2.1 连铸连轧工艺

连铸连轧以效率高、低成本的优势成为电工铝及铝合金主要生产工艺,成分配比则从根本上决定产品性能的上限。目前,国家标准中规定的架空输电常用铝合金线最低抗拉强度为315 MPa(Φ>3.50 mm)和325 MPa(Φ≤3.50 mm),20 ℃时导电率为52.5%IACS[3]。高性能铝合金强化机制为固溶+析出Mg2Si第二相,若进一步提高强度,需增加Mg和Si的添加量,为此,将这两种元素含量均加大到质量分数的0.7%左右,同时添加Y作为稀土元素,可有效优化成分。

2.2 时效工艺

时效是将固溶在基体中的强化相均匀弥散析出的过程。由于高性能铝合金的元素添加量超过常规铝合金,因此,溶质原子固溶量与轧制缺陷数量会升高,拉制时极易断丝,由此,可延长铝合金杆的停放时间,使部分溶质原子填补空位缺陷、降低轧制应力,以便于拉制及强化相在人工时效充分析出。拉制完成后在接近160 ℃下进行7~8 h的人工时效处理,获得综合性能最佳的铝合金线。

3 性能特点

3.1 铝合金性能

上述工艺的铝合金线性能与国标产品技术参数对比如表1所示。抗拉强度提高4%~8%,导电率提高1.5%IACS,该产品在架空输电领域具有极大的应用价值。

3.2 导线基本参数

按照等截面、等外径的原则,选取钢芯铝绞线JL/G1A-630/45和本文所述的高性能铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA54-465/210,通过比较说明本文所述的高性能铝合金芯高导电率铝绞线的性能特点,如表2所示。

3.3 电能损耗

以交流500 kV电压,输送功率2 000 MW,四分裂导线,功率因数cos[α]=0.95,年最大负荷利用小时数5 500 h为例,计算线路的电能损耗。摩根算法考虑了多种敏感因素,有较为完备的理论和实验基础,因此在导线选型对比中可推荐使用[4]。

3.4 弧垂特性

对于导线选型,除载流量和交流电阻等电气性能外,还需要考虑导线的机械性能,特别是弧垂性能。本文计算出两种导线在30 ℃下的架线弧垂,对基础弧垂性能进行分析比较,结果如表4所示。

从表4可知,高性能铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA54-465/210的弧垂更小,在其他条件不变时,可适当降低铁塔高度,安全性也更好。

3.5 耐腐蚀性

导线的腐蚀可归纳为化学腐蚀、电化学腐蚀和缝隙腐蚀。在大多数情况下,这三种腐蚀会同时存在[5]。其中最主要的是发生在单一材料表面的化学腐蚀和发生在不同电极电位导体间的电化学腐蚀。

钢芯铝绞线JL/G1A-630/45由于存在镀锌钢芯与铝导体,几种腐蚀都存在。高性能铝合金芯高导电率铝绞线JL3/LHA54-465/210无易腐蚀的镀锌钢芯,并且其加强芯高性能铝合金与外层高导电率铝导体属于同质材料,避免了电化学腐蚀。

4 总结及展望

本文介绍了一种高性能铝合金芯高导电率铝绞线的研制关键点及其性能特点,基于上述分析,笔者得出以下结论。

①该新型导线每年每千米的线路损耗较传统钢芯铝绞线可降低5.0%以上,将具有显著的经济和社会效益。

②该导线的弧垂性能和耐腐蚀性均较传统钢芯铝绞线有所提高,在降低铁塔高度、提高线路运行安全性方面也有积极意义。

参考文献:

[1]黄彭,莫娟,万建成,赵新宇.架空输电线路节能导线应用技术经济分析[J].中国电力,201(7):153-157.

[2]丁广鑫,孙竹森,张强,等.节能导线在输电线路中的应用分析[J].电网技术,2012(8):24-30.

[3]全国电线电缆标准化技术委员会.架空绞线用铝-镁-硅系合金圆线:GB/T 23308-2009 [S].北京:中国标准出版社,2009.

[4]张瑞永,赵新宇,陶礼学.架空导线的交流电阻计算方法对比[J].电线电缆,2014(4):1-3.

[5]黄豪士,江建华,陆国钦,等.超耐腐蝕型导线及其在平潭岛输电线路上的应用[J].电线电缆,2012(2):1-5.