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开发新型架空铝电线 降低电网损耗
发布人:造价无忧 时间:2016-02-19 字体大小:

 

 铝有良好的导电性能与低的密度,因此广泛用作导电体,主要以线材、管材、汇流排条、箔材形式应用于电力、电讯部门。铝用作导体始于1896年,那年英国人柯利(W.L.E.Curley)在博尔顿架设了世界上第一条架空铝导线,距原铝的工业化提取仅8年,至今已约120年。

  导电线的发展可分为五个阶段(里程碑):1882年德国架设了一条60km长、功率2kW的输电线路,是用铜与铜合金制造的,开架空输电线路的先河,可将此举认为是架空线路史上第一块里程碑;第二块里程碑是1898年美国工程师用全铝线(AAC,all-aluminum conductor)取代铜线架设加利福尼亚州蓝湖-斯托克顿之间的输电线;1909年用钢芯铝绞线(ACSR)架设33kV的高压线路可认为是第三块里程碑,4年之后用钢芯铝绞线成功地建造了一条150kV的输电线路,钢芯铝绞线是美国铝业公司(Alcoa)技师胡普斯发明的;第四块里程碑是1930年问世的全铝合金导电体(AAAC,all-aluminum alloy conductors),这种电工铝合金的商品名称为Aldrey或Almelec;上世纪60年代从日本开始的高温低挠度电工铝合金研究,与常规输配电铝合金相比,HTLS合金线路可显著提高输电容量,这次研究可认为是输配电铝线发展路线图上的第五块里程碑,现在已在高压输配电电路中获得应用的高温铝合金电线的商品名称有:ACSS、ACCR、ACCC、TACSR、GZTACSR与ZTACSR等,它们是不同公司的产品,各有其特点,或在结构方面有不同之处,或在钢芯线或铝线型式方面有特异之处。

  电力铝合金

  在电力线中以铝代铜有如下优点:质量轻、电导率高,单位质量铝的电导率是铜的208%,当电导率相等时,铝导体的质量只有铜的50%,即便于架设,又有利于搬运,可显著加宽架线间距;导热性好、蓄热少,流过相同电流时,铝线的截面积比铜线的大60%,所以散发电流热的能力比铜的好得多;铝在大气中有很强的抗蚀性,对硫化物的抗蚀性比铜强得多;加工成形性好,资源丰富,供应稳定等。另外,钢芯铝绞线的强度大,表面电位梯度小、电晕特性好也是铝的优点。废铝导体的可回收性比铜的好得多,其回收再生能耗仅相当于原铝提取的5%,而废铜导体的回收再生能耗几乎与原生铜的相等。

  当然与铜相比,铝也有一些不足之处,如铝的力学性能比铜低,铝的切口敏感性比铜大,因此在安装铝线时应格外小心,另外,铝的线膨胀系数比铜大35%,也是其缺点。

  常规电力线铝合金

  经过一百余年的发展,电力线铝合金已形成3组,它们有着不同的用途:

  工业纯铝

  在电线电缆制造中用得最多的工业纯铝是1350与1370,过去往往将1350称为电工纯铝(EC)。1350合金是一个美国合金,1975年在美国铝业协会注册,它的成分(质量%):Si0.10、Fe0.40、Cu0.05、Mn0.01、Cr0.01、Zn0.05、B0.05、Ga0.03、(V+Ti)0.02,其他杂质单个0.03、总计0.10,Al99.50;1370合金是一个法国合金,1976年在美国铝业协会注册,它的成分(质量%);Si0.10、Fe0.25、Cu0.02、Mn0.01、Mg0.02、Cr0.01、Zn0.04、B0.02、Ga0.03、(V+Ti)0.02。其他杂质单个0.02、总计0.10,Al99.50。1370合金的纯度比1350合金的更大一些,因此它的电导率也大一些,不过其价格也略高一点点。欧洲倾向于使用1370合金,而此美洲则多使用1350合金。

  1350及1370合金的导电率:H19线材的34.4MS/m,O线材的35.4MS/m。H19线材的抗拉强度约180N/mm2,最高使用温度80℃,而工作温度高的HTLS线材则在O状态下应用,不过它们的抗拉强度则下降到60N/mm2~90N/mm2,电导率上升到35.9MS/m,工作温度可达230℃。

  6xxx系合金

  上世纪30年代由于电力的高速发展出现了6xxx系的电工合金,典型合金为6101、6063及6061合金,其商品名称为AL2、AL3、AL4、AL5等,都含有一定量的Mg及Si,电导率32.7MS/m~30.0MS/m,抗拉强度280N/mm2~320N/mm2,在人工时效T6状态下应用,工作温度不得超过80℃。它们的化学成分(质量%)。

  耐热铝合金

  耐热电工铝合金是用于制造可在>80℃下长期工作的电导体,用作架空线时具有低的挠度,即HTLS架空线。这些合金的抗拉强度为170N/mm2~240N/mm2,比退火的HTLS-ACSS合金、HTLS合金的高,而比AT1~AT4耐热合金的低;另一个特点是,这类耐热铝合金的是其电导率比退火线的低3%~11%。

  AL59合金

  此类合金线材的抗拉强度比1xxx系合金的高,而电导率又比6xxx系的好,因而是制造兼有这两类合金优点导线的铝合金。

  由以上分析可知,研发新的电力线铝合金可从以下几方面着手工作:第一,开发6xxx系合金,制造均一的高架线,虽有高的强度,但电导率较低,同时还必须研究AL59与AT2合金;第二个研究领域是开发高温铝合金,它的力学性能与6xxx系合金的相当,但是工作温度可高1~2倍;第三个领域,是开发退火线有高电导率的新合金,尽管它的抗拉强度有所下降。由此可见,研发目标非常明确,就是研发一类电导率可与1370合金媲美或更高的导线合金,而其强度又与其相当。

  波兰导线铝合金的发展

  波兰斯卡维纳市波里济现代铝产品公司自1954年电解铝系列投产至今已逾60年,用普罗帕齐(Properzi)连铸机连续铸造线杆,由于经济与环保方面原因,电解铝厂关闭,2条线杆连铸线仍在生产,但用外购的重熔用锭,公司名称已改为NPA。在这种形势下,公司被迫研发新的电工铝合金与生产电线的新工艺。

  从1990年起,公司对现有的线杆连铸机进行了现代化技术改造,可以铸造6xxx系合金线杆,2013年公司成功地铸出了AT1及AT3耐热合金线杆,6xxx系合金AL2及AL7线杆,还生产了汽车工业用的8xxx系合金线材。由于生产发展和不断地推出新产品,公司得到扩大,以汽车电缆为基础成立了现代线缆部。为了进一步扩大与不断地创新,NPA公司与波兰克拉科夫AGH科技大学有色金属系列进行了紧密的合作,研发新产品,同时将生产方向集中于两类产品:大量生产1xxx系合金线杆与先进铝合金线杆,后者用于拉制室内(in-house)线路用的线材。

  当前,NPA公司的研发集中于:拉制AT2及AT4合金线的耐热铝合金线杆,改进铝合金线杆和AL59合金线材的生产工艺。确定生产优质性能导线的工艺路线与工艺参数,以及性能指标。AT2耐热合金的工作温度为150℃,而AT4合金的应达到230℃,它们的力学性能及其他性能见欧洲标准。耐热线缆铝合金都含有一定量的锆与稀土元素。

  AL59也是一种重要的电力线合金,瑞典标准SS4240813对其性能有详细规定,其均一线材的性能见。

  NPA公司在AL1合金基础上研制出电导率最大化的而力学性能又与其相当的AL1-HC合金线材,AL1是一种1xxx系合金,HC是高电导率(high conductivity)的缩写。

  新铝合金导线

  以实际应用为例对新研制的铝合金导线的性能作研究,导线直径为3.51mm,导体结构为钢芯铝绞线与全铝合金导体(线),即AAAC,它实际上是一种裸铝合金线。这些输电线在波兰与欧洲220kV与400kV输电网中获得广泛应用。为了比较,钢芯铝绞线芯线采用标准的ST6A钢丝,而铝线用的是AL1、AL1-HC工业纯铝线编织带与耐热铝合金AT4线编织带;为了比较AAAC输电线的性能,采用高力学性能的AL7、AL59铝合金线与AT2耐热铝合金线。有关计算用的参数都引自欧洲标准EN 50182与国际电工标准 IEC 61597。

  对比研究显示,绞线中采用强度更高一些钢丝可使钢芯铝绞线的屈服强度上升约8%,绞线中的标准铝线以AL1-HC合金取代可使电阻下降1.6%。从长远来看,采用典型相导线,在电力系统中可节约大量的电。如使用AT4铝合金线,电阻可增加约5%,但优点是,工作温度可提高到230℃,AT4合金线输送的电流可比AL-1纯铝线的大50%,大大提高了电钢安全运行能力。

  分析用的AAAC导线的断裂强度低一些,最大下降11%,不过当质量小的导线比较时,不会对线路设计有大的影响,对全铝导线来说,最有意义的参数是其电阻,在所研究的事例中约下降10%。采用AT2合金线,可提高相线负载约25%,不过此时线路的工作温度可上升到150℃。

  值得指出的是,ACSR与AAAC导线的主要区别是弹性模量与热膨胀系灵敏,它们决定高压输电线架设的高度,ACSR线的这两个参数值为67.1GN/mm2与19.5×10-6/℃,AAAC线的分别为58.3GN/mm2与23×10-6/℃

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