高导电率铝合金节能导线研制及应用探讨

单小龙，林继亮，冯祝华，薛春林，陆 伟，尤伟任，温作铭，徐一峰

(1.上海中天铝线有限公司，上海 200001；2. 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063；3.江苏中天科技股份有限公司，江苏 南通 226400；4.上海高性能架空导线输电材料与应用工程技术研究中心，上海 200001)

0 引言

目前，国家电网在各类电压等级输电线路上广泛使用节能导线，在特高压交流工程中规模化采用铝合金芯铝绞线，超高压线路工程中规模化采用钢芯高导电率铝绞线，在降低输电线路损耗、减少二氧化碳排放方面，取得了显著的社会效益和经济效益[1]。

国内架空导线制造厂家基于现有铝合金芯铝绞线的基础上进行技术升级，从铝合金材料研究上进行突破，研发高导电率铝合金材料，制备高导电率铝合金芯铝绞线，相比铝合金芯铝绞线电阻更小，线路损耗更低，节能效果更优，经济性更好，有助于电力系统碳减排，服务我国“碳中和、碳达峰”建设。

本文阐述了高导电率铝合金材料制备的关键工艺技术，并以拟建华中环网1000 kV交流特高压工程为例，围绕电气性能、机械性能和经济性进行对比分析。

1 高导电率铝合金芯铝绞线

高强度铝镁硅合金作为输电导线材料，已经有几十年的应用史，国内外也已形成相应的标准体系，国标GB/T 23308—2009《架空绞线用铝-镁-硅系合金圆线》[2]包含了两种高强度铝镁硅合金LHA1、LHA2，欧标BS EN 50183—2000《架空导线铝镁硅合金线》中包含7种铝镁硅合金材料AL2～AL8。

1.1 LHA55.25高导电率铝合金材料研制

铝镁硅合金材料的导电率与强度互为矛盾，一般铝合金强度的提高会导致铝合金导电率降低。从铝合金成分、熔体质量以及微观强化相三方面进行调控，获得具有高强度、高导电率综合性能的铝合金材料。

1)配方优化。铝镁硅合金中Mg、Si元素的含量和 Mg/Si质量百分数比对合金强度和导电率都会产生影响，Mg/Si质量百分数在0.88～1.0时合金综合性能最好。在生产铝合金时，充分保证Mg和Si的固溶，减少游离态的Mg或Si，从而提高合金的性能。

2)除杂工艺。采用特殊除杂工艺方法，可有效去除铝合金熔体中的超细夹杂物。相比常规陶瓷过滤，大于15 μm的颗粒过滤效率由66%提高至95%；对于5～15 μm 的夹杂去除效果由46%提高至85%，如图1所示。

图1 不同除杂工艺除杂效果对比

3)热处理工艺：铝镁硅合金在时效过程中析出行为：过饱和固溶体→G.P.区→β″→β′→β的相变过程[3]，有关研究表明[4]： 时效过程中析出球形的亚稳相β″具有最佳的强化效应，同时对铝镁硅合金的导电率没有明显影响。在铝合金后续时效过程中，严格控制时效温度、时间，精确调控细小的亚稳相β″ ( Mg5Si6)充分、均匀析出，协调解决导电率与强度之间的矛盾。

通过上述工艺实现铝合金线高强高导特性，研发LHA55.25高导铝合金，抗拉强度达 到305～315 MPa，导 电 率 达 到55.25% IACS(International Annealed Copper Standard，国际退火铜标准值)。

1.2 LHA55.25高导电率铝合金材料性能指标对比

LHA55.25高导电率铝合金材料与国标GB/T 23308—2009中LHA1、LHA2；欧 标BS EN 50183—2000中AL5、AL6以及国网企标Q/GDW 10815-2017[5]中的LHA5性能对比，见表1所列。

表1 LHA55.25单线性能对比表

从表1可以看出：

1) LHA55.25与LHA1、LHA2同属于高强度铝合金，进一步提升了导电率；

2) LHA55.25相比LHA5具有更优的性能，抗拉强度提升了3.3%，导电率提升了0.45%；

3) LHA55.25性 能 介 于AL5、AL6之 间，导电率达到AL5水平，抗拉强度达到AL6水平，相比AL5提升3.4%～6.7%。

采用LHA55.25高导电率铝合金材料制备的高导电率铝合金芯铝绞线JL3/LHA55.25-800/550-54/37通过国家电线电缆质量监督检测中心型式试验(报告编号：CT18—02042)，各 项 性 能 符 合Q/GDW 1815—2017、Q31/0112000213C014—2108标准要求，检测结果见表2所列。该产品2018年通过中国电力企业联合会组织技术鉴定(中电联鉴字[2018]第181号)，2019年入选国家电网新技术、新产品推广目录。

表2 JL3/LHA55.25-800/550-54/37铝合金芯高导电率铝绞线主要指标测试数据

2 交流特高压应用分析

以拟建华中环网1000 kV交流特高压工程为例，双回八分裂，输送容量为10000 MW、电压1000 kV、单根导线输送电流380 A，设计覆冰厚度为10 mm，年损耗小时3000 h，回收率8%，上网电价0.40元/kWh。选取钢芯铝绞线8×JL/G1A-630/45、铝合金芯铝绞线8×JL1/LHA1-465/210、高导电率铝合金芯铝绞线8×JL3/LHA55.25-465/210三种绞线进行对比分析。

2.1 绞线参数对比

载流量采用2010年7月1日起实施的标准 GB 50545—2010《110 kV～750 kV架 空 输 电线路设计规范》中提供的方法计算，其中横向风的速度0.5 m/s，日照强度1000 W/m2，相对黑体的发射系数、吸热系数均取0.9，环境温度40 ℃，频率50 Hz。三种绞线的参数对比见表3所列。

表3 三种绞线技术参数

通过表3对比得出，高导电率铝合金芯铝绞线JL3/LHA55.25-465/210具有以下优势：

1)与铝合金芯铝绞线相比强度、重量相同，比钢芯铝绞线重量轻，拉重比相当，可广泛应用于各类电压等级输电线路；

2) 20℃直流电阻与钢芯铝绞线相比下降5.3%，与铝合金芯铝绞线相比下降1.94%；

3)同等条件下载流能力高于铝合金芯铝绞线、钢芯铝绞线。

2.2 线路损耗对比

交流输电线路每千米线路损耗对比见表4所列。

表4 电能损耗对比表

通过表4对比，高导电率铝合金芯铝绞线降耗效果如下：

1)每千米线路电阻损耗比传统钢芯铝绞线降低5.9%，比铝合金芯铝绞线降低2.4%；

2)年线路损耗电能相比传统钢芯铝绞线节约62331 kWh/km，相比铝合金芯铝绞线节约24932 kWh/km。

2.3 节能减排效果对比

根据国家统计局2021年1月20日发布全国电力工业数据显示，电厂供电标准煤耗为305.5 g/kWh，工业锅炉每燃烧1 t标准煤，就产生CO22620 kg，SO28.5 kg，NOx7.4 kg。以上网电价0.40元/kWh计算，对比分析三种绞线线路年损耗费用以及由于损耗产生的CO2、SO2、NOx排放情况。导线节能效果对比见表5所列。

表5 导线节能、减排效果对比

通过表5对比，高导电率铝合金芯铝绞线在节能方面具有如下优势：

1)每年线路损耗费用相比钢芯铝绞线节省2.49万元/km，相比铝合金芯铝绞线节省约 1万元/km。

2)相比铝合金芯铝绞线，每年线路损耗降低相当于减少煤耗7.62 t/km，减少CO219.96 t/km， SO20.05 t/km，NOx0.06 t/km。

2.4 经济分析

2.4.1 投资分析

综合考虑不同导线方案对地距离差异、弧垂特性差异的部分影响以及导线价格、塔重、基础等因素，得到不同导线的工程静态投资[1]，见表6所列。

表6 导线方案的投资对比

由于8*JL1/LHA1-465/210导线张力比8*JL3/LHA55.25-465/210大，导致其耐张塔杆塔工程量有所增加。

2.4.2 年费用分析

根据最小年费用法[1]对所选导线进行经济性比较，选取年损耗小时数分别为2700 h、3000 h、3200 h，资本金内部收益率分别为8%、10%，上网电价为0.4元/kWh条件进行比较。以钢芯铝绞线JL/G1A-630/45年费用作为基准，比较年费用降低情况，结果如图2所示。

图2 交流特高压最小年费用对比

从图2可以看出，高导电率铝合金芯铝绞线相比铝合金芯铝绞线、钢芯铝绞线具有更低年费用，且随着年损耗小时数的增加，其节能效果优势更大，相比钢芯铝绞线，年费用降低值逐渐增大，具有更明显的经济性优势。

2.4.3 平衡点分析

针对年费用分析得出在损耗小时数分别在2700 h、3000 h、3200 h，资本金内部收益率分别为8%、10%，上网电价在0.4元/kWh电价下的导线单价平衡点，结果如图3所示。

图3 交流特高压平衡点导线单价对比

由图3可知，随着损耗小时数不断增加，高导电率铝合金芯铝绞线在导线价格上优势越来越大。

3 结论

1) JL3/LHA55.25高导电率铝合金芯铝绞线相比现有JL1/LHA1-465/210铝合金芯铝绞线，20℃直流电阻下降1.94%，节能效果进一步提升，符合国家双碳经济的需要，可适用于各个电压等级的架空输电线路；

2)通过最小年费用法进行经济性比较，由于高导电率铝合金芯铝绞线具有更低的电阻，可显著降低线路电能损耗，具有更低年费用，经济性更优；

3) JL3/LHA55.25高导电率铝合金芯铝绞线已形成企业标准，通过国家电线电缆质量监督检测中心型式试验检测符合相关标准要求。国内主流导线设备制造企业通过现有技术、工艺的优化能够具备制造能力。