超高壓輸電工程用鋁合金材料的現(xiàn)狀與發(fā)展
2001年11月12日 10:11:00 來(lái)源：中國(guó)電線電纜網(wǎng)
黃豪士 上海電纜研究所
一、 概述
鋁合金，作為二十世紀(jì)出現(xiàn)的新型導(dǎo)電材料，由于它具有優(yōu)良的特性，一經(jīng)問(wèn)世，便受到人們的青睞，并在隨后的數(shù)十年中經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)、發(fā)展，并在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，豐富其內(nèi)容，按照其不同的應(yīng)用場(chǎng)合，逐步形成若干個(gè)系列，特別是在輸電工程中，更是發(fā)揮了獨(dú)特的作用。二十一世紀(jì)的到來(lái)，給輸電工程的發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)、新的機(jī)遇。截至2000年底，我國(guó)電力總裝機(jī)容量已達(dá)3.1億千瓦，裝機(jī)容量和發(fā)電量?jī)H次于美國(guó)而穩(wěn)居第二位。與之相應(yīng)的電網(wǎng)發(fā)展也很快，1999年底，我國(guó)已建成35kV及以上線路約70余萬(wàn)公里，其中500kV線路2.17萬(wàn)公里，330kV近0.8萬(wàn)公里，220kV 12余萬(wàn)公里，其線路總長(zhǎng)度僅次于美國(guó)和俄羅斯而居世界第三。十五”期間，已確定在西部地區(qū)大力建設(shè)新的電站，采用遠(yuǎn)距離、大容量送電，把強(qiáng)大的電能送至東部及沿海工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，這就是我國(guó)西電東送的大戰(zhàn)略，給輸電工程發(fā)展提供大機(jī)遇。“十五”期間，將在西部建設(shè)一系列新的電站，例如：在廣西紅水河的龍灘電站，裝機(jī)420萬(wàn)千瓦，成為三峽電站之后的又一大電站；在云南瀾滄江的小灣電站，裝機(jī)420萬(wàn)千瓦；四川大渡河的瀑布溝電站，裝機(jī)330萬(wàn)千瓦等等。“十一五”期間，還將在四川金沙江下游的溪洛渡建電站，裝機(jī)1200萬(wàn)千瓦，這是僅次于三峽電站的最大電站；四川雅龔江的錦屏電站，裝機(jī)680萬(wàn)千瓦；四川金沙江下游的向家壩電站，裝機(jī)600萬(wàn)千瓦；云南瀾滄江的糯扎渡電站，裝機(jī)500萬(wàn)千瓦；青海黃河上游的拉西瓦電站，裝機(jī)420萬(wàn)千瓦等等。此外，西北地區(qū)在黃河中游，將建設(shè)一批梯級(jí)水電站。在陜西、山西、蒙西還將建設(shè)一批大型的坑口電站。不管是水電站或火電站，當(dāng)這批大電站建成后，將需要把強(qiáng)大的電力向東部和沿海等用電負(fù)荷中心送電，特別是上海、京津、廣東地區(qū)。就以廣東為例，它是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源短缺的省份，80％的一次性能源需由外省輸入，主要是由廣西、貴州、云南向廣東送電，預(yù)計(jì)在“十五”期間，將要完成送往廣東1000萬(wàn)千瓦的計(jì)劃，因此將要建成批輸電線路，包括：天生橋至廣東第三回交流500kV，線路800km；天生橋至廣東直流雙回±500kV，1000km；貴州至廣東交流500kV，1700km；貴州至廣東直流±500kV，1000km；三峽至廣東輸電500kV，540km；三峽至廣東直流輸電±500kV，1000km等等。從西南各省和三峽向廣東送電的線路，都需要經(jīng)過(guò)像貴州、湖南、云南等省的高山峽谷及重冰區(qū)地帶，在這些地帶要建設(shè)性能優(yōu)良的輸電線路，導(dǎo)線僅僅采用鋼芯鋁絞線顯然是不夠的，也是不合理的。經(jīng)專家反復(fù)論證，鋼芯鋁合金絞線將是最重要的一種新型線種，將在這些工程中采用。如此眾多的長(zhǎng)距離、超高壓輸電線路需要在較短的時(shí)期內(nèi)建成，這就為我國(guó)鋁合金導(dǎo)線的制造廠提供一個(gè)新的、最重要的發(fā)展機(jī)遇。2001年5月底在上海召開的“三峽至廣東±500kV直流輸電線路工程初步設(shè)計(jì)會(huì)”上，經(jīng)專家討論決定：當(dāng)線路通過(guò)20cm復(fù)冰的地區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)向30cm復(fù)冰的地區(qū)條件靠攏，全部采用JLHA1／G2A－720／50（即AACSR－720／50）型鋼芯鋁合金絞線。同樣，在今后相同條件的線路設(shè)計(jì)中，將采用上述相同原則。在積累鋁合金導(dǎo)線的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后，鋁合金和鋼芯鋁合金導(dǎo)線的應(yīng)用還將拓展至線路復(fù)冰厚度小于20cm的地區(qū)。這樣的氣象條件，在南方有很大一片地區(qū)。那么，究竟每年需要多少數(shù)量的鋁合金導(dǎo)線呢？2000年我國(guó)架空輸電線的用量約60萬(wàn)噸，其中只有數(shù)千噸鋁合金導(dǎo)線，約占總需求量的1％，這是一個(gè)很小的數(shù)字。“十五”期間，預(yù)計(jì)輸電線路以10％的速度增長(zhǎng)，2005年架空輸電線的年用量將約90～100噸，如果我們把架空輸電線中5％的量作為鋁合金導(dǎo)線的用量計(jì)算的話，也就是至2005年后，我國(guó)每年需用鋁合金導(dǎo)線的量將為4～5萬(wàn)噸，然而目前我國(guó)生產(chǎn)高強(qiáng)度鋁合金的工廠只擁有年產(chǎn)2萬(wàn)噸的生產(chǎn)能力，因此缺口約2～3萬(wàn)噸。為什么在進(jìn)入二十一世紀(jì)以后鋁合金的用量會(huì)有明顯增加，而且按照預(yù)測(cè)增長(zhǎng)的速度會(huì)明顯加快呢？其最主要的原因有二，首先，我國(guó)生產(chǎn)高強(qiáng)度鋁合金是在二十世紀(jì)六十年代后期，迄今已有30余年歷史，但早期工藝未成熟，兼之設(shè)備較簡(jiǎn)陋，使鋁合金性能不夠穩(wěn)定。以后從合金配方、生產(chǎn)工藝和設(shè)備上經(jīng)多次的改進(jìn)提高，現(xiàn)在產(chǎn)品的性能指標(biāo)已全面達(dá)到IEC和ASTM等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)水平，主要的工藝裝備都是由從國(guó)外購(gòu)進(jìn)的最先進(jìn)機(jī)組所組成，整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程合理流暢，工廠廠房美觀，規(guī)模合適，已形成像武漢電纜廠、杭州電纜廠和上海鋁線廠三個(gè)專業(yè)生產(chǎn)廠以及山東魯能泰山電纜公司的專業(yè)生產(chǎn)車間。而今年剛建成的上海鋁線廠莘莊工廠完全可以和國(guó)外同類工廠相媲美。我國(guó)生產(chǎn)的鋁合金產(chǎn)品，除國(guó)內(nèi)使用一部分外，還大量出口國(guó)外，在東南亞等地有相當(dāng)知名度。有先進(jìn)工藝和裝備，有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，因此能為電力行業(yè)在輸電線路中采用鋁合金導(dǎo)線奠定了基礎(chǔ)，這是物質(zhì)上的保證。其次是市場(chǎng)的需要，全國(guó)電網(wǎng)將全部聯(lián)網(wǎng)，電力部門政策是推行西電東送，規(guī)模宏大，速度快，在叢山峻嶺，在復(fù)冰地帶，在大跨越地段，全鋁合金絞線、鋼芯鋁合金絞線、特高強(qiáng)度鋁合金絞線將是首選的線種，鋁合金將起著不可估量的作用。技術(shù)物質(zhì)上的可能和市場(chǎng)發(fā)展的需要，這就是鋁合金導(dǎo)線生產(chǎn)的現(xiàn)狀。
二、 導(dǎo)電用鋁合金的發(fā)展概況
在本世紀(jì)三十年代，人們?cè)阡X中加入少量的元素，使鋁的強(qiáng)度約提高1倍，而導(dǎo)電性能只稍微差些，比重仍與鋁一致。由于鋁合金的強(qiáng)度高，而重量又輕，制成絞線時(shí)則有更多的優(yōu)點(diǎn)，與相同性能的鋼芯鋁絞線比較，它直徑可小些，與鋁絞線比較，輸電線路的檔距可以增大。由于它有諸多優(yōu)點(diǎn)，故受到各國(guó)電力系統(tǒng)人們的重視。
1. 世界各國(guó)高強(qiáng)度鋁合金的牌號(hào)與性能
法國(guó)自從在輸電線路中采用鋁合金以來(lái)，50年間已用了40余萬(wàn)噸，瑞士、美國(guó)、日本用得特別多，尤其日本。各國(guó)都已有自己牌號(hào)的鋁合金，例如： IEC： A2、A3 美國(guó)、加拿大：6201，HS 德國(guó)、瑞士： Aldrey 俄羅斯： AЖ 日本： 亻，Si-33，Si-26 法國(guó)： Alnelec 英國(guó)： Scherdoc 瑞典： Ductalec 歐洲： 5005 中國(guó)： LHA1，LHA2 上述各國(guó)鋁合金牌號(hào)的性能都較接近，例如： ⑴ 美國(guó)、加拿大的6201，其性能為：抗拉強(qiáng)度：σb=30kgf/mm2=294N/mm2 電阻率： ρ20＝0.0328Ω·mm2/m=52.5％ IACS 延伸率： δ=3.5％ ⑵ 瑞典的Ductalec，其性能為：抗拉強(qiáng)度：σb=25～28kgf/mm2=245～274N/mm2 電阻率： ρ20＝0.02973Ω·mm2/m=58％ IACS 延伸率： δ=3％ ⑶ 日本亻號(hào)，其性能為：抗拉強(qiáng)度：σb=294kgf/mm2=30kgf/mm2 電阻率： ρ20＝0.0328Ω·mm/m=52.5％ IACS 延伸率： δ=4％ ⑷ IEC 104-1987，其性能見表1。 IEC 104-1987規(guī)定的性能指標(biāo)中國(guó)生產(chǎn)的鋁合金，其性能與IEC規(guī)定的性能相同，也與世界各國(guó)生產(chǎn)的鋁合金全性能相一致。
2. 鋁合金的發(fā)展方向
工用鋁合金主要用于架空輸電線和電纜線芯兩大類。 ⑴ 架空線用鋁合金發(fā)展方向，見圖1。作為架空線用鋁合金，首先是提高強(qiáng)度，即現(xiàn)在常用的牌號(hào)有Aldrey、6201、亻、LHA1等，以后又提出要提高耐熱性能，因此開發(fā)了耐熱鋁合金、超耐熱鋁合金、特高耐熱鋁合金；又為了獲得耐熱高強(qiáng)和耐熱高導(dǎo)電性良好的合金，開發(fā)出高強(qiáng)度耐熱鋁合金、高導(dǎo)電耐熱鋁合金；為了降低成本又將熱處理型加工方法變成非熱處理型加工方法等。 ⑶ 幾種典型牌號(hào)及其性能圖，見圖3。
3. 在超高壓輸電線路上采用高強(qiáng)度鋁合金的意義在超高壓輸電線路上所使用的輸電線，必須具有良好的導(dǎo)電性能，同時(shí)還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，其次彈性模數(shù)、熱膨脹系數(shù)、蠕變和耐腐蝕性也十分重要。鋁是輸電線中最常用的材料，但因其強(qiáng)度較低，所以在其中加入鋼線作為加強(qiáng)芯制成鋼芯鋁絞線（ACSR）。由于高強(qiáng)度鋁合金線（AAAC）的出現(xiàn)，在某些范圍已有取代ACSR的趨勢(shì)。 AAAC與ACSR相比，導(dǎo)線在相同的重量下，AAAC有更大的鋁截面，電性能更優(yōu)，強(qiáng)度大，電阻小，因此載流量更大，而且單一的材料不可能出現(xiàn)電化腐蝕，壽命更長(zhǎng)。 AAAC與ACSR相比，導(dǎo)線具有相同的載流量，例如：AAAC-400（37／4.00）與ACSR-400/50（54／3.07+7／3.07）相比，AAAC重量輕15.22％，而拉斷力提高約19％左右，拉力單重比增加40.34％。因此在不改變對(duì)地距離的情況下，可以加大檔距，減少鐵塔數(shù)量，降低線路工程的綜合造價(jià)。若在相同規(guī)格、不同類型導(dǎo)線進(jìn)行比較的話，AAAC-400（37／4.00）與AS-400（37／4.00）相比，AAAC輕得多，只有后者重量的40.1％，載流量卻是它的1.6倍（即高出60.75％）。若在鋁合金線中絞入鋼線，則把鋼芯鋁合金絞線用作大跨越導(dǎo)線將更為合適。正因?yàn)殇X合金材料有如此多的優(yōu)點(diǎn)，因此正在各電壓等級(jí)的輸電線路中被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
4. 中國(guó)鋁合金生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)績(jī) ⑴ 1958年于哈爾濱開始開發(fā)鋁合金； ⑵ 1963年于北京、上海、天津研究開發(fā)Al-Mg-Si高強(qiáng)度鋁合LHA型； ⑶ 1965年于上海奉賢海邊架設(shè)運(yùn)行線路，增加檔距由90m提高至170m； ⑷ 1970年于上海、杭州開發(fā)Al-Mg線芯用鋁合金，并廣泛用于浙江省的電犁電纜； ⑸ 1974年于上海開發(fā)線芯用Al-Fe合金； ⑹ 1976年于上海、西安把Al-Fe合金用于大型變壓器繞組； ⑺ 1982年于上海、武漢開發(fā)Al-Mg-Si-Re高強(qiáng)度鋁合金LH8型； ⑻ 1984年于上海、武漢開發(fā)58％ IACS的耐熱鋁合金； ⑼ 1986年于上海、武漢開發(fā)60％ IACS的高導(dǎo)電耐熱鋁合金； ⑽ 1986年于安徽繁昌變電站采用1440mm2耐熱鋁合金導(dǎo)線； ⑾ 1990年于上海、武漢開發(fā)高強(qiáng)度耐熱鋁合金； ⑿ 1994年于杭州建成生產(chǎn)鋁合金的專業(yè)化車間； ⒀ 1995年杭州大批量鋁合金導(dǎo)線出口印度；以后鋁合金線便成為我國(guó)電線電纜出口的拳頭產(chǎn)品之一。國(guó)內(nèi)也逐步批量采用，像二灘電站送出工程等。 ⒁ 2001年于上海建成生產(chǎn)鋁合金線最先進(jìn)的專業(yè)化工廠。鋁合金線除作為輸電線外，還用作大跨越導(dǎo)線和OPGW專用的線材。 ⒂ 2001年上海建成的工廠為三峽輸電工程長(zhǎng)江蕪湖大跨越導(dǎo)線提供線種，通過(guò)二部鑒定。 ⒃ 2001年山東從日本引進(jìn)技術(shù)，開始生產(chǎn)耐熱鋁合金導(dǎo)線。合金的開發(fā)、應(yīng)用在中國(guó)已歷經(jīng)30余年，現(xiàn)已能生產(chǎn)多種牌號(hào)的產(chǎn)品，并建成專業(yè)生產(chǎn)工廠，鋁合金在架空輸電線路中獲得廣泛應(yīng)用，特別是作為大跨越導(dǎo)線、地線和山區(qū)的主干線，每年應(yīng)用數(shù)千噸，并大量出口國(guó)外。