超高压输电工程用铝合金材料的现状与发展

2001年11月12日 10:11:00 来源：中国电线电缆网

黄豪士   上海电缆研究所

一、         概述

铝合金，作为二十世纪出现的新型导电材料，由于它具有优良的特性，一经问世，便受到人们的青睐，并在随后的数十年中经过不断的改进、发展，并在实践中不断总结经验，丰富其内容，按照其不同的应用场合，逐步形成若干个系列，特别是在输电工程中，更是发挥了独特的作用。二十一世纪的到来，给输电工程的发展带来了新的挑战、新的机遇。截至2000年底，我国电力总装机容量已达3.1亿千瓦，装机容量和发电量仅次于美国而稳居第二位。与之相应的电网发展也很快，1999年底，我国已建成35kV及以上线路约70余万公里，其中500kV线路2.17万公里，330kV近0.8万公里，220kV 12余万公里，其线路总长度仅次于美国和俄罗斯而居世界第三。十五”期间，已确定在西部地区大力建设新的电站，采用远距离、大容量送电，把强大的电能送至东部及沿海工农业发达的地区，这就是我国西电东送的大战略，给输电工程发展提供大机遇。“十五”期间，将在西部建设一系列新的电站，例如：在广西红水河的龙滩电站，装机420万千瓦，成为三峡电站之后的又一大电站；在云南澜沧江的小湾电站，装机420万千瓦；四川大渡河的瀑布沟电站，装机330万千瓦等等。“十一五”期间，还将在四川金沙江下游的溪洛渡建电站，装机1200万千瓦，这是仅次于三峡电站的最大电站；四川雅龚江的锦屏电站，装机680万千瓦；四川金沙江下游的向家坝电站，装机600万千瓦；云南澜沧江的糯扎渡电站，装机500万千瓦；青海黄河上游的拉西瓦电站，装机420万千瓦等等。此外，西北地区在黄河中游，将建设一批梯级水电站。在陕西、山西、蒙西还将建设一批大型的坑口电站。不管是水电站或火电站，当这批大电站建成后，将需要把强大的电力向东部和沿海等用电负荷中心送电，特别是上海、京津、广东地区。就以广东为例，它是我国经济发达、能源短缺的省份，80％的一次性能源需由外省输入，主要是由广西、贵州、云南向广东送电，预计在“十五”期间，将要完成送往广东1000万千瓦的计划，因此将要建成批输电线路，包括：天生桥至广东第三回交流500kV，线路800km；天生桥至广东直流双回±500kV，1000km；贵州至广东交流500kV，1700km；贵州至广东直流±500kV，1000km；三峡至广东输电500kV，540km；三峡至广东直流输电±500kV，1000km等等。从西南各省和三峡向广东送电的线路，都需要经过像贵州、湖南、云南等省的高山峡谷及重冰区地带，在这些地带要建设性能优良的输电线路，导线仅仅采用钢芯铝绞线显然是不够的，也是不合理的。经专家反复论证，钢芯铝合金绞线将是最重要的一种新型线种，将在这些工程中采用。如此众多的长距离、超高压输电线路需要在较短的时期内建成，这就为我国铝合金导线的制造厂提供一个新的、最重要的发展机遇。2001年5月底在上海召开的“三峡至广东±500kV直流输电线路工程初步设计会”上，经专家讨论决定：当线路通过20cm复冰的地区，设计时向30cm复冰的地区条件靠拢，全部采用JLHA1／G2A－720／50（即AACSR－720／50）型钢芯铝合金绞线。同样，在今后相同条件的线路设计中，将采用上述相同原则。在积累铝合金导线的运行经验后，铝合金和钢芯铝合金导线的应用还将拓展至线路复冰厚度小于20cm的地区。这样的气象条件，在南方有很大一片地区。那么，究竟每年需要多少数量的铝合金导线呢？2000年我国架空输电线的用量约60万吨，其中只有数千吨铝合金导线，约占总需求量的1％，这是一个很小的数字。“十五”期间，预计输电线路以10％的速度增长，2005年架空输电线的年用量将约90～100吨，如果我们把架空输电线中5％的量作为铝合金导线的用量计算的话，也就是至2005年后，我国每年需用铝合金导线的量将为4～5万吨，然而目前我国生产高强度铝合金的工厂只拥有年产2万吨的生产能力，因此缺口约2～3万吨。为什么在进入二十一世纪以后铝合金的用量会有明显增加，而且按照预测增长的速度会明显加快呢？其最主要的原因有二，首先，我国生产高强度铝合金是在二十世纪六十年代后期，迄今已有30余年历史，但早期工艺未成熟，兼之设备较简陋，使铝合金性能不够稳定。以后从合金配方、生产工艺和设备上经多次的改进提高，现在产品的性能指标已全面达到IEC和ASTM等有关标准水平，主要的工艺装备都是由从国外购进的最先进机组所组成，整个生产工艺过程合理流畅，工厂厂房美观，规模合适，已形成像武汉电缆厂、杭州电缆厂和上海铝线厂三个专业生产厂以及山东鲁能泰山电缆公司的专业生产车间。而今年刚建成的上海铝线厂莘庄工厂完全可以和国外同类工厂相媲美。我国生产的铝合金产品，除国内使用一部分外，还大量出口国外，在东南亚等地有相当知名度。有先进工艺和装备，有生产经验，因此能为电力行业在输电线路中采用铝合金导线奠定了基础，这是物质上的保证。其次是市场的需要，全国电网将全部联网，电力部门政策是推行西电东送，规模宏大，速度快，在丛山峻岭，在复冰地带，在大跨越地段，全铝合金绞线、钢芯铝合金绞线、特高强度铝合金绞线将是首选的线种，铝合金将起着不可估量的作用。技术物质上的可能和市场发展的需要，这就是铝合金导线生产的现状。

二、         导电用铝合金的发展概况

在本世纪三十年代，人们在铝中加入少量的元素，使铝的强度约提高1倍，而导电性能只稍微差些，比重仍与铝一致。由于铝合金的强度高，而重量又轻，制成绞线时则有更多的优点，与相同性能的钢芯铝绞线比较，它直径可小些，与铝绞线比较，输电线路的档距可以增大。由于它有诸多优点，故受到各国电力系统人们的重视。

1. 世界各国高强度铝合金的牌号与性能

法国自从在输电线路中采用铝合金以来，50年间已用了40余万吨，瑞士、美国、日本用得特别多，尤其日本。各国都已有自己牌号的铝合金，例如： IEC： A2、A3 美国、加拿大：6201，HS 德国、瑞士： Aldrey 俄罗斯： AЖ 日本： 亻，Si-33，Si-26 法国： Alnelec 英国： Scherdoc 瑞典： Ductalec 欧洲： 5005 中国： LHA1，LHA2 上述各国铝合金牌号的性能都较接近，例如： ⑴ 美国、加拿大的6201，其性能为：抗拉强度：σb=30kgf/mm2=294N/mm2 电阻率： ρ20＝0.0328Ω·mm2/m=52.5％ IACS 延伸率： δ=3.5％ ⑵ 瑞典的Ductalec，其性能为：抗拉强度：σb=25～28kgf/mm2=245～274N/mm2 电阻率： ρ20＝0.02973Ω·mm2/m=58％ IACS 延伸率： δ=3％ ⑶ 日本亻号，其性能为：抗拉强度：σb=294kgf/mm2=30kgf/mm2 电阻率： ρ20＝0.0328Ω·mm/m=52.5％ IACS 延伸率： δ=4％ ⑷ IEC 104-1987，其性能见表1。 IEC 104-1987规定的性能指标中国生产的铝合金，其性能与IEC规定的性能相同，也与世界各国生产的铝合金全性能相一致。

2. 铝合金的发展方向

工用铝合金主要用于架空输电线和电缆线芯两大类。 ⑴ 架空线用铝合金发展方向，见图1。作为架空线用铝合金，首先是提高强度，即现在常用的牌号有Aldrey、6201、亻、LHA1等，以后又提出要提高耐热性能，因此开发了耐热铝合金、超耐热铝合金、特高耐热铝合金；又为了获得耐热高强和耐热高导电性良好的合金，开发出高强度耐热铝合金、高导电耐热铝合金；为了降低成本又将热处理型加工方法变成非热处理型加工方法等。 ⑶ 几种典型牌号及其性能图，见图3。

3. 在超高压输电线路上采用高强度铝合金的意义在超高压输电线路上所使用的输电线，必须具有良好的导电性能，同时还应具有足够的强度，其次弹性模数、热膨胀系数、蠕变和耐腐蚀性也十分重要。铝是输电线中最常用的材料，但因其强度较低，所以在其中加入钢线作为加强芯制成钢芯铝绞线（ACSR）。由于高强度铝合金线（AAAC）的出现，在某些范围已有取代ACSR的趋势。 AAAC与ACSR相比，导线在相同的重量下，AAAC有更大的铝截面，电性能更优，强度大，电阻小，因此载流量更大，而且单一的材料不可能出现电化腐蚀，寿命更长。 AAAC与ACSR相比，导线具有相同的载流量，例如：AAAC-400（37／4.00）与ACSR-400/50（54／3.07+7／3.07）相比，AAAC重量轻15.22％，而拉断力提高约19％左右，拉力单重比增加40.34％。因此在不改变对地距离的情况下，可以加大档距，减少铁塔数量，降低线路工程的综合造价。若在相同规格、不同类型导线进行比较的话，AAAC-400（37／4.00）与AS-400（37／4.00）相比，AAAC轻得多，只有后者重量的40.1％，载流量却是它的1.6倍（即高出60.75％）。若在铝合金线中绞入钢线，则把钢芯铝合金绞线用作大跨越导线将更为合适。正因为铝合金材料有如此多的优点，因此正在各电压等级的输电线路中被越来越广泛的应用。

4. 中国铝合金生产应用实绩 ⑴ 1958年于哈尔滨开始开发铝合金； ⑵ 1963年于北京、上海、天津研究开发Al-Mg-Si高强度铝合LHA型； ⑶ 1965年于上海奉贤海边架设运行线路，增加档距由90m提高至170m； ⑷ 1970年于上海、杭州开发Al-Mg线芯用铝合金，并广泛用于浙江省的电犁电缆； ⑸ 1974年于上海开发线芯用Al-Fe合金； ⑹ 1976年于上海、西安把Al-Fe合金用于大型变压器绕组； ⑺ 1982年于上海、武汉开发Al-Mg-Si-Re高强度铝合金LH8型； ⑻ 1984年于上海、武汉开发58％ IACS的耐热铝合金； ⑼ 1986年于上海、武汉开发60％ IACS的高导电耐热铝合金； ⑽ 1986年于安徽繁昌变电站采用1440mm2耐热铝合金导线； ⑾ 1990年于上海、武汉开发高强度耐热铝合金； ⑿ 1994年于杭州建成生产铝合金的专业化车间； ⒀ 1995年杭州大批量铝合金导线出口印度；以后铝合金线便成为我国电线电缆出口的拳头产品之一。国内也逐步批量采用，像二滩电站送出工程等。 ⒁ 2001年于上海建成生产铝合金线最先进的专业化工厂。铝合金线除作为输电线外，还用作大跨越导线和OPGW专用的线材。 ⒂ 2001年上海建成的工厂为三峡输电工程长江芜湖大跨越导线提供线种，通过二部鉴定。 ⒃ 2001年山东从日本引进技术，开始生产耐热铝合金导线。合金的开发、应用在中国已历经30余年，现已能生产多种牌号的产品，并建成专业生产工厂，铝合金在架空输电线路中获得广泛应用，特别是作为大跨越导线、地线和山区的主干线，每年应用数千吨，并大量出口国外。