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造一款既耐高温又低耗能的铝合金导线

造一款既耐高温又低耗能的铝合金导线
 

    自从200年前富兰克林发现电,这种能源便伴随着人类社会的进步和工业社会的发展,对于现代人来说,电能已然成为一种与生俱来的资源。

    但是,能源的消耗终究有个上限,从火力发电到水力发电再到核能发电,在满足人们不断增长的电能需求时,如何减能降耗也是当下人类应该积极思考的问题。

    节能技术有什么办法吗?

    势在必行的技术革新

    未来,我国将全面建成以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网。在普通人的生活环境中,目力所及会看到高耸的塔杆支起穿越大半个中国的电路导线,实现“西电东送、南北互供”的全国联网,并逐步建设全球能源互联的智能运行控制和互动服务体系。这时,电能就在电网上飞驰、奔流、消耗。而且,为了满足人们日益增长的电力需求,除了新建大容量输电线路外,老线路的增容改造更需要能够支撑长久的电网材料来保证旧城电力安全、可靠的供应。

    从整个电力行业看来,在现有线路走廊及设施条件下,以高导电率耐热铝合金导线更换目前应用的架空钢芯铝绞线,是增加线路传输容量和降低线损的有效途径。

    可是,铝合金的导电率与耐热性及力学性能相互制约,在保证力学性能和耐热性能的前提下提升铝合金导线的导电率的难度极大,日本花了10年时间才把耐热铝合金导线的导电率由58%IACS提升到60%IACS,要研发一种具有导电率高、耐热性能好的铝合金导线并非易事。

    不断实现的技术突破

    2012年,全球能源互联网研究院、中南大学等科研机构组成团队,针对提升输电线路容量、提高输送效率的技术需求,开展系统的合金设计和制备技术及工艺研究。

    项目立项之初,国内外无导电率为61%IACS的耐热铝合金导线的量产及工程应用实例,仅有关于日本利用99.85%以上高纯工业铝锭、采用复杂苛刻工艺制备的导电率为61%IACS的耐热铝合金单丝的报道,而且制备成本很高,难以实现工业化生产。

    在项目的研究中,整个项目组揭示了多种微合金化元素及加入量和加入方式对铝合金导体材料综合性能的影响规律,得到了满足目标要求的导体材料的成分体系及优化的制备工艺。2016年1月 ,项目成果通过了中国电力企业联合会组织的AG捕鱼成果鉴定,以中国工程院院士谢建新为主任的鉴定委员会认为:“该研究成果的导电率指标(≥61%IACS)达到AG真人先进水平。”2016年12月,项目荣获2016年度中国有色金属工业科学技术奖一等奖。

    项目在理论创新方面,首先基于合金热力学计算和实验验证,揭示了Al与微量Zr、Re的相互作用机制及对性能的扬抑效应,发展了第二相组态对电工铝合金材料宏观性能的调控机理;同时, 基于微合金化理论和创新成果,进行了铝合金性能与成分及制备工艺的匹配性设计,获得了综合性能优良的铝合金导体成分配方案和关键制备工艺参数,实现了61%IACS高导电率的耐热铝合金单丝(长期耐热温度150℃)及导线(长期耐热温度120℃)的成功制备;还有采用99.7wt.%的工业纯铝,通过Al、B、Zr、RE元素的合理配比和适量加入,使B及RE产生净化、变质及协同Zr的复合微合金化作用,实现了高导耐热铝合金导线的工业化生产,完成了61%IACS耐热铝合金导线的工程应用。

    据了解,这个项目共获得授权国家发明专利5项,发表论文十余篇,其中SCI/EI论文9篇。

    广阔而具体的应用前景

    在整个项目中,除了获得基础理论、试验方法之外,还掌握了高导耐热铝合金导体材料及导线制备的核心技术,实现了铝合金导线产品的工程应用。

    当前,项目研制的导电率为61%IACS的耐热铝合金导线已在辽宁、河南、云南等地增容改造线路工程中获得应用,利用现有线路及杆塔设施更换导线产品即可实现线路输送容量的提升,大大减少停电作业时间,降低工程造价和停电产生的间接经济损失,线路运行至今状态良好,有效保证了供电的安全可靠性。

    据统计,我国每年大约有3000亿的导线用量,耐热铝合金导线的份额在数十亿元左右。以我国全网每年耐热铝合金导线的用量5万公里粗略估算,应用61%IACS耐热铝合金导线代替现役耐热铝合金导线,每年可减少输电线路损耗约1.07×109 kWh,可减少二氧化碳排放约100万t,按0.5元/kWh电价计算,可节省电费将近5亿多元,经济环境效益显著,应用前景广阔。


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