中國(guó)電力行業(yè)正處于綠色低碳轉(zhuǎn)型加速期，呈現(xiàn)裝機(jī)結(jié)構(gòu)清潔化、市場(chǎng)改革深化、技術(shù)創(chuàng)新突破等趨勢(shì)，同時(shí)面臨成本與系統(tǒng)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)成本上升需通過(guò)材料及技術(shù)創(chuàng)新緩解。電力工程生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要有電力設(shè)備、電源建設(shè)、電網(wǎng)建設(shè)、儲(chǔ)能、用電及運(yùn)維等五個(gè)環(huán)節(jié)。在電力行業(yè)，鋁代銅已成為重要趨勢(shì)，尤其在輸電線(xiàn)路、配電電纜、變壓器繞組等領(lǐng)域。鋁憑借成本低、重量輕等優(yōu)勢(shì)逐步替代銅，但也面臨導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度、接頭可靠性等挑戰(zhàn)。本文將針對(duì)“鋁代銅”在電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的可行性進(jìn)行探討。
圖 1 電力工程生產(chǎn)環(huán)節(jié)
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第一，輸電線(xiàn)路（架空導(dǎo)線(xiàn)）。
輸電線(xiàn)路是用變壓器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能升壓后，再經(jīng)斷路器等控制設(shè)備接入輸電線(xiàn)路來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。輸電線(xiàn)路輸送電流所需媒介為輸電線(xiàn)，輸電線(xiàn)是裸露或絕緣的金屬導(dǎo)線(xiàn)，直接架設(shè)在電線(xiàn)桿或鐵塔上，如鋼芯鋁絞線(xiàn)、全鋁合金絞線(xiàn)，主要為遠(yuǎn)距離、大容量輸電——電壓等級(jí)通常在110kV及以上的高壓或特高壓。
目前，在輸電線(xiàn)路領(lǐng)域，由于鋁優(yōu)勢(shì)明顯，“鋁代銅”已成為一種顯著趨勢(shì)，尤其在高壓架空線(xiàn)路中占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，鋁的導(dǎo)電性不足，鋁導(dǎo)電率僅為銅的61-66%，需增大截面積（約1.5倍）才能達(dá)到同等載流量。而且“純鋁”與“鋁合金”差異也較大。目前的解決方案是采用鋼芯鋁絞線(xiàn)（ACSR），通過(guò)鋼芯增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，鋁導(dǎo)體保障導(dǎo)電性，我國(guó)“西電東送”工程中鋼芯鋁絞線(xiàn)的使用占比超95%；此外，是研發(fā)高導(dǎo)鋁合金。鋁合金克服了純鋁的問(wèn)題，機(jī)械性能與銅基本接近，尤其是安裝和連接穩(wěn)定性很高，經(jīng)過(guò)國(guó)外近40年的運(yùn)行驗(yàn)證，是一種安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)體。
表 1 鋁絞線(xiàn)分類(lèi)
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第二，配電電纜（低壓領(lǐng)域）。
作為電力傳輸?shù)年P(guān)鍵載體，電纜在電力工程中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前，我國(guó)仍以銅芯導(dǎo)體電纜為主，據(jù)阿拉?。ˋLD）調(diào)研了解，2024年輸配電網(wǎng)電力電纜用銅量約78萬(wàn)噸，占比我國(guó)未鍛軋銅及銅材進(jìn)口量的13.7%。我國(guó)于20世紀(jì)60年代開(kāi)始鋁芯電纜的設(shè)計(jì)研發(fā)及應(yīng)用研究，提出稀土元素微合金化優(yōu)化提升鋁基導(dǎo)體材料綜合性能的技術(shù)思路，目前已實(shí)現(xiàn)35kV及以下電壓等級(jí)鋁芯電纜材料的全部國(guó)產(chǎn)化，并在電力、建筑、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域大量應(yīng)用。
美、德、加等歐美國(guó)家，鋁芯導(dǎo)體電力陸纜已實(shí)現(xiàn)380kV及以下電壓等級(jí)規(guī)?；瘧?yīng)用，且在500kV直流海纜工程中得到逐步推廣。相比之下，我國(guó)對(duì)鋁芯電力電纜用導(dǎo)體材料、連接端子的研發(fā)相對(duì)較晚，目前仍存在導(dǎo)電率、強(qiáng)度、抗壓蠕變性能難以協(xié)同提高的問(wèn)題，一定程度上制約了高電壓等級(jí)鋁芯電力電纜的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。對(duì)于鋁芯導(dǎo)體電力電纜，故障點(diǎn)易發(fā)生在電纜附件處，尤其是中間接頭及終端部位。除因復(fù)雜服役環(huán)境(如風(fēng)、雨、鹽霧)的影響造成的電纜故障外,電纜導(dǎo)體材料與連接端子的匹配性不良、抗壓蠕變性能差，電纜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及工作溫度的影響也會(huì)使電纜導(dǎo)體接頭處松動(dòng)，導(dǎo)致接觸不良或者電阻增大，繼而造成電纜過(guò)熱而出現(xiàn)故障。因此，如何開(kāi)發(fā)高性能的鋁基導(dǎo)體材料及安全可靠的銅鋁連接技術(shù)，已成為我國(guó)高壓鋁芯電力電纜技術(shù)發(fā)展和國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用最為迫切的研發(fā)需求。
表 2 銅、鋁、鋁合金性能對(duì)比
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目前，8系鋁合金是電力電纜最常用的導(dǎo)體材料體系。相比1系純鋁導(dǎo)體，8系鋁合金導(dǎo)體可有效降低受溫度和應(yīng)力作用下的“蠕變”傾向，其電氣連接具有與銅芯導(dǎo)體相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定可靠性。與純鋁導(dǎo)體相比之下，鋁合金導(dǎo)體可在保持電氣性能相近的情況下，兼具更優(yōu)良的機(jī)械性能。鋁合金導(dǎo)體具有的密度低、韌性好等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)銅芯電纜在高反彈性和記憶效應(yīng)等方面的短板，其較小的彎曲半徑更利于運(yùn)輸和施工安裝，節(jié)省電纜橋架和施工周期，特別在安裝環(huán)境受限時(shí)更加顯著。此外，利用稀土(La、Ce、Er等)等微合金化元素?fù)诫s改性，可進(jìn)一步優(yōu)化鋁基導(dǎo)體材料的導(dǎo)電、力學(xué)及耐腐蝕性能，使其更好滿(mǎn)足電力電纜導(dǎo)體的使用要求。
從經(jīng)濟(jì)特性角度分析，同等體積下鋁基導(dǎo)體的重量約為純銅導(dǎo)體的1/3,相同載流量下鋁基導(dǎo)體電纜重量?jī)H為銅芯電纜的1/2,因此同等通流能力下，同重量電力電纜用鋁基導(dǎo)體的長(zhǎng)度約為銅導(dǎo)體的兩倍。目前電力電纜用鋁基導(dǎo)體材料的市場(chǎng)價(jià)格約為純銅導(dǎo)體1/3,因此對(duì)于具有相同載流能力的鋁芯和銅芯電力電纜，鋁芯電纜的導(dǎo)體材料一次投資可較銅芯電纜節(jié)省10-20%。此外，電力電纜用鋁基導(dǎo)體(鎧裝)的彎曲半徑可降至電纜外徑7倍，優(yōu)于銅芯電纜彎曲半徑12倍(多芯)或15倍(單芯)電纜外徑的要求，且由于鋁合金鎧裝電纜采取聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，故敷設(shè)時(shí)可省略穿管和橋架，可降低相關(guān)運(yùn)輸安裝費(fèi)用15%左右，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
圖 2 電網(wǎng)工程與電源工程投資完成額累計(jì)同比
數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)家統(tǒng)計(jì)局
近年來(lái)，在雙碳戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，電源投資增速高于電網(wǎng)投資增速，2024年在風(fēng)光消納壓力背景下，電網(wǎng)投資補(bǔ)強(qiáng)提升，未來(lái)配網(wǎng)是重點(diǎn)。阿拉?。ˋLD）認(rèn)為，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)發(fā)展適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景、高性能(高導(dǎo)電率、高強(qiáng)度、良好的抗蠕變性能、耐熱性能、耐腐蝕性能)、穩(wěn)定可靠運(yùn)行的新型鋁/鋁合金電力電纜是保證線(xiàn)路大容量、安全低碳運(yùn)行配網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐，助力電力電纜的低成本制備與國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。
第三，變壓器繞組。
隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，干式變壓器需求量越來(lái)越大，但由于其繞組材料銅箔價(jià)格的不斷升高，加大了干式變壓器的制造成本。為降低變壓器材料的制造成本，市場(chǎng)出現(xiàn)了一種“以鋁代銅”的模式，即以與銅性質(zhì)相近的鋁金屬作為銅的替代品用來(lái)制造干式變壓器的繞組，極大地降低干式變壓器的成本。
變壓器是利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級(jí)線(xiàn)圈、次級(jí)線(xiàn)圈和鐵芯（磁芯）。它是輸配電的基礎(chǔ)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、城市社區(qū)等領(lǐng)域。變壓器按用途可以分為配電變壓器、電力變壓器、全密封變壓器、組合式變壓器、干式變壓器、油浸式變壓器等。其中，干式變壓器是指鐵芯和繞組不浸漬在絕緣油中，依靠空氣對(duì)流冷卻的變壓器，廣泛用于局部照明、高層建筑、機(jī)場(chǎng)，碼頭等小容量變壓器。
隨著現(xiàn)代化社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)干式電力變壓器的需求量也日趨增大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)生產(chǎn)干式變壓器的制造廠(chǎng)家超過(guò)5000家，每年可生產(chǎn)數(shù)千萬(wàn)伏安，市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)2千億人民幣。如此大的規(guī)模下，降低干式變壓器的原材料成本成為當(dāng)前變壓器廠(chǎng)商關(guān)注的重點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的部分空調(diào)、電纜等產(chǎn)業(yè)采用了以鋁代替銅的方式來(lái)降低產(chǎn)品成本，干式變壓器作為一種制造工藝占比較低，制造材料占比較高的產(chǎn)品，其繞組也可采用與銅箔性質(zhì)相近的鋁箔來(lái)代替。
國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)制造的干式變壓器存在工藝技術(shù)上的不足，高、低壓線(xiàn)圈的引出端子(銅質(zhì))與鋁箔線(xiàn)圈之間可靠穩(wěn)定的銅鋁連接技術(shù)問(wèn)題無(wú)法得到完美解決。許多無(wú)法掌握高壓線(xiàn)圈的加工技藝的企業(yè)只能使用銅箔來(lái)繞制高壓線(xiàn)圈。這也是我國(guó)的干式變壓器會(huì)加大干燥性，加大體積，增加損耗的主要原因。又因?qū)w層間電壓減小，從而使高壓線(xiàn)圈抗操作過(guò)電壓的能力降低，影響干式變壓器整機(jī)的使用壽命和運(yùn)行安全。近年來(lái)，一些額定功率達(dá)到4MVA的干式變壓器或油浸變壓器已經(jīng)開(kāi)始采用鋁箔繞組。鋁箔繞組具有優(yōu)秀的熱耗散性能、高抗短路電流能力和改善電壓分布的特點(diǎn)，并且制作該繞組也較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)鋁箔變壓器使用的鋁箔都是國(guó)產(chǎn)的，其基本可以達(dá)到普通的干式變壓器使用要求。只有生產(chǎn)一些質(zhì)量要求較高的出口變壓器時(shí)，會(huì)使用日本進(jìn)口箔，成本會(huì)提高很多。與日本進(jìn)口箔相比，國(guó)產(chǎn)變壓器用箔主要存在的問(wèn)題是導(dǎo)電率不穩(wěn)定、箔面不平整以及邊部毛刺多。國(guó)內(nèi)干式變壓器主要的故障為繞組故障和鐵芯故障，對(duì)于繞組故障而言，主要原因是繞組之間存在部分空隙，若此時(shí)的變壓器仍在高強(qiáng)度地工作，其中的高電壓大概率會(huì)擊穿空氣，出現(xiàn)閘間的短路。
我國(guó)在網(wǎng)運(yùn)行的變壓器約1700萬(wàn)臺(tái)，總?cè)萘考s110億千伏安。變壓器損耗約占輸配電電力損耗的40%，具有較大節(jié)能潛力。為加快高效節(jié)能變壓器推廣應(yīng)用，提升能源資源利用效率，推動(dòng)綠色低碳和高質(zhì)量發(fā)展，2021年1月，工業(yè)和信息化部、市場(chǎng)監(jiān)管總局、國(guó)家能源局聯(lián)合制定了《變壓器能效提升計(jì)劃（2021-2023年）》。阿拉丁（ALD）認(rèn)為，隨著鋁合金加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，提高鋁合金材料的導(dǎo)電性能的同時(shí)，降低其熱效應(yīng)，保證鋁箔產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)出的穩(wěn)定，以此為干式變壓器的繞組提供更好的材料。改進(jìn)鋁的制備工藝和材料合成的技術(shù)研發(fā)，彌補(bǔ)使用鋁箔繞組材料的不足之處，未來(lái)變壓器中鋁導(dǎo)線(xiàn)的應(yīng)用前景將更加廣闊。
