导电介质革命——稀土铝合金平替铜电缆的技术优势.pdf

2023年第14期中国高新科技INNOVATINGCHINA创新中国导电介质革命稀土铝合金平替铜电缆的技术优势文/李军翟其勇我国稀土的应用始于2 0 世纪6 0 年代。试验证明，在一些有色金属中添加少量的稀土金属会产生极佳的效果，目前效果明显的有色金属有：铝、铜、镁、锡、钛、钼、镍、钴、及铂族金属等，能起到净化、变质、细化晶粒的作用。在铝中加入适量稀土可使其强度、硬度、伸长率、断裂韧度和耐磨性等综合性能得到提高，研发和利用先进的“稀土铝合金”技术，解决铝作为电缆导体存在的缺陷与不足，使自主创新的一种新型导体材料取代资源匮乏的铜导体材料将成为一种必然趋势。“稀土铝合金”的研发应用拥有合金的熔炼及杆材的连铸连轧生产线是生产的必备条件，掌握“稀土铝合金”配方核心技术是确保电缆导体具有优良电气性能、机械性能的关键因素。“欣意”电缆早在20世纪90 年代末就开始着手研究开发在铝基中加入稀土，制造大截面、高强度、耐腐蚀、用于大跨度的输电线路。大截面的ACSR-720/50钢芯铝绞线成功应用于三峡输电项目中，经国家电网检测及后期应用跟踪反馈，取得了良好的效果。一方面，铜芯电缆的产能严重过剩，铜缆市场的竞争无序；另一方面，高端电缆产品市场又存在着较大的空缺。面对这种局面，“欣意”电缆在消化、吸收国外先进标准的基础上，进行技术创新，建立健全试验室，配置了先进的试验装置，先后与青岛大学、河北科技大学及电缆行业内的专家建立了长期战略合作关系，并聘请了电缆绝缘材料专家雷清泉院士作为项目总顾问，在稀土铝合金新型材料、稀土铝合金电缆新品种等多个领域展开研发。由此，迈入了稀土铝合金电缆由“中国制造”到“中国创造”的进程，打破了欧美国家在铝合金电缆生产技术和市场上40 多年的垄断局面，并出口至美国、澳大利亚等多个国家。新型稀土铝合金导体材料以铝为基，在铝中添加了铜、铁、铍和稀土等多种合金微量元素，经科学合理精确配方熔炼而成。通过金相分析可以发现，稀土铝合金的拉伸断口上覆盖着大量的显微微坑（韧窝），整体数量众多且分布均匀，较精炼铜多，证明导体具有非常好的韧性。稀土铝合金材料通过其他微量合金元素的添加，除去了铝中的杂质，生成了铝基之外的“第二相”，细化了铝的晶粒，减少了偏析，消除了显微不均，在保证优异的导电性能的情况下，大大提高了导体的力学性能，及其表面的抗均匀腐蚀和耐酸腐蚀性能，使“稀土铝合金代铜”成为一种现实，非常适合用作电缆导体材料。稀土铝合金电缆以新型的“稀土铝合金”材料为导体，采用阻燃交联聚乙烯为绝缘，加上独特的铠装结构，通过先进的工艺处理，弥补了纯铝电缆的不足，提高了电缆的导电性能、弯曲性能、抗变性能和耐腐蚀性能，保证了电缆在长时间过载和过热时的连接热稳定可靠性，具有众多优势。“稀土铝合金”牌号成分“8 E76，8 R 7 6”被纳入了国家标准GB/T299202015电工用稀土高铁铝合金杆，GB/T31840额定电压1kV（U m=1.2 k V）到35kV（U m=40.5k V）铝合金芯挤包绝缘电力电缆及GB/T31902020变形铝及铝合金化学成分中，稀土铝合金牌号成分填补了国内铝合金电缆应用的空白。“稀土铝合金”与普通“铝合金”的差异针对纯铝作为电缆导体存在的众多不足，美国和加拿大中国高新科技2023年第14期6创新中国INNOVATINGCHINA等发达国家率先在这方面做了大量的研究，于2 0 世纪6 0 年末开发出了铝合金导体，在美国、加拿大、墨西哥等国家推广使用，并申请了专利号及牌号37 11339/A98030。2 0 0 9年，随着稀土铝合金电缆在我国的深入推广，以及被成功应用到众多项目中，国内一些铜缆企业纷纷效仿，在无掌握核心技术配方、无熔炼、连铸连轧生产线的情况下，通过非正规渠道采购“伪铝合金”，甚至一时间将国外失效专利的铝合金（37 11339/A 98 0 30）盲目推崇到一个新的高度，在市场竞争中采用低廉的价格，妄图搅乱市场，捞取不正当利益，使广大用户不明就里，在使用项目中对于如何正确选择铝合金电缆替代铜缆失去了方向。铝合金电缆具有优良的机械性能，其韧性好，弯曲半径小，敷设简单。电缆应用的关键性指标，如电气性能、终端运行的可靠程度，是广大用户最关心的问题。为了使铝合金电缆应用市场有一个良好的环境，更好地甄别“稀土铝合金”与“普通铝合金”（A98030）在性能上存在的区别，持续深化自主创新，打造“稀土铝合金”品牌，使项目应用的电缆更加安全可靠、稳定地运行，在市场上调研了有一定规模的、具有代表性的普通铝合金电缆生产厂家，对稀土铝合金电缆与普通铝合金电缆进行了主要电性能的比较及后期运行安全性的比较，如表1、表2 所示。通过表1不难看出，稀土铝合金电缆的电气性能（2 0 直流电阻值）比普通铝合金电缆优越很多，这种关键性的性能指标对比很好地诠释了稀土铝合金电缆具有优良的电气性能，比普通铝合金电缆在使用线路损耗要低，更加节能（直流电阻值的高低是决定压降值高低的重要指标，是能耗大小的关键因素）。通过“IEC1000次热循环+6 次短路”试验，充分证明了运行的稳定可靠程度，当然并非排除普通铝合金电缆也有通过该项试验的，试验的通过只是满足标准的要求，至于在使用周期内安全性能的高低，还要通过试验的实测值说明问题。从表2 可以看出，稀土铝合金电缆与终端连接的稳定可靠程度比普通铝合金电缆与终端连接的稳定可靠程度高得多。稀土铝合金电缆与铜电缆的差异电缆导体的延伸率、抗疲劳性和反弹性，都是考核电缆质量优劣的最重要指标，稀土铝合金电缆的延伸率可达30%，超过标准对铜缆要求2 5%的指标；反弹性比铜电缆小40%；抗疲劳性更加突出，反复弯折可达30 次以上：重量轻，易弯曲，在满足铜电缆相同电气性能的情况下，是项目中替表1稀土铝合金电缆与普通铝合金电缆直流电阻（2 0）对比导体直流电阻组名称型号、规格(20)备注别Q/km实测值稀土铝0.07080.0712第三方ZC-YJ(XG)合金电0.07070.0712试验所LHV22-0.6/14X400力电缆平均值：0.0 7 0 9实测值0.07680.0769第三方ZA-YJLHV22-0.6/10.0769试验所普通14X400平均值：0.0 7 6 8实测值铝合金电力0.07740.0775第三方电缆ZA-YJLHV22-0.6/120.0776试验所3X400+1185平均值：0.0 7 7 5实测值表2IEC1000次热循环+6 次短路试验中平均离散度比较稀土铝合金普通铝合金项目标准电缆电缆名称实测实测实测初始离散度8最大0.30.050.15热循环后平均2最大0.30.060.10离散度注：离散度是指同类指标分布相对于某一中心指标分布的偏离程度。分散程度反映了一组数据远离其中心值的程度，因此也称为离中趋势。表3稀土铝合金电缆与铜缆直流电阻值（2 0）对比组刷导体直流电阻（2 0）名称型号、规格备注Q/km实测值稀土ZC-YJ(XG)0.07080.07120.0707第三方铝合LHV22-0.6/10.0712试验所金电力4X400平均值：0.0 7 0 9实测值电缆ZCN-第三方0.07470.07540.07483YJV22-0.6/1试验所平均值：0.0 7 494X240实测值铜缆WDZAN-第三方0.0750 0.07510.07494YJY-0.6/1试验所平均值：0.0 7 504 X240+1 X 120实测值代铜电缆的首选。为了使用户更具有直观性的比较，选择了规模企业生产的铜缆与替代后的稀土铝合金电缆进行电性能比较及材料的抗变特性分析。稀土铝合金电缆与铜缆直流电阻值（2 0）对比如表3所示，表中所列数据均为第三方检测机构出具。从表3不难看出，稀土铝合金电缆的电气性能（2 0 直流电阻值）不但满足铜缆的电气性能，且有较大的裕度，使线路运行更加安全。电工用“稀土铝合金”材料、电工用“铜”材、电工用“铝”材的抗蠕变曲线图分析如图1所示。从图1可以看出，稀土2023年第14期中国高新科技铝合金导体在铝基中加入稀土及其他合金微量元素，通过提高铁元素的含量，经高温处理后产生了高强度的抗蠕变性能，在12 0、112 MPa条件下的蠕变试验中，形变曲线产生微变，相比于纯铝有大幅度提高，而与铜材相当，因而有效避免了因长期受到机械力的作用而出现蠕变，引起接触电阻的增大而导致事故的风险。16温度：12 0 14压应力：112 MP1210(%）8-LHIXG)6-AICu268101214161820时间（h）LH(XG)、A I、Cu 的端变曲线图图1抗蠕变曲线稀土铝合金电缆的市场应用稀土铝合金电缆自2 0 0 9年进入国内市场，已通过国家权威机构的检测及认证，并成功应用于市政、工矿、学校、电力等涉及多个行业的上万个项目建设中，其成功应用案例已被中央电视台、人民日报、光明日报等多家媒体关注报道。一些省市电力公司及政府部门也相继下发了推广稀土铝合金电缆应用的相关文件，并在一些配网中进行了实践。近年来，随着新兴行业的兴起及光伏电站的大量建设，电缆在新兴行业及新能源建设中的应用量前所未有。由于其应用环境比较复杂，行业对应用电缆也提出了更高的要求，必须满足优良的机械性能（韧性好、不易折断），较高的导电性能（载流高、发热低、线路损耗小），施工方便（重量轻、易弯曲），以及终端运行安全可靠性高（抗蠕变性强、电缆与终端连接性好）。随着市场的深度融合，铝合金电缆的使用也越来越规范，稀土铝合金电缆的应用也将越来越凸显其地位，成为国内新兴行业及新能源项目中的首选。应用稀土铝合金电缆产生的巨大意义我国电缆行业用铜量巨大，且历来电工用铜都是高品位的99.5%和99.9%的铜，国内铜精矿的供应严重不足，相当大比例依赖进口。而近年来，我国电解铝的产能急剧增加，已达到严重过剩的程度。“稀土铝合金”的开发应用是电缆行业的一场材料革命，将有效缓解供需矛盾，寻求保障铜原材料的可持续供应，促进电缆产业结构优化和全面升级，加速中国电缆企业参与国际化分工进程，促进民族品牌做大做强。加大稀土铝合金电缆的推广应用力度需凝聚社会各方力量，虽任重道远，但必将形成“燎原之势”。作者简介：李军（196 7-），男，安徽全椒人，硕士，安徽中青欣意铝合金电缆有限公司董事长，研究方向：新材料项目的投资与管理。