11月8日，中國電力科學(xué)研究院有限公司電工新材料所新材料研究團(tuán)隊(duì)開展了“綠色用節(jié)能低碳輸變電材料關(guān)鍵技術(shù)”階段總結(jié)，分析節(jié)能低碳新材料研發(fā)應(yīng)用情況。
新材料研究團(tuán)隊(duì)聚焦配電網(wǎng)綠色低碳發(fā)展，自2016年以來，持續(xù)開展“綠色配網(wǎng)用節(jié)能低碳輸變電材料關(guān)鍵技術(shù)”研究攻關(guān)。團(tuán)隊(duì)通過研究論證多類適合電網(wǎng)的節(jié)能低碳材料，提出分子聚合、工藝調(diào)控、銅鋁復(fù)合等方法，研制節(jié)能低碳新材料，并應(yīng)用到絕緣電纜、配電變壓器、電力環(huán)網(wǎng)柜等設(shè)備中，取得了應(yīng)用成效。
研究分子聚合方法 降低配電網(wǎng)電纜輸電損耗
11月12日，新材料研究團(tuán)隊(duì)骨干成員李文鵬查看了浙江臺州灣新區(qū)10千伏鹽業(yè)村配電網(wǎng)電纜前一日的運(yùn)行數(shù)據(jù)。該配電網(wǎng)電纜為聚丙烯類電纜，是中國電科院電工新材料所研發(fā)的節(jié)能低碳輸變電設(shè)備。通過分析數(shù)據(jù)，李文鵬了解了此類電纜的運(yùn)行狀態(tài)，掌握了配電網(wǎng)節(jié)能降損情況。
鹽業(yè)村位于浙江臺州汽車小鎮(zhèn)內(nèi)。周邊商業(yè)區(qū)建成后，居民大量涌入，出租房急劇增多，導(dǎo)致電熱水器、空調(diào)等大功率設(shè)備使用頻率急劇上升，配電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷壓力較大。
“綠色配網(wǎng)用節(jié)能低碳輸變電材料關(guān)鍵技術(shù)”研究實(shí)驗(yàn)室。中國電科院供圖
配電網(wǎng)電纜是輸送電能的主要通道。新材料研究團(tuán)隊(duì)分析論證多類配電網(wǎng)電纜絕緣用料性能，優(yōu)選保證安全輸送條件下高效輸電的新型配電網(wǎng)電纜用料。“2019年10月，我們經(jīng)過多輪分析論證，選擇了熱塑性聚丙烯。這種材料耐熱性、工藝性能良好，比較適宜作為電纜絕緣材料。”李文鵬介紹。
根據(jù)團(tuán)隊(duì)論證結(jié)果，相較于傳統(tǒng)電纜，在截面面積相同的情況下，新型熱塑性聚丙烯絕緣電纜載流量可提升近1.2倍，幫助配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更高效的電能傳輸。
隨后，新材料研究團(tuán)隊(duì)與中國石油化工股份有限公司北京化工研究院聯(lián)合開展聚丙烯分子聚合研究，優(yōu)化基料性能，提出熱塑性絕緣料“電-機(jī)-熱”性能的綜合平衡調(diào)控方法，制備了聚丙烯電纜絕緣材料配方，具備了新型熱塑性聚丙烯電纜批量化制備的能力。目前，團(tuán)隊(duì)研制的新型熱塑性聚丙烯絕緣電纜已在浙江臺州、江西上高縣的10千伏配電網(wǎng)以及天津市西青區(qū)的35千伏配電網(wǎng)中投入運(yùn)行。
優(yōu)化工藝調(diào)控方法 降低變壓器內(nèi)部損耗
11月11日，新材料研究團(tuán)隊(duì)分析臺州汽車小鎮(zhèn)新掛網(wǎng)的配電變壓器的噪聲數(shù)據(jù)，并測試該設(shè)備的空載和負(fù)載損耗。結(jié)果顯示，該配電變壓器噪聲在32分貝以下，負(fù)載損耗不超過3千瓦，節(jié)能環(huán)保效益顯著。
鐵心用材事關(guān)變壓器運(yùn)行內(nèi)部損耗。變壓器工作時，在交變電磁場的作用下，鐵心材料被反復(fù)磁化而形成磁滯損耗，同時材料表面形成渦流而產(chǎn)生渦流損耗。
“綠色配網(wǎng)用節(jié)能低碳輸變電材料關(guān)鍵技術(shù)”研究立項(xiàng)前，新材料研究團(tuán)隊(duì)對我國配電變壓器進(jìn)行了調(diào)研。他們通過文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)和公式核算出我國在運(yùn)變壓器約1700萬臺，總?cè)萘考s110億千伏安，節(jié)能降碳潛力大。
2020年6月，新材料研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化高性能取向硅鋼全流程工藝調(diào)控方法，開發(fā)出極低損耗取向硅鋼，用于變壓器鐵心的研制。“我們進(jìn)一步優(yōu)化加工工藝，最終推出了‘超1級’能效配電變壓器產(chǎn)品，其損耗水平較國家標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器能效限定值及能效等級》中的能效1級限值降低了5%～15%。”團(tuán)隊(duì)成員馬光介紹。
經(jīng)核算，新研發(fā)的節(jié)能低噪聲配電變壓器在30年全壽命周期內(nèi)，累計(jì)可節(jié)電24.7萬千瓦時，減少碳排放538噸。
2022年3月以來，新材料研究團(tuán)隊(duì)還通過分析配電變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)噪聲振動耦合傳遞特征，開發(fā)了變壓器隔聲相關(guān)裝置和全天候監(jiān)測系統(tǒng)，并在國家電網(wǎng)有限公司在運(yùn)配電網(wǎng)變壓器中應(yīng)用，提高了配電變壓器噪聲監(jiān)測與控制技術(shù)水平。
應(yīng)用銅鋁復(fù)合合金 推進(jìn)電力環(huán)網(wǎng)柜母線“以鋁代銅”
電力環(huán)網(wǎng)柜是配電網(wǎng)系統(tǒng)中重要的控制設(shè)備，其母線一般采用純銅材料。我國銅的儲量僅占全球的5%，銅資源對外依賴度高。受制于國內(nèi)銅資源稀少和國際環(huán)境的雙重影響，國內(nèi)外銅材價格持續(xù)走高，電力用銅成本大幅增加。“以鋁代銅”成為電力工業(yè)設(shè)備節(jié)能降耗的途徑之一。
浙江臺州有3臺電力環(huán)網(wǎng)柜應(yīng)用了銅包鋁合金復(fù)合母線。龐震 攝
2022年7月，新材料研究團(tuán)隊(duì)針對電力環(huán)網(wǎng)柜母線開展銅鋁復(fù)合工藝及鋁基材料成分設(shè)計(jì)研究。“我們深入研究鎂、鋅和稀土元素等對鋁合金組織、性能的影響機(jī)制，結(jié)合銅、鋁金屬液凝固特性，在合金化條件下，調(diào)節(jié)拉速、熔點(diǎn)、凝水等參數(shù)，研制出了銅包鋁合金復(fù)合母線。”團(tuán)隊(duì)成員、中國電科院前瞻技術(shù)研究室主任丁一介紹。
與純銅材料的母線相比，銅包鋁合金復(fù)合母線有效節(jié)銅55%以上，且電氣、機(jī)械性能無差異，綜合降本30%以上。2022年9月，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了以干燥空氣為絕緣介質(zhì)的封閉主導(dǎo)電回路技術(shù)，在完全取代六氟化硫氣體、保證絕緣要求的同時減小對環(huán)境的影響。
目前，團(tuán)隊(duì)研制的銅包鋁合金復(fù)合母線已經(jīng)安裝在浙江臺州的3臺電力環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部，確保環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)電流正常流通，提高供電可靠性。安裝此種母線的電力環(huán)網(wǎng)柜已安全平穩(wěn)運(yùn)行6個月。(田一、聶京凱、樊超)
作者：田一、聶京凱、樊超
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