高导电率耐热铝合金导体材料研发及导线研制技术报告

1、高导电率耐热铝合金导体材料研发及导线研制技 术 报 告二一五年二月目 录目录技 术 报 告11 绪论21.1 研究背景21.2线路增容技术的研究现状31.3耐热铝合金导线的应用51.4项目的研究内容52、耐热铝合金单线工业化生产及研制62.1耐热铝合金的耐热机理62.3耐热铝合金的电气特性72.4耐热铝合金导线的工艺流程72.5耐热铝合金单线的拉制83、耐热铝合金导线设计及研制103.1耐热铝合金导线的设计103.2耐热铝合金导线的研制134、导线的施工165、结论181 绪论1.1 研究背景随着社会和经济的发展，电力负荷供应增加迅速。很多线路的电力输送容量接近或者超过了设计值。电网的线路电能

2、输送容量亟待提高。针对这一情况，目前采取的措施主要有两种：一是扩建新电力线路，通过提高电力输送通道的个数，提供总电能输送容量。二是在原有线路走廊上进行旧线路改造，通过增大导线截面积，提高导线的运行温度等方式，提高总的电能输送容量。对于土地资源较多、地价较为便宜、输电走廊征地较为容易的地区，采用新建线路的方式较多。而对于土地资源奇缺、地价较高、输电走廊征地较为困难的地区，不得不考虑采用旧线路改造的方式实现电能输送容量的提高。土地资源是不可再生资源，是有限的资源。社会发展对土地资源的需求是持续的。土地资源的有限性和社会发展的持续性是一对矛盾。目前，这一矛盾在电网扩建、输电走廊征地等方面表现出来。未

3、来，该矛盾将会更加突出。因此，如何最大限度的使用来之不易的走廊资源，提高送电线路的电能输送容量，是电网发展的一个重要研究方向。1.2线路增容技术的研究现状线路输送容量的增大，受诸多因素的制约，其中最主要的因素为：导线的电阻特性和导线机械强度特性。当线路输送容量增大时（通过导线的电流增大时），因为导线电阻的存在，输电线路上的热损耗增加，导线温度升高。由于金属材料具有软化特性，当导线温度升高到一定程度后，导线材料的机械强度残存率会迅速下降，即此时线路导线存在较大的断线风险。为保障线路正常运行、供电可靠，在导线参数(导线的电阻特性和导线机械强度特性)一定的情况下，工程应用中引入“导线的最高使用温度”

4、的概念。在最高使用温度下，线路可以承载最大电流，输送最大容量。因此，欲提高线路输送容量必须减小线路电阻、改善导线的机械强度特性。虽然线路电阻的减小可以通过使用低电阻率的导电材料，或者使用截面积更大单位长度电阻更小的导线等方式实现，但是实际中减小线路电阻的方式并不具备普适性。这是因为金属材料电阻率差别不显著（银1.65×10-8，铜1.75×10-8，铝2.83×10-8，钨5.48×10-8，铁9.78×10-8），更换导电材料引起的电阻变小对线路输送容量提供的贡献较小，在线路上更换截面积更大的导线引起的重量增加，往往会超出原有杆塔的机械承载。

5、改善导线的机械强度特性，提高导线的最大使用温度是目前线路增容的主要手段。目前，输电线路中大量采用的导线为钢芯铝绞线ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced)。钢芯铝绞线由钢芯和硬铝构成。钢芯主要起机械承载作用，硬铝主要起导电作用，同时还承担了部分机械载荷。由图1可知，硬铝材料的软化特性较差，为保障钢芯铝绞线的可靠工作，一般要求钢芯铝绞线的最高允许温度不大于90。由此可见，钢芯铝绞线不能满足现有线路增容改造的需求。随着对电力需求的增涨和材料科学技术的不断进步，与钢芯铝绞线对应的各种增容导线应运而生。“增容导线”目前尚不能算作为专有术语，而是一种习惯称谓。行

6、业内也将其俗称为“倍容量导线”或“高温导线”。架空输电线路增容导线是在架空输电线路上使用的特种导线，它是对在相同导体截面的情况下，相对于传统钢芯铝绞线能输送更多电能的若干种类导线的总称。增容导线包括耐热铝合金导线、钢芯软铝绞线、复合材料合成芯导线等种类。大约在20世纪60年代，日本开发出耐热铝合金导线（Heat Resisting Aluminum Alloy Conductor）1；与此同时，美国和加拿大开发出了另具特色的钢芯软铝绞线（Aluminum Conductor Steel Supported，ACSS）2，3。上述2种导线均得到了大量应用。80年代，日本的耐热铝合金导线已形成较为

7、完善的系列，包括钢芯耐热铝合金绞线（Thermo-Resistant Aluminum Alloy Conductor Steel Reinforced，TACSR）、钢芯超耐热铝合金绞线（UTACSR和ZTACSR）、钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR）、铝包钢芯耐热铝合金绞线（TACSR/AC）、铝包钢芯超耐热铝合金绞线（UTACSR/AC和ZTACSR/AC）以及铝包钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR/AC）、殷钢芯超耐热铝合金绞线（ZTACIR）和殷钢芯特耐热铝合金绞线（XTACIR）、间隙型钢芯耐热铝合金绞线（GTACSR）和间隙型钢芯超耐热铝合金绞线（GATACSR）等。日

8、本已成为世界上该领域技术领先的国家。耐热铝合金导线的典型代表是钢芯耐热铝合金绞线TACSR，导线的铝线股采用耐热铝合金材料制成。它的机理是在普通的金属铝中添加了金属锆等成分，这样制成的铝合金材料，提高了材料的再结晶温度，使其能在较高的温度下不降低机械强度。1.3耐热铝合金导线的应用国内九十年代前的耐热导线全部依赖进口。自武汉电缆厂研制出58%IACS耐热导线后，部分取代了进口。1986年首先在安徽繁昌500kV变电站采用1440mm2耐热铝合金钢芯绞线作为母线，取得明显的技术效果和经济效益。2001年深圳市南山电厂、月亮湾电厂送出工程的两回路扩容改造，使用国产400/35耐热铝合金钢芯绞线代替

9、原来的普通钢芯铝绞线LGJ400/35。在铁塔基本不变的前提下，不仅使载流量从原先的1296A/227 MW提高到2026A/356MW，提高了45%（仅升温到110），而且为今后的扩容改造留了相当的余地。整个改造费用实际只用300万元，比不采用耐热导线预计费用1000万元减少700万元，经济效益显著。2002年，上海吴泾-杨思线路改造，首次采用特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司的耐热导线产品TACSR 400/65，双回路30公里，使用至今运行状况良好。2003年，云南小龙潭-开远也采用特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司的耐热导线产品TACSR 400/50，累计120多公里，现已架设完毕，运行

10、良好。相信随着电力工业的不断发展，对特种导线的需求也会越来越大，耐热铝合金导线会得到更大的应用和发展。1.4项目的研究内容本项目以高导电率耐热铝合金导体材料研发及导线研制为目标，开展了如下工作：1） 耐热铝合金单丝工业化生产及研制2）耐热铝合金导线设计及研制3）耐热铝合金导线工程示范应用2、耐热铝合金单线工业化生产及研制2.1耐热铝合金的耐热机理铝材中添加金属锆能提高铝材的耐热性能，这主要是由于添加了金属锆以后铝材的再结晶温度得到了提高。从金属学上的耐热机理来分析，金属经过冷加工以后会提高机械性能，其机械性能相应恢复到冷加工以前的退火状态。这种铝合金的耐热机理与一般金属的耐热机理类似，提高耐热

11、性能就是要设法防止畸变能的减少，使其机械性能不至于因温度升高而受损失。由于固溶体锆（Zr）自身转位的微观运动受到较大的障碍而形成的耐热效果。耐热铝合金的原理分析：熔入锆的铝液中，由于锆的加入，铝材的再结晶温度提高。在新合金中分布有一定数量的弥散的第二相粒子，分析成分为AL3Zr,可钉扎位错晶界。阻碍晶内滑移和晶界滑移，同时降低晶内及晶界扩散速度，因而强化了合金，提高了蠕变抗力及阻碍了蠕变裂纹扩散。2.2耐热铝合金的机械特性导线耐热性能的提高意味着容许使用温度的提高，当初开发的耐热铝合金导线中所使用的耐热铝合金导线（TA1）的连续及短时容许温度分别为150及180。作为架空输电导线，决定其容许使

12、用温度时，一般以导线加热一定时间后回复到常温机械强度的残存率为90%来作为考虑依据。材料的机械强度残存率与加热温度及时间的关系又称为材料的软化特性，图一是耐热铝合金线（TA1）和普通硬铝线（HA1）的短时间软化特性曲线。从图一可见，1小时加热时间后的机械特性，耐热铝合金线（TA1）要明显优于普通硬铝线（HA1），这说明了前者的耐热性能明显优于后者。图二是耐热铝合金线（TA1）和普通硬铝线（HA1）的长时间软化特性曲线。从图二可见，加热1000小时回复到常温时，耐热铝合金单线仍能保持90%以上的机械强度残存率，而普通硬铝线如要保持同样的机械强度残存率，则加热时间不能超过10小时。因此从长时间软化

13、特性更能说明耐热铝合金单线的耐热性能明显优于普通硬铝线。作为架空输电线路所用的导线，其蠕变特性是影响线路安全运行很重要的指标。试验表明，无论是常温还是高温，耐热铝合金线（TA1）和普通硬铝线（HA1）均保持有相同程度的蠕变特性。对于耐腐蚀来说，经过试验室盐雾试验和室外曝露试验，确认耐热铝合金线（TA1）和普通硬铝线（HA1）没有太大的差别。2.3耐热铝合金的电气特性虽然耐热性能有了很大的提高，导线载流量也有了相应的提高，但是由于它的导电率比普通钢芯钢芯铝绞线低，而且使用温度越高、电阻越大，在钢芯耐热铝合金绞线问世早期，推广应用受到一定的影响。通过我们进一步的研究，优化配方设计，提高了耐热铝合金

14、的导电率，使之提高到61%IACS，既有耐热铝合金的耐热性能，又有高导电铝合金的优点。2.4耐热铝合金导线的工艺流程铝锭高炉保温炉连铸连轧锆合金大拉机绞线机钢芯成品2.5耐热铝合金单线的拉制线材的拉制是一个传统的工艺过程，近几年来由于相关行业的技术创新，在拉线模具、润滑油、拉线设备等方面都有了显著的进步，同时在拉线理论研究方面也有不断创新，这些都为耐热铝合金单线的工业化生产奠定基础。2.5.1质量缺陷的控制针对不同规格的耐热铝单线，铝合金杆的强度控制是不一样的，拉线工序应该认真核对铝合金杆的标识牌和检查铝杆的外观质量，避免材料混用。相对于拉线工艺的技术进步，我国铝杆连铸连轧工艺与三十年前的基本

15、技术大致相同，改变不大。目前在连铸连轧过程中耐热铝合金杆产生的局部缺陷还不能完全消除，常见的缺陷有氧化物夹杂、浇铸缺陷、轧制缺陷和氢脆等。拉线工序不只是一个加工过程，还要承担发现和排除耐热铝合金杆中缺陷的功能。2.5.2拉线润滑及润滑系统的管理拉线过程中会产生大量的铝屑和铝灰，同时铝杆不可避免的会带入一些杂质和冷凝水进入润滑油；高速拉线产生的局部高温将逐步使润滑油品质下降。完善的润滑系统及其有效的管理，是保障优质、高速、大批量拉制铝线的条件。为了避免润滑条件的快速恶化和保证铝单线的表面质量，润滑系统应考虑以下方面：应选用黏度低、抗极压性好、热稳定性好的高品质润滑油。系统中增加独立工作的压滤机，

16、根据润滑油的黏度状况，适时的除去不能沉淀的铝灰及灰尘。润滑油的工作温度能实现自动控制，保障润滑油始终工作在最佳的温度区间。实践证明：绝大部分的铝屑、铝灰等杂质均产生在头两道模具和滚筒上，对这两道模具设置单独的小润滑油循环系统，可极大的改善主润滑油系统的工作状况，确保铝单线的表面质量，而小的润滑油系统可适时的换油处理。在高速拉线时润滑油的宏观温度虽然不高，可是在模具与线材的接触点处的温度，比我们可以想象的温度要高得多，其足以将基础油及部分添加剂分解，长期运行将导致润滑油品质下降。应适时的对润滑油进行沉淀、分离和补充新润滑油，使润滑油循环系统可靠工作。铝线拉制时同时存在着流体润滑、边界润滑和极压润

17、滑，并且随工况的改变将分别起主导作用。流体润滑时摩擦面的压力完全由润滑油膜承担，摩擦系数极小，油膜的厚度在6微米以上；当温度和摩擦面的压力进一步上升，就有铝材和模具材料的微凸部分接触，摩擦系数为0.1-0.01，油膜的厚度约06微米；当工况进一步恶化时就会出现极压润滑状态的拉线，这种润滑状态下的铝线拉制是不安全的。2.5.3模具及配模由于目前我们采用的是高速拉线和循环润滑，并且期望在保证铝线表面光滑的前下铝线表面的油膜最薄。为了满足上述条件和目的，除了润滑油的配方及循环系统要点考虑外，在选择模具材料、模具孑L型和配模时，也要保障边界润滑状态处于拉线润的主导地位。碳化钨模具价格便宜，并有着很好的

18、表面特征，被普遍用于铝线的拉伸，但长期工作在边界润滑和极压润滑状态下的磨损较快，铝线直径控制的精度差，不适应作为成品出线模使用。采用02微米级人造金刚石微粉制成的聚晶模，可保证边界润滑条件下铝材高速拉伸时的线材表面质量，并有保证铝线直径长期高精度控制的特点，是目前高速铝拉线的首选成品出线模具。模具的孔型主要是依据变形量、拉伸速度、摩擦系数和铝材强度等因素计算确定的。模具的变形区全角可取24º-26º、定径区长度取01d(d为被拉线材的直径mm)，其他尺寸可按惯例选取。连续滑动式拉线机也适用于高速拉制铝线，但滑动量控制的不好就会产生极大的负面作用。滑动的传递与累积过程在低速拉

19、线时表现为线材的运动存在加速度；在高速拉线时表现为线材的轴向与径向存在高频振动。上述非匀速过程导致的结果是g每道模具上的拉力远远大于正常需要的拉伸力。当滑动与传递的条件较差时，附加的拉力会变得非常突出，铝线将会产生直径不均匀，严重的会产生单线内部拉伤。总之，每道次的滑动量只需涵盖设备和模具等因素的最大偏差之和即可，偏大的滑动量是百害而无一益的。在良好的工艺状态下，考虑模具的制造和计量误差、拉线轮直径偏差及跳动、非模拉伸变形、转速比与线速比修正等因素，每道次的滑动系数取101即可(拉线轮非等径式拉线机每道次的滑动系数取1015)。在拉线机的滑动量控制方面，需要解决的另一问题是：定速轮单独驱动的拉

20、线机存一些疵病，原因是定速轮电机和主电机的速度跟踪与修正，不是依据实际的末道模具延伸率，而是在程序中根据跳拉线轮的个数计算出的末道速比，由此而产生的量值很大的滑动将会传递和影响到每一道模具。2.5.4单线表面质量的控制铝线的表面质量是拉线工序设备、工艺、操作、管理、模具等多方面水平的综合反映，每个细节都应仔细观察和深入分析。目前流行的连续滑动式铝大拉机为高速拉制铝单线提供了物质基础；定速轮单独驱动也为拉线时更换规格带来了方便；双盘收线提高了生产效率。在利用这些新技术的同时有必要认真分析新技术带来的负面影响。铝单线的表面是否直径均匀、光滑、圆整、无油、无铝灰，由拉线过程决定，尤其是成品出线模的孔

21、型及其延伸率来决定。铝单线的表面擦伤、划痕主要出现在定速轮及后续的导轮上。定速轮上没有润滑措施，所以定速轮上的铝单线决不允许存在径向滑动，而且轴向的移动必须采用分线轮进行。分线轮的底槽加工误差大或者安装不当，线材就会因滑动而产生擦伤。特别应注意的是：当定速轮上铝单线产生的摩擦拉力小于出线模所需要的拉伸力时，就会发生定速轮上的铝单线滑动，从而导致铝单线的连续严重擦伤。在双盘收线过程中，铝单线不是在一个平面内运动并且存在着较大的跳动，这就要求所有的导轮都保证动平衡、质量轻、开口大、底槽光滑。总之，要从多方面考虑消除铝单线擦伤的隐患。2.5.5耐热铝合金单线的检验为保证产品质量，每批铝合金单线进行抽

22、检，检验合格后，方可流入下道工序。单线检验报告见附表1。3、耐热铝合金导线设计及研制3.1耐热铝合金导线的设计3.1.1结构确定依据GB/T1179-2008确定JNRLH61/G1A-300/40钢芯耐热铝合金绞线结构为，1级强度钢芯：2.66mm/7根（直径/根数），按1+6进行绞合；硬铝线：3.99mm/24根（直径/根数），按9+15进行绞合。3.1.2结构示意图如下3.1.3性能参数计算1）额定拉断力钢芯耐热铝合金绞线的额定拉断力为钢芯拉断力与铝线拉断力的总和，为安全起见，钢芯的强度取1%伸长时的应力。P=anaafa+bnb1%fb=1×24×159×

23、3.99×3.99×0.7854+1×7×1140×2.66×2.66×0.7854=92.05kN式中：a、b强度损失系数 na、nb耐热铝合金、钢单线根数 fa、fb耐热铝合金、钢单线截面（mm2) a耐热铝合金抗拉强度（MPa） 1%镀锌钢线伸长1%伸长时的抗拉强度（MPa）2)导线20时的直流电阻导线的直流电阻一般按每公里长度的电阻来计算。是计算载流量的一个重要参数R20=20mNd24=28.264×1.020824×3.14×3.9924=0.0961/km式中：20导电线材的电阻率

24、 nm m平均绞入系数 N单线的总根数 d单线直径（mm）3）弹性模量的计算按电线电缆手册推荐的公式计算：E=Eg+0.85kEa1+k=200900+0.85×24×3.9927×2.6621+24×3.9927×2.662=70.5GPa式中：Eg钢线的弹性模量 Ea铝线的弹性模量 k铝钢截面比4）线膨胀系数按电线电缆手册公式计算：=gEg+kaEaEg+kEa=11.5×11.5-6×200900+24×3.9927×2.662×23×10-6×65660200900+

25、24×3.9927×2.662×6566019.4×10-6(1)式中：Eg钢线的弹性模量 Ea铝线的弹性模量 k铝钢截面比 g钢线的线膨胀系数 a铝线的线膨胀系数5）单位长度质量绞线重量一般按每公里的重量来计算，称为单位重量（W）。单位长度重量是电线生产和电力线路设计所需的重要参数。W=d24Nm=3.14×3.9924×24×1.0208×2.703+3.14×2.6624×7×1.0043×7.78=1131.0kg/km式中：W单位重量d单线直径N单线根数m平均绞入系

26、数密度6）导线载流量架空导线载流量是电力线路计算传输容量的重要参数。导线载流量取值过高，则导线发热严重，导致导线的强度损失较大，降低了导线的使用寿命。若载流量取值太小，则不能充分发挥线路的经济效益。故应综合考虑，采用合理的载流量取值。导线载流量的大小主要与导线本身的电阻、外径、允许使用温度、环境温度、风速和日照强度等因素以及 导线的结构、表面状态情况有关。在计算载流量时，根据IEC国际标准取值规则，环境温度取40、风速0.5m/s、日照强度1000W/m2，由于使用的是耐热导线，长期使用温度取150。I=WR+WF-WSRact=SD+ta+2734-ta+2734+9.92VD0.485-s

27、IsDRdct+R1+R2=1142（A）式中：WR单位长度的辐射散热功率WF单位长度的有风对流散热功率WS单位长度的日照吸热功率Ract导线t时的交流电阻导线表面的辐射系数S史蒂芬-包尔茨曼常数ta环境温度D导线外径V垂直导线的风速Rdct导线t时的直流电阻R1由磁滞和涡流引起的电阻增量R2由集肤效应和邻近效应引起的电阻增量3.2耐热铝合金导线的研制3.2.1项目技术论证3.2.1.1本公司有多年生产架空导线的实践经验，生产设备和试验检验设备比较完善。拥有4台54盘JLK-630框式绞线机、2台54盘JLK-710框式绞线机、1台84盘JLK-630框式绞线机和6台高速铝拉机；检测设备拥有双

28、臂直流精密电桥、数显智能拉力试验机、卷绕扭转试验机、蝶式引伸仪等设备仪器。特别是近几年来，公司加大技术改造和技术人才的引进，加强员工操作技能培训，制造技术能力有了明显的提升，产品质量可满足ASTM、IEC、EN、GB等标准的要求，得到各领域用户的一致好评。所以本公司完全具备了生产钢芯耐热铝合金导线的硬件条件。3.2.1.2本公司对钢芯铝绞线的生产有着完善的技术工艺和质量管理制度以及丰富的生产管理制度。在产品生产的质量控制过程中建立了整套原材料控制、现场工艺检查、首件检验制度、质量跟踪等管理规范。以原材料采购质量和进厂检验为重点、以工艺技术执行力检查为突破口、以首件质量检验为保证手段，坚持“三检

29、”，层层把关。从而使半成品和产品导线的机械电气性能和表面质量始终处于产品质量的受控状态，确保织造产品的交货质量，始终以用户满意为准则。这是本公司所具备的生产钢芯耐热铝合金导线必要的软件条件。3.2.2技术方案通过对本项目的分析和研究，制定了技术方案并进行了技术论证，在次基础上制定了项目主要解决的技术难题和工艺保障措施以及实施计划如下：3.2.2.1技术方案由主管工程师编制并提出，由总工程师组织项目部、技术中心、品管部、物资部等职能部门共同讨论进行论证，将最后确定方案由技术中心和制造部、品管部、物资部等部门按各自分管的内容分头实施，在实施过程中对照工作计划与实施进度进行对比检查，实施难点和突发性

30、问题及时解决，确保方案落到实处。3.2.2.2工艺方案的选择1）电工铝杆采用连铸连轧生产方式（监制）2）选用非滑动式分电机型线拉线机拉线，自动计米，定尺下线。3）成品导线在装有预扭和型线定位防扭转装置的630/12+18+24+30四段框式绞线机上一次绞制成型，自动计米，定尺下线。铝锭高炉保温炉连铸连轧锆合金大拉机绞线机钢芯成品3.2.2.3工艺流程3.2.3技术准备3.2.3.1工艺准备（1）根据钢芯耐热铝合金导线的试制方案，编制了拉线、绞制的各个工序的实施方案。（2） 检查并完善了生产操作所需的工模具，如：拉线用操作工具和拉线模；绞线用操作工具和线嘴、导轮、压模、预扭装置等。检查补齐所有生产操作所需的工装模具。3.2.3.2设备工装准备公司生产设备部和维修人员为JKL-630/12+18+24+30框式绞线机每段绞笼安装了预成型装置。为保证每根单线绞合时都受到均匀一致的张力，维修人员调试了每盘的张力控制系统，确保绞后的导体紧密、圆整、均匀；为保证导体的表面质量，对框绞机的所有穿线嘴采用氧化铝刚玉陶瓷，并对牵引轮进行磨光处理。为保证型铝单线的质量要求，公司从