耐热铝合金导线在输电线路中应用与发展

耐热铝合金导线在输电线路中应用与发展

【Summary】在同等规格条件下耐热铝合金导线比普通钢芯铝合金绞线输送更多的电能，承受更高的温度，并能节约基建投资，经济效益明显，广泛应用于远距离超高压、变电站建设、旧网改造等等方面，节能降损效果显著。【Keys】耐热铝合金导线；性能特点；经济效益；随着经济的快速发展及人们生活水平的提高，对电力的需求也出现急剧增长，输电线路开始向大容量方向发展，这就要求增大导线的输电容量。1983年以前，我国铝导体的导电性能波动较大，铝导体电阻率的国家标准为59.5%IACS。进入2010年以来，在特高压、远距离、大容量输电工程建设以及电网建设注重输电线路“节能降损”的战略促进下，我国的电工铝线制造技术及能力获得新发展，特别是大截面900/40(75)、1000/45(80)及1250/70(100)钢芯铝绞线，要求铝单线抗拉强度σ≥172MPa（其强度极差不大于25MPa）、导电率≥61.5%IACS以及节能型导线的铝单线导电率≥62.0、62.5及63.0%IACS的要求，通过降低电工铝导体的电阻率，降低线损，带来巨大的节能效果。耐热铝合金作为一种性能良好的特种导线，在我国城网增容改造、变电站建设以及一般线路上具有良好优势。1.耐热导线的耐热机理通常铜、铝等金属导体材料在通电后由于电阻作用导致材料温度升高，降低了其机械性能，从而影响导线的输电能力。因此，为提高铜铝导电材料的耐热性能，国外从上世纪40年代开始研究，寻求一种能提高其耐热性能的材料。研究表明，在铝中添加少量锆制成铝合金，可提高其耐热性，而对导电率的影响可控制在最小的范围内。为什么在铝材中添加金属锆能提高铝材的耐热性能，这主要由于添加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，一般来说，金属经过加工以后会提高机械性能，这是因为由冷加工引起的原子空格、转位等各种晶格缺陷产生了畸变能的缘故，这种晶格缺陷使金属隐含着热力学上的不稳定，随着温度的提高，原子的热振动能量也随之增加，使上述的晶格缺陷容易移动，进而使金属内部积累的畸变能逐渐减少，使其机械性能相应恢复到冷加工以前的退火状态，这种因金属温度提高而产生的原子转位。晶格缺陷移动现象的恢复称为再结晶退火。这项研究成果始于1950年，最早由美国提出。从1960年开始，这种铝合金受到日本导线设计人员的广泛重视，并得到了系统的研究和开发。锆元素既能提高铝的再结晶温度，又不大降低其导电率。99.0%的工业纯铝的再结晶温度为185℃，而含有0.1%Zr的铝－锆合金，其再结晶温度在320～330℃，使其再结晶温度提高了140℃左右。2.耐热铝合金导线的性能比较分析耐热铝合金导线作为架空输电导线，决定其允许使用温度时，一般以导线加热一定时间后回复到常温时机械强度的残存率为90%来作为参考依据。材料的机械强度残存率与加热温度及时间的关系又可称为材料的软化特性，图1为耐热铝合金（TA1）和普通硬铝线(HA1)的短时间（1h加热时间）软化特性曲线。图1软化特性曲线从图1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)，说明了前者的耐热性能要优于后者。作为架空输电线路导电材料，其蠕变特性也是影响线路安全运行的重要指标。图2为耐热铝合金（TA1）和普通硬铝线(HA1)的蠕变特性曲线。（）图2蠕变特性曲线从图2可见，无论常温还是高温，耐热铝合金和普通硬铝线均保持相同的蠕变特性。对于耐腐蚀性经过实验室盐雾试验和室外大气暴露实验，确认耐热铝合金和普通硬铝线没有大的差别。3.耐热铝合金导线的工艺与开发到目前为止，尽管耐热铝合金的品种较多，但从合金系来看，均属于铝－锆合金系，由于含锆量、其它添加元素种类和含量不同，耐热铝合金线的制造工艺也有所不同。制造耐热铝合金杆的关键在于连续浇铸，随着合金熔液(合金化铝液)浇铸温度的增加，连续浇铸得到的铸坯，其缺陷产生的可能性越大，这将大大增加后续轧制和拉丝工序产生断线的几率。为了生产合格的耐热铝合金线，基本都需要进行热处理，目的在于控制其微观组织，使Al3Zr等颗粒在基体上充分析出且弥散分布。如果合金杆或合金线中的析出物呈条状甚至块状，将影响成品线的最终性能，因此必须对其合金成分、加工工艺和热处理工艺进行调整。当然，生产耐热铝合金线也可以不进行热处理，这样省时、省工并降低成本，但必须保证其性能应满足相关标准的技术要求。目前，耐热铝合金线主要分为高导电、高强度、超耐热、特耐热等四种。实际工程中使用较多的是高导电(60%IACS)耐热铝合金线和高强耐热铝合金线(抗拉强度240MPa，导电率55%IACS)两种，而导电率为58%IACS的耐热铝合金线已基本淘汰。耐热铝合金导线主要用于高压和超高压架空线路上，作为大容量导线、大电流地线、大跨越导线和变电站用的大电流母线使用；此外在老旧线路改造中亦可使用耐热铝合金导线，这样可在不改变铁塔高度、不改变线路走廊的条件下，只更换导线，即可使线路容量增加50%以上，从而获得好的技术经济效果。4.国内耐热铝合金线的应用由于耐热铝合金导线比同样规格的普通钢芯铝绞线能输送更多的电能，在它问世后不久即受到人们的关注，并随着性能的不断提高和品种的不断增多，数十年来其应用得到了很大的发展。4.1耐热铝合金导线特点：（1）输送容量大，机械外荷载小，较大幅度减少导线、铁塔、基础、绝缘子工程量，降低初投资（2）国产耐热铝合金导线使用近十年，运行情况良好（3）采用耐热铝合金导线节约基建投资，但增加运行成本（4）在极限输送容量时，耐热铝合金导线的温度为100℃，ACSR为70℃，而耐热铝合金导线的温度可使用到150℃，ACSR到80℃增加线路输送容量的解决方案多种多样，图3从导线的角度对这些方案进行了归纳。图3增加线路输送容量的解决方案架空线路上采用耐热铝合金导线，提高导线的运行温度是达到大容量输电的办法之一。将耐热合金线与不同的加强芯材料进行组合，可以构成不同的大容量耐热铝合金导线。4.2国内对耐热铝合金的应用2005年，根据工程需要，我国生产出符合三峡跨江大跨越导线要求的高强度耐热铝合金线。此高强度耐热铝合金线的抗拉强度可达252MPa以上(绞后)，比普通纯铝线及60%IACS耐热铝合金线的强度高66%左右，比55%IACS高强度耐热铝合金线(AT2、原KTAl)的强度高17%左右。高强度耐热铝合金线适用于跨江大跨越、大容量的线路，严重覆冰区、山谷条件下的导线及超高压线路上的导线和地线，可显著提高输送容量和线路的安全性，并能节约大量的金属材料和基建投资。5.结束语耐热铝合金导线具有较高的性价比，可以明显降低线路的综合造价，并有利于线路的安全运行。但是耐热铝合金导线的线损会有一定的增加，在大规模长距离输电使用耐热铝合金，应加大导体截面，推荐在70～90℃运行，以减小线损，利用导线的耐热性能使得线路安全系数增大，有效降低灾害发生。各类铝合金均有独自的特点，