11耐热铝合金导线的耐热机理及其在输电线路上的应用

耐热铝合金导线的耐热机理及其 在输电线路中的应用 尤传永 （国电电力建设研究所，北京市，100055） 摘要:随着电力工业的飞速发展，输电线路需要使用大容量、耐高温的导线，本文对耐热铝合金导线的耐热机理进行了探讨，对耐热铝合金导线的种类和性能以及在输电线路中的应用进行了和介绍，并对今后加速发展和应用耐热铝合金导线提出了建议。 关键词:耐热铝合金导线  耐热机理  载流量  软化特性  机械强度残存率 1  前言 随着国民经济的飞速发展，我国电力工业有了突飞猛进的进步。根据“西电东送、南北互供、全国联网”的战略部署，远距离、大容量输电线路的建设势在必行，同时也向架空输电导线提出了更高的要求。作为提高输电容量的对策，主要是从两个途径解决，一是提高输电电压，二是提高输电电流。在电压一定的前提下，提高输电电流密度，即提高导线单位面积的输电容量就显得十分重要。目前我国架空输电线路所使用的导线基本上仍旧是传统的钢芯铝绞线（ACSR），由于其耐热性能相对较弱，因此线路的输电容量受到一定的限制。毋庸置疑，开发研制新型耐热导线并加以推广应用将具有很大的经济意义。 2  耐热导线的耐热机理 众所周知，铜、铝等金属导体材料通电以后会随着自身温度的提高，同时降低其机械性能，因而大大影响了输电能力的提高。 国外，从上世纪40年代起，美国等工业先进国即开始研究输电导线材料的耐热机理，并努力寻求一种能提高铜、铝等导电材料耐热性能的方法，也就是使导线处于高温状态下也不至于降低机械强度，保持其良好的使用性能。人们通过研究发现，在金属铜里加入少量的银即有明显的耐热效果，并开发出被称为Hy-Therm-Cupper的耐热铜导线。其后，人们对架空输电导线所大量使用的材料金属铝的研究又取得了新进展。 美国General Electric Research Laboratories 的Mr.R.Herrington 通过研究首先发现：在铝材中适当添加金属锆（Zr）元素能提高铝材的耐热性能，并于1949年发表 “The  Effect  Of  Single Addition Metals On The Recrystallization Electrical Conductivity And Rupture Strength Of Pure Aluminum” (TRANS .ASM 41.443(1949) )。该项发现受到国际上相关专业人士的关注和重视。尤其是日本在开发和研究耐热导线方面取得较大进展，开发出在铝中添加0.1%左右的锆的耐热铝合金导线，并于上世纪60年代初开始在输电线路实际应用。耐热铝合金导线一经问世即显示出巨大的生命力，以最基本的耐热铝合金导线—钢芯耐热铝合金绞线(TACSR)为例，其连续运行温度及短时容许温度比常规钢芯铝绞线(ACSR)要提高60℃，分别为150℃及180℃，因此大大提高了输电能力。 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，一般来说，金属经过冷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性，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，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。 在开发耐热铝合金导线的初期，专家认为这种铝合金的耐热机理与一般金属的耐热机理类似，提高耐热性能也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。所谓亚结晶粒成长，即向亚结晶晶粒边界析出细微的Al3Zr能防止再结晶的产生。因此，细微的Al3Zr析出越多，其耐热性能越好。但是，这种观点一般是对长期处于400 ℃以上高温状态的金属而言，象架空输电导线这种工作温度一般不超过200 ℃ 的场合，其耐热性能与其说由细微的Al3Zr起作用，不如说是由于固溶体锆(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。 3  耐热铝合金导线的性能 日本输电线路实际应用耐热铝合金导线始于1960年，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线（TAl）的连续及短时容许使用温度分别为150℃及180 ℃。作为架空输电导线，决定其容许使用温度时，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可称为材料的软化特性，图1是耐热铝合金线（TAl）和普通硬铝线（HAl）的短时间软化特性曲线。 图1 短时间软化特性 从图1可见，一小时加热时间后的机械特性，耐热铝合金线（TAl）要明显优于普通硬铝线（HAl），说明了前者的耐热性能要优于后者。 图2 　长时间软化特性 图2是耐热铝合金线（TAl）和普通硬铝线（HAl）的长时间软化特性曲线。从图2可见，加热1000小时以后回复到常温时，耐热铝合金线仍能保持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，从长时间软化特性更能说明耐热铝合金线的耐热性能要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。图3是耐热铝合金线（TAl）和普通硬铝线（HAl）的蠕变特性曲线。 图3　蠕变特性曲线 从图3可见，无论是常温还是高温，耐热铝合金线（TAl）和普通硬铝线（HAl）均保持有相同程度的蠕变特性。 对于耐腐蚀性来说，经过实验室盐雾试验和室外大气曝露试验，确认耐热铝合金线（TAl）和普通硬铝线（HAl）没有大的差别。 作为早期开发的耐热铝合金线（TAl），其最大的缺点是电阻率高于普通硬铝线（HAl），而导电率要低于普通硬铝线（HAl），为58%IACS。好的普通硬铝线（HAl）导电率能达到61%IACS。 在传统的钢芯铝绞线中用耐热铝合金线代替普通硬铝线就成了钢芯耐热铝合金绞线（TACSR）。虽然这种导线的耐热性能有了很大的提高，导线的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的问世早期，推广应用受到一定的影响。通过研究发现，能提高金属铝耐热性能的元素还有钛（Ti）和钒（V）。对金属铝导电率影响的程度以锆为最，钛和钒以顺序次之。但实用中耐热铝合金线还是以添加锆为主。导电率降低的程度大约为：每添加0.1%的锆，铝合金导电率降低约为4.1%。为此，有关专家又下功夫研究提高导电率的对策，主要通过提高铝材的品位，适当调整金属锆的含量，再添加适量的其它元素，同时改进加工制造工艺，经过十年坚持不断的努力，终于开发出导电率为60%IACS以上的耐热铝合金线（60TAl）。由此产生的钢芯耐热铝合金绞线称为钢芯60%导电率耐热铝合金绞线（60TACSR），并从1973年开始在输电线路上应用。早期的耐热铝合金线也可称为58%导电率耐热铝合金线（58TAl），钢芯耐热铝合金绞线也可称为钢芯58%导电率耐热铝合金绞线（58TACSR）。 如表1所示，60%导电率耐热铝合金线（60TAl）的耐热性能以及机械性能，与耐热铝合金线（TAl）是相等的，优点在于导电率有了提高。由于60%导电率耐热铝合金线具有差不多与普通硬铝线相同的导电率，因此后来钢芯60%导电率耐热铝合金绞线比钢芯耐热铝合金绞线应用得更加广泛。钢芯60%导电率耐热铝合金绞线和钢芯耐热铝合金绞线具有相同的耐热性能，连续容许使用温度均为150℃ 。 一般来说，导线的耐热性能和导电率是相反的特性，因此，单纯片面地提高耐热性能是不可取的，在实际输电线路中应将导线的导电率下降限制在允许使用的范围内。在上述前提下，经过研究，通过适当提高铝中锆的含量，再添加其它微量元素，调整加工工艺等措施，又开发出超耐热铝合金线（UTAl）。 表 1                        特殊铝合金线的性能 线 种 型 号 导电率(20℃ ) （%IACS） 抗拉强度 （MPa） 容许使用温度（℃ ) 连 续 短 时 耐热铝合金线 TAl 58 以上 158～183 150 180 60%导电率耐热铝合金线 60TAl 60 以上 158～183 150 180 超耐热铝合金线 UTAl 58 以上 158～183 190～200 220～230 高强度耐热铝合金线 KTAl 55 以上 218～262 150 180 硬铝线 HAl 61 以上 158～183 90 120             图4　  短时间软化特性 图5    蠕变特性曲线 图4为超耐热铝合金线与上述耐热铝合金线和普通硬铝线的一小时加热后的软化特性，从图可见，超耐热铝合金线的短时软化特性比耐热铝合金线还要优秀。超耐热铝合金线的长时软化特性具有相同的倾向。图5为超耐热铝合金线与耐热铝合金线的蠕变特性曲线。从图可见，超耐热铝合金线的常温和高温蠕变特性与耐热铝合金线大致相同。由表1可知，超耐热铝合金线与耐热铝合金线具有相同的导电率。由此开发出钢芯超耐热铝合金绞线（UTACSR）。这种导线比较适用于旧线路增容改造或新建大容量输电线路。 以上所述各种钢芯耐热铝合金绞线、钢芯60%导电率耐热铝合金绞线和钢芯超耐热铝合金绞线，它们的机械性能与普通的钢芯铝绞线基本相同。但是，随着线路建设的发展，遇到越来越多的大跨越或者大高差的场合，需要使用既能输送大电流、又能承受大张力的导线。为此，又开发出高强度耐热铝合金线（KTAl）。 众所周知，在铝材中添加若干金属元素（例如Mg、Si等），能提高其机械强度，同时也会降低其导电率。金属铝作为导电材料使用时，对于这些元素的添加要有所控制，尤其在高强度耐热铝合金线的场合，在兼顾高强度与耐热性的同时，更要对添加元素的种类有所选择和控制。因此，高强度耐热铝合金线（KTAl）是一种在不影响其导电性、耐腐蚀性等其它特性的前提下，优选和调整有关添加元素而开发出的新材料。由表1可见，高强度耐热铝合金线（KTAl）的耐热性与耐热铝合金线（TAl）和60%导电率耐热铝合金线（60TAl）相同，而它的机械强度与从来的高强度铝合金线（KAl）相同。在传统的钢芯铝绞线中用高强度耐热铝合金线（KTAl）代替普通硬铝线（HAl）就产生了钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR）。 另外，为了弥补钢芯耐热铝合金绞线和钢芯高强度耐热铝合金绞线导电率的不足以及提高防腐性能，用铝包钢芯代替普通钢芯，还开发出了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）和铝包钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR/AC）。若用高强度钢芯代替普通钢芯，则又有特强钢芯耐热铝合金绞线（TACSR/EST）、特强钢芯超耐热铝合金绞线（UTACSR/EST）和特强钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR/EST），以满足不同场合的需要。 表2列出了钢芯耐热铝合金绞线的一般特性，图6给出了不同截面积的钢芯耐热铝合金绞线对普通钢芯铝绞线容许载流量的倍数曲线。由表2和图6可见，钢芯耐热铝合金绞线的连续容许载流量大约为普通钢芯铝绞线的1.6倍，短时容许载流量大约为普通钢芯铝绞线的1.35倍。 表2         　 钢芯耐热铝合金绞线的一般特性 项 目 钢芯铝绞线 ACSR（810 mm2） 钢芯耐热铝合金绞线 58TACSR（810 mm2） 钢芯耐热铝合金绞线 60TACSR（810 mm2） 结 构 （根数/mm） 铝 HAl 45/4.8 58TAl 45/4.8 60TAl 45/4.8 钢 St 7/3.2 St 7/3.2 St 7/3.2 截 面 积 （mm2） 铝 814.5 814.5 814.5 钢 56.29 56.29 56.29 质 量 （kg/km） 铝 2259 2259 2259 钢 441.3 441.3 441.3 综合拉断力 （kN）） 180.9 (普通钢芯) 180.9 (普通钢芯) 180.9 (普通钢芯) 206.3 (特强钢芯) 206.3 (特强钢芯) 206.3 (特强钢芯) 外 径 （mm） 38.4 38.4 38.4 电 阻 （Ω/km） 0.0356 0.0374 0.0363 载流量（A） 连续 1238 （90℃） 1995 （150℃） 2007 （150℃） 短时 1683 （120℃） 2286 （180℃） 2297 （180℃）             图6  钢芯耐热铝合金绞线（TACSR）对钢芯铝绞线的容许电流比 ４  耐热铝合金导线的应用 由于耐热铝合金导线能比同样规格的普通钢芯铝绞线输送更多的电能，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扩大，数十年来它的应用得到了很大的发展。日本从1960年开始在输电线路实际使用耐热铝合金导线，除了变电站的母线早就全部使用耐热铝合金导线以外，发展到1990年时，日本的500kV输电线路的输电导线已经全部使用耐热铝合金导线。1997年在日本仙台市召开的国际大电网会议（CIGRE SC22 1997 SENDAI MEETING）上，日本专家仰木一郎等人发表的论文“Conductors for Overhead Transmission Lines In Japan”称：随着近年来电力需要的增大，使用大容量导线的必要性也越来越大，日本已经大量使用钢芯60%导电率耐热铝合金绞线（60TACSR）以代替普通钢芯铝绞线（ACSR），现在的使用量已经达到全国输电线路总长的70%。 美国、加拿大、法国在输电线路上使用耐热铝合金导线也有相当的数量，近20年来，东南亚地区耐热铝合金导线的使用量也有不小的增长。 我国应用耐热铝合金导线已有十余年历史，作为自主开发的国产品，在1986年，首先在安徽繁昌500kV变电站采用国产1440mm2钢芯58%导电率耐热铝合金绞线（NRLH58GJ）作为母线，取得了明显的技术效果和经济效益。500kV母线载流量达5500~6000A，如使用普通钢芯铝绞线，则需4根1440mm2的导线；而用耐热铝合金导线代替，仅需2根1440mm2的导线。而且母线上的耐张线夹、T型线夹和引流线夹等减少了50%，分裂间隔棒减少了75%，结点总数由840个减少到300个。另外，绝缘子串也由双串XP—16减少为单串XP—16，相应的绝缘子组装金具也减少了50%。加上工程量的减少，共计节约造价100万元。以后，在江苏徐州、上海南桥、黄渡、浙江瓶窑等地变电站大量采用了国产耐热铝合金导线。 最早作为输电线路增扩容量使用是在1995年，由武汉市供电局设计院承担对该市110kV英栖线路共4km进行扩容改造设计。该线路始建于1969年，随着城市用电负荷的增加，曾经经过数次改造。由单回路LGJ—95导线改为LGJ—120导线，运行若干年以后又改为双回路LGJ—150导线和LGJ—240导线。若再改造就需要更换全部铁塔，最后采用国产钢芯58%导电率耐热铝合金绞线（NRLH58GJ—240/30）更换旧导线，不仅使载流量从原来的445A提高到611A，而且原来的铁塔也未作更换，节约了大量经费。 其次是在2001年，深圳供电规划设计院承担对该市南山电厂、月亮湾电厂送出工程的南热I回、II回110kV线路进行扩容改造设计，线路全长8km，原使用导线为普通钢芯铝绞线（LGJ—400/35），最后确定采用相同规格的国产钢芯58%导电率耐热铝合金绞线（NRLH58GJ—400/35）更换旧导线，在铁塔基本不动的前提下，不仅使载流量从原来的1296A/227MW提高到2026A/356MW，载流量提高了45%（仅升温到110℃），而且为今后的扩容改造留了相当的余地。若不采用耐热铝合金导线更换旧导线，则需改造2基铁塔，新增20基铁塔，加上一个多月的，改造费用共计约需要1000万元。采用耐热铝合金导线后，工期大大缩短，从2001年1月24日开始施工，2月12日即开始送电。改造费用实际只用了300万元，节约700万元。经济效益十分明显。至今深圳地区采用耐热铝合金导线进行扩容改造的线路已达200 km。 另外在2001年，山东省220kV石平线路扩容改造工程，全长7.29km，用耐热铝合金导线（NRLH58GJ—400/50）更换旧导线（LGJQ—400/50），输电载流量由833A提高到1180A，节省工程费用130万元。其它类似的工程有：广东电力局的广东—佛山线路工程、万板线工程、银川供电局的水石线路工程、临汾供电局的乔北—临钢线路工程、宁夏电力局的青铜峡—平吉堡线路工程、苏州供电局的车松线工程等。 在城网线路扩容改造工程中，耐热铝合金导线的长处特别明显，尤其在线路狭窄地区，只需要更换相近截面规格的导线，基本上不需要更换铁塔即能满足强度和导线对地弛度安全的要求。从1995年到2002年，大约有2900吨国产耐热铝合金导线用在各类线路改造工程中，不仅节约了大量工程投资，而且提高了输电容量（40%—60%），产生了明显的经济效益。 目前，我国220kV以上的大跨越输电线路由于其强度的特殊要求，都采用钢芯铝合金导线系列的导线，除了少数几条跨越采用国产的钢芯铝合金导线以外，大部分都采用进口的钢芯铝合金导线。有若干条大跨越输电线路兼顾提高强度和载流量的双重考虑，采用了进口的耐热铝合金导线，例如哈尔滨的松花江大跨越、广东的珠江大跨越和上海的黄浦江大跨越等。 与先进的工业国家相比，我国在应用耐热铝合金导线的方面，发展较迟缓，尚有不少差距。多年来，我国输电线路随电力工业装机容量的迅速增长得到了飞速的发展，电力工业给国内制造业提供了极好的发展机遇和空间，输电线路建设中设备和材料的国产化率相对来说还是比较高的。但是，包括耐热铝合金导线在内的新型导线长期以来发展仍较迟缓。在特种导线方面，国内导线制造业从设备和技术上与国际先进水平相比较还存在不小的差距，产品品种也比较单一。笔者相信， 随着电力工业的不断发展，对特种导线的需求会越来越大，耐热铝合金导线会得到更大的应用和发展。 ５  结语 实践证明，耐热铝合金导线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、大跨越线路以及一般线路，都有它的用武之地，应该有更大的发展和应用。耐热铝合金导线还具有良好的性能价格比，目前，国产的耐热铝合金导线单价约为普通导线的1.58倍，由于它的载流量是普通导线的1.4~1.6倍，比使用普通导线的综合造价要低许多。另外，采用耐热铝合金导线使线路结构简化，金具及零部件数量减少，对线路的安全运行有很大的好处。综上所述，在输电线路上推广应用耐热铝合金导线具有显著的经济效益和社会意义。电力工业广阔的市场为国内导线制造业提供了良好的发展机遇，我们期待着有更多更好的国产耐热铝合金导线问世，也期待着有关部门给与更多的关注和支持。 参考文献 [1]  电气协同研究，第32卷，第1号，日本电气协同研究会； [2]  Conductor for Overhead Transmission Lines in Japan  [Conductors- OPGW]，  Ichiro Oogi， etc.  CIGRE SC22， 1997 [3]  岳保良，耐热导线在线路增容中的应用，深圳供电规划设计院，2001