耐热铝合金导线的耐热机理及其在输电线路中的应用.pdf

2 0 0 4年第 4期 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e|C a b l e 2 0 0 4年 8月 Au g，2 0 0 4 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 1 0 0 0 5 5)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 了分析和介绍，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；栽流量；软化特性；机械强度残存率 中图分类号：T M2 4 4 2 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 6 9 0 1(2 0 0 4)0 4 0 0 0 3 0 6 M e c h a n i s m o f t he h e a t r e s i s t a n t a l u mi n i u m a l l o y c o n d u c t o r a n d i t s a p p l i c a t i o n i n p o we r t r a n s mi s s i o n l i n e s L0NG Chu a n y o n g (Na t i o n a l El e c t r i c P o we r R e s e a r c h I n s t i t u t e，B e i j i n g 1 0 0 0 5 5，C h i n a)Ab s t r a c t：W i t h t h e d e v e l o p me n t o f t h e e l e c t r i c p o we r i n du s t r y，l a r g e c a p a c i t y，h e a t-r e s i s t a n t c o n d u c t o r s a r e r e q u i r e d b y t h e p o we r t r a n s mi s s i o n l i n e s Th i s p a p e r i n v e s t i g a t e s t h e me c h a ni s m o f t h e h e a t r e s i s t a n t a l u-mi n i u m a l l o y c o n d u c t o r s，p r e s e n t i n g a n d a n a l y s i n g t h e c a t e g o r y a n d p e r f o r ma n c e a s we l l a s t h e a p p l i c a t i on i n p o we r t r a n s mi s s i o n l i n e s o f t h e a l u mi n i u m a l l o y c o n d u c t o r Fi n a l l y，i t ma k e s s u g g e s t i o n s f o r p r o mo t i n g t h e d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f t h e h e a t r e s i s t a n t a l u mi n i u m a l l o y c o n d u c t o r Ke y wo r d s：h e a t r e s i s t a n t a l u mi n i u m a l l o y c o n d u c t o r；h e a t r e s i s t a n t me c h a n i s m；a mp a c i t y；s o f t e n i n g p r o p e r-t y；p e r c e n t a g e r e mn a nt me c h a n i c a l s t r e n g t h l 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 量的决策，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(A C S R)，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 收稿 日期：2 0 0 3 1 2 2 4 作者简介：尤传永(1 9 4 5 一)，男，上海市人，副所长，教授 级高工 作者地址：北京广安 门南滨河路 3 3 号E l o O O 5 5 3 影 响了输 电能力 的提高。国外，从上世纪 4 0年代起，美国等工业先进 的 国家即开始研究输 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 中加入 少量 的银 即有 明显 的耐 热效 果，并 开 发出被称为 Hy T h e r m C u p p e r 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 Ge n e r a l El e c t r i c Re s e a r c h L a b o r a t o r i e s 的 Ha r r i n g t o n R H通过研究并于 1 9 4 9年发表论 文r 1 认为：当添加金属锫(Z r)元素能提高铝材的耐 热性能。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 左右的锫的 耐热铝合金导线，并于上世纪 6 0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(T A C S R)为例，其连续运行温度 及短时允许温度 比常规钢芯铝绞线(AC S R)要提高 6 0。C，分别为 1 5 0。C及 1 8 0。C，因此大大提高了输 电能 力。维普资讯 http:/ 祖国万岁上传2 0 0 4年第 4期 No 4 2 0 0 4 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e 8 L C a b l e 2 0 0 4年 8月 Au g，2 0 0 4 为什么在铝材中添加金属锆能提高铝材的耐热 性能，这主是要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 晶粒成 长，即 向亚结 晶 晶粒 边 界析 出细 微 的 Al。Z r 能防止再结 晶的产生。因此，细微的 Al。Z r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 4 0 0。C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 2 0 0。C的场合，其耐 热性能与其说由细微的 Al。Z r 起作用，不如说是由 于固溶体锆(Z r)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 1 9 6 0 年，导线耐热性能的提高意味着允许使用温度 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(TA 1)的连续及短时允许使用温度分别 为 1 5 0。C及 1 8 0。C。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问后 回复到 常温时机械强度的残存率为 9 o 来作为考虑依据。材料的机械强度残存率与加热温度及时问的关系又 可称 为材 料 的软化 特性，图 1为 耐热 铝 合金 线(T A 1)和普通硬铝线(HA 1)的短时 问(1 h加热时 问)软 化特 性 曲线。从图 1可见，1小时加热时问后的机械特性，耐 热铝合金线(T A1)要明显优于普通硬铝线(H A1)，说明了前者的耐热性能要优于后者。图 2为耐热铝合金线和普通硬铝线的长时问软 化特性曲线。从图 2 可见，加热 1 0 0 0 h以后 回复到 常温时，耐热铝合金线仍能保持 9 0 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 残存率，则加热时问不能超过 1 0 h。因此，从长时问 瓣 怙 整 毯 爆 据 瓣 怙 疆 捌 d嘲 k 0 、-、l、l _ 、墓 f 硬铝线中3 2 ，n )5 8 1 5 8 1 8 3 1 5 O 1 8 O 6 O 导电率耐热铝合金线 6 O T A l 6 0 1 5 8 1 8 3 1 5 O 1 8 O 超耐热铝合金线 UT A l 5 8 1 5 8 1 8 3 1 9 O 2 0 0 2 2 O 2 3 O 高强度耐热铝合金线 K TA l 5 8 2 1 8 2 6 2 1 5 O 1 8 O 硬铝线 HA l 6 1 1 5 8 1 8 3 9 0 1 2 O 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(UT AI)。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 1 小时加热后的软化特性。从图 4 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，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，试验条件：试样有效长度为 1 0 0 0 mm，导线直径均 为 4 2 mm，载荷为 2 5 U T S 一5 6 k g。从图 5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(UT A C S R)。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 6 0 稃 社 鼷 趟 礤、超 耐 热 铝 台 金 线似 2 m m 1 、|、1一 f 、t 硬铝线 3 2 mm、t -I 耐热铝台金线 2 4 8 mm -l f，I 加热温度 -c 图 4 短时间软化特性 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 维普资讯 http:/ 祖国万岁上传2 0 0 4 年第 4 期 No 4 2 0 0 4 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 4年 8月 Au g，2 0 0 4 时间，I I 图 5 蠕 变特 性 曲线 1 一 HAl(1 0 0 c)2 一 UTAl(2 1 0。c)3 一 TAI(1 8 O。C)4 一T A l(常沮)5 一HA l(常温)6 一UT A l(常沮)受大张力的导线。为此，又开发出高强度耐热铝合金 线(KTA1)。众所周知，在铝材中添加若干金属元素(例如 Mg、S i 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 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的耐热性与耐 热铝合金线和 6 0 导电率耐热铝合金线相 同，而它 的机械强度与原有 的高强度铝合金线(KA 1)相同。在传 统的钢芯铝 绞线 中用高强 度 耐热铝合 金线(KT A I)代替普通硬铝线(HA1)就产生 了钢芯高强 度耐热铝合金绞线(KT A C S R)。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其防腐 性能，采用了铝包钢芯代替普通钢芯，开发出了铝包 钢芯耐热铝合金绞线(T AC S R A C)、铝包钢芯超耐 热铝合金绞线(UT A C S R A C)和铝包钢芯高强度 耐热铝合金绞线(KT AC S R AC)。若用高强度钢芯 代替普通钢芯，则又产生 了特强钢芯耐热铝合金绞 线(T AC S R E S T)、特强 钢 芯超 耐热 铝合 金 绞线(UT AC S R E S T)和特强钢芯高强度耐热铝合金绞 线(KT A C S R E S T)，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 通钢芯铝绞线允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允许 载流量大 约为普通钢芯铝绞线的 1 6 倍，短时允许载流量大 约为普通钢芯铝绞线的 1 3 5 倍。铝或铝合金截面积 m 图 6 钢芯耐热铝合金绞线(T ACS R)对钢芯 铝绞线(ACS R)的允许电流比 表 2 钢芯耐热铝合金绞线的一般特性 钢芯铝绞线 钢芯耐热铝合金绞线 钢芯耐热铝合金绞线 项 目 AC S R(8 1 0 mm)5 8 TACS R(8 1 0 mm)6 O TACS R(8 1 0 mm)结构 铝 HAl 4 5 4 8 5 8 TAl 4 5 4 8 6 0 TAl 4 5 4 8 (根数 r n m)钢 S t 7 3 2 S t 7 3 2 S t 7 3 2 截面积 铝 8 1 4 5 8 1 4 5 8 1 4 5 ram 钢 5 6 2 9 5 6 2 9 5 6 2 9 质量 铝 2 2 5 9 2 2 5 9 2 2 5 9|(k g k m)钢 4 4 1 3 4 4 1 3 4 4 1 3 综合拉断力 1 8 0 9(普通钢芯)1 8 O 9(普通钢芯)1 8 0 9(普通钢芯)k N 2 0 63(特强钢芯)2 0 6 3(特强钢芯)2 0 6 3(特强钢芯)外径 ra m 3 8 4 3 8 4 3 8 4 电阻(f l k m)0 0 3 5 6 O O 3 7 4 0 0 3 6 3 载流量 连续 I 2 3 8(9 O。C)1 9 9 5(1 5 0。C)2 0 0 7(1 5 O。C)|短时 1 6 8 3(1 2 0。C)2 2 8 6(1 8 O。C)2 2 9 7(1 8 0。C)6 r o I)鼍 霉 毫 l l O O O O 筮媛羽辫赋 维普资讯 http:/ 祖国万岁上传2 0 0 4年第 4期 No 4 2 0 0 4 电 线 电 缆 E l e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 4年 8月 Au g，2 0 0 4 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 1 9 6 0 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之 外，发展到 1 9 9 0年 时，日本 的 5 0 0 k V 输 电线 路 的输 电导线已经全部使用耐热铝合金导线。1 9 9 7 年在 日 本仙台市召开的国际大电网会议上，日本专家仰木 一郎 等人 发表 的论 文 2 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 6 O 导 电 率 耐 热 铝 合 金 绞 线(6 0 T Ac s R)以代替普通钢芯铝绞线(Ac s R)，现在 的使用量已经达到全国输电线路总长的 7 O 。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 2 O 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 1 9 8 6年，首先在 安徽 繁 昌 5 0 0 k V 变 电站采 用 国产 1 4 4 0 mm。钢 芯 5 8 导 电 率 耐热 铝 合 金绞 线(NRL H。GJ)作 为母 线。取得 了 明显 的技术效果 和经济效益。5 0 0 k V 母线 载流量达 5 5 0 0 6 0 0 0 A，如使用普通钢芯铝绞线。则需 4根 1 4 4 0 mm。的导线；而用耐热铝合金导线代替。仅需 2根 1 4 4 0 mm。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 5 O ，分裂间隔棒减少 了 7 5 ，结点总数 由 8 4 0个减少 到 3 0 0个。另外，绝 缘子串也由双串 X P 一 1 6 减少为单 串 X P 一 1 6，相应的 绝缘子组装金具也减少 了 5 O 。加上工程量的减 少，共计节约造价 1 0 0 万元。以后，在江苏徐州、上海 南桥和黄渡、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 1 9 9 5 年。由武汉市供 电局设计院承担对该市 l l 0 k V英栖线 路共 4 k m进行扩容改造设计。该线路始建于 1 9 6 9 年，随着城市用电负荷 的增加，曾经经过数次改造。由单 回路 L GJ 一 9 5导线改为 L G J 一 1 2 0导线，运行若 干 年 以 后 又 改 为双 回路 LGJ 一 1 5 0导线 和 L GJ 一 2 4 0 导线。若再改造就需要更换全部铁塔，最后采用国产 钢芯 5 8 导电率耐热铝合金绞线(NR L H G J 一 2 4 0 3 0)更换旧导线，不仅使载流量从原来的 4 4 5 A提高 到 6 l l A，而且原来的铁塔也未作更换，节约了大量 经 费。其次是在 2 0 0 1 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、回 l l 0 k V线路进行扩容改造设计，线路全长 8 k m，原使用导线为普通钢芯铝绞线(L G J 一 4 0 0 3 5)，最后 确定采用相 同规格的国产钢芯 5 8 导 电率耐热铝 合 金绞线(NR L H G J 一 4 0 0 3 5)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 1 2 9 6 A 2 2 7 Mw 提高到 2 0 2 6 A 3 5 6 Mw，载流量提高 了 4 5 (仅 升 温到 l l O。C)，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 2 O基铁塔。加上一 个 多 月的施工，改造 费用 共计约需要 1 0 0 0万元。采 用 耐热铝合金导线方案后，工期大大缩短，从 2 0 0 1年 1月 2 4日开始施工，2月 1 2日即开始 送电。改造 费 用实 际 只用 了 3 0 0万元，节约 7 0 0万元，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 2 0 0 k m。另 外在 2 0 0 1年，山东省 2 2 0 k V 石平 线路 扩 容 改 造 工 程，全 长 7 2 9 k m，用 耐 热 铝 合 金 导 线(NRLH5 8 GJ 一 4 0 0 5 0)更 换 旧导线(L GJ Q一 4 o o 5 o)，输 电载流量由 8 3 3 A提高到 1 1 8 0 A，节省工程费用 1 3 O万 元。其它类 似的工程有：广东 电力局 的广 东一 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 的乔北一 临钢线 路工程、宁夏 电力 局的青铜峡一平吉堡线路工程、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 1 9 9 5年 到 2 0 0 2年。大约有 2 9 0 0 t 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(4 O 6 O )。产生 了明显的经济 效 益。目前，我 国 2 2 0 k V 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 维普资讯 http:/ 祖国万岁上传2 0 0 4年第 4期 N o 4 2 0 0 4 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e C a b l e 2 0 0 4年 8月 Au g，2 0 0 4 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。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：5 结 语 1 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 5 8 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 2 3 Ha r r i n g t o n R H Th e e f f e c t o f s i n g l e a d d i t i o n me t a l o n t h e r e c r y s t a l l i z a t i o n，e l e c t r i c a l c o n d u c t i v e i t y a n d r u p t u r e s t r e n g t h o f p u r e a l u mi n u m C T R A NS AS M 4 1 4 4 3，1 9 4 9 I c h i r o Oo g i，e t c Co n d u c t o r f o r o v e r h e a d t r a n s mi s s i o n l i n e s i n J a p a n(C o n d u c t o r s-OP GW)C C o l l o q u i u m。CI GRE S C2 2 1 9 9 7 S e n d a i M e e t i n g 岳保 良 耐热导线在线路增容中的应用 R 深圳供 电 规划设计院，2 0 0 1 维普资讯 http:/ 祖国万岁上传