耐热铝合金导线的耐热机理及其在输电线路中的应用.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、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
5、 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
6、 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
7、“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
8、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
9、 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,
10、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
11、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
12、 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
13、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
14、)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
15、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
16、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
17、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
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- 耐热 铝合金 导线 机理 及其 输电 线路 中的 应用
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