耐熱鋁合金導(dǎo)線在輸電線路中應(yīng)用與發(fā)展

耐熱鋁合金導(dǎo)線在輸電線路中應(yīng)用與發(fā)展

【Summary】在同等規(guī)格條件下耐熱鋁合金導(dǎo)線比普通鋼芯鋁合金絞線輸送更多的電能，承受更高的溫度，并能節(jié)約基建投資，經(jīng)濟(jì)效益明顯，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離超高壓、變電站建設(shè)、舊網(wǎng)改造等等方面，節(jié)能降損效果顯著?！綤eys】耐熱鋁合金導(dǎo)線；性能特點(diǎn)；經(jīng)濟(jì)效益；隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人們生活水平的提高，對(duì)電力的需求也出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，輸電線路開(kāi)始向大容量方向發(fā)展，這就要求增大導(dǎo)線的輸電容量。1983年以前，我國(guó)鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電性能波動(dòng)較大，鋁導(dǎo)體電阻率的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為59.5%IACS。進(jìn)入2010年以來(lái)，在特高壓、遠(yuǎn)距離、大容量輸電工程建設(shè)以及電網(wǎng)建設(shè)注重輸電線路“節(jié)能降損”的戰(zhàn)略促進(jìn)下，我國(guó)的電工鋁線制造技術(shù)及能力獲得新發(fā)展，特別是大截面900/40(75)、1000/45(80)及1250/70(100)鋼芯鋁絞線，要求鋁單線抗拉強(qiáng)度σ≥172MPa（其強(qiáng)度極差不大于25MPa）、導(dǎo)電率≥61.5%IACS以及節(jié)能型導(dǎo)線的鋁單線導(dǎo)電率≥62.0、62.5及63.0%IACS的要求，通過(guò)降低電工鋁導(dǎo)體的電阻率，降低線損，帶來(lái)巨大的節(jié)能效果。耐熱鋁合金作為一種性能良好的特種導(dǎo)線，在我國(guó)城網(wǎng)增容改造、變電站建設(shè)以及一般線路上具有良好優(yōu)勢(shì)。1.耐熱導(dǎo)線的耐熱機(jī)理通常銅、鋁等金屬導(dǎo)體材料在通電后由于電阻作用導(dǎo)致材料溫度升高，降低了其機(jī)械性能，從而影響導(dǎo)線的輸電能力。因此，為提高銅鋁導(dǎo)電材料的耐熱性能，國(guó)外從上世紀(jì)40年代開(kāi)始研究，尋求一種能提高其耐熱性能的材料。研究表明，在鋁中添加少量鋯制成鋁合金，可提高其耐熱性，而對(duì)導(dǎo)電率的影響可控制在最小的范圍內(nèi)。為什么在鋁材中添加金屬鋯能提高鋁材的耐熱性能，這主要由于添加金屬鋯以后鋁材的再結(jié)晶溫度得到了提高。從金屬學(xué)上的耐熱機(jī)理來(lái)分析，一般來(lái)說(shuō)，金屬經(jīng)過(guò)加工以后會(huì)提高機(jī)械性能，這是因?yàn)橛衫浼庸ひ鸬脑涌崭?、轉(zhuǎn)位等各種晶格缺陷產(chǎn)生了畸變能的緣故，這種晶格缺陷使金屬隱含著熱力學(xué)上的不穩(wěn)定，隨著溫度的提高，原子的熱振動(dòng)能量也隨之增加，使上述的晶格缺陷容易移動(dòng)，進(jìn)而使金屬內(nèi)部積累的畸變能逐漸減少，使其機(jī)械性能相應(yīng)恢復(fù)到冷加工以前的退火狀態(tài)，這種因金屬溫度提高而產(chǎn)生的原子轉(zhuǎn)位。晶格缺陷移動(dòng)現(xiàn)象的恢復(fù)稱為再結(jié)晶退火。這項(xiàng)研究成果始于1950年，最早由美國(guó)提出。從1960年開(kāi)始，這種鋁合金受到日本導(dǎo)線設(shè)計(jì)人員的廣泛重視，并得到了系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。鋯元素既能提高鋁的再結(jié)晶溫度，又不大降低其導(dǎo)電率。99.0%的工業(yè)純鋁的再結(jié)晶溫度為185℃，而含有0.1%Zr的鋁－鋯合金，其再結(jié)晶溫度在320～330℃，使其再結(jié)晶溫度提高了140℃左右。2.耐熱鋁合金導(dǎo)線的性能比較分析耐熱鋁合金導(dǎo)線作為架空輸電導(dǎo)線，決定其允許使用溫度時(shí)，一般以導(dǎo)線加熱一定時(shí)間后回復(fù)到常溫時(shí)機(jī)械強(qiáng)度的殘存率為90%來(lái)作為參考依據(jù)。材料的機(jī)械強(qiáng)度殘存率與加熱溫度及時(shí)間的關(guān)系又可稱為材料的軟化特性，圖1為耐熱鋁合金（TA1）和普通硬鋁線(HA1)的短時(shí)間（1h加熱時(shí)間）軟化特性曲線。圖1軟化特性曲線從圖1可見(jiàn)，1小時(shí)加熱時(shí)間后的機(jī)械特性，耐熱鋁合金線（TA1）要明顯優(yōu)于普通硬鋁線(HA1)，說(shuō)明了前者的耐熱性能要優(yōu)于后者。作為架空輸電線路導(dǎo)電材料，其蠕變特性也是影響線路安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。圖2為耐熱鋁合金（TA1）和普通硬鋁線(HA1)的蠕變特性曲線。（）圖2蠕變特性曲線從圖2可見(jiàn)，無(wú)論常溫還是高溫，耐熱鋁合金和普通硬鋁線均保持相同的蠕變特性。對(duì)于耐腐蝕性經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室鹽霧試驗(yàn)和室外大氣暴露實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)耐熱鋁合金和普通硬鋁線沒(méi)有大的差別。3.耐熱鋁合金導(dǎo)線的工藝與開(kāi)發(fā)到目前為止，盡管耐熱鋁合金的品種較多，但從合金系來(lái)看，均屬于鋁－鋯合金系，由于含鋯量、其它添加元素種類和含量不同，耐熱鋁合金線的制造工藝也有所不同。制造耐熱鋁合金桿的關(guān)鍵在于連續(xù)澆鑄，隨著合金熔液(合金化鋁液)澆鑄溫度的增加，連續(xù)澆鑄得到的鑄坯，其缺陷產(chǎn)生的可能性越大，這將大大增加后續(xù)軋制和拉絲工序產(chǎn)生斷線的幾率。為了生產(chǎn)合格的耐熱鋁合金線，基本都需要進(jìn)行熱處理，目的在于控制其微觀組織，使Al3Zr等顆粒在基體上充分析出且彌散分布。如果合金桿或合金線中的析出物呈條狀甚至塊狀，將影響成品線的最終性能，因此必須對(duì)其合金成分、加工工藝和熱處理工藝進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)然，生產(chǎn)耐熱鋁合金線也可以不進(jìn)行熱處理，這樣省時(shí)、省工并降低成本，但必須保證其性能應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。目前，耐熱鋁合金線主要分為高導(dǎo)電、高強(qiáng)度、超耐熱、特耐熱等四種。實(shí)際工程中使用較多的是高導(dǎo)電(60%IACS)耐熱鋁合金線和高強(qiáng)耐熱鋁合金線(抗拉強(qiáng)度240MPa，導(dǎo)電率55%IACS)兩種，而導(dǎo)電率為58%IACS的耐熱鋁合金線已基本淘汰。耐熱鋁合金導(dǎo)線主要用于高壓和超高壓架空線路上，作為大容量導(dǎo)線、大電流地線、大跨越導(dǎo)線和變電站用的大電流母線使用；此外在老舊線路改造中亦可使用耐熱鋁合金導(dǎo)線，這樣可在不改變鐵塔高度、不改變線路走廊的條件下，只更換導(dǎo)線，即可使線路容量增加50%以上，從而獲得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。4.國(guó)內(nèi)耐熱鋁合金線的應(yīng)用由于耐熱鋁合金導(dǎo)線比同樣規(guī)格的普通鋼芯鋁絞線能輸送更多的電能，在它問(wèn)世后不久即受到人們的關(guān)注，并隨著性能的不斷提高和品種的不斷增多，數(shù)十年來(lái)其應(yīng)用得到了很大的發(fā)展。4.1耐熱鋁合金導(dǎo)線特點(diǎn)：（1）輸送容量大，機(jī)械外荷載小，較大幅度減少導(dǎo)線、鐵塔、基礎(chǔ)、絕緣子工程量，降低初投資（2）國(guó)產(chǎn)耐熱鋁合金導(dǎo)線使用近十年，運(yùn)行情況良好（3）采用耐熱鋁合金導(dǎo)線節(jié)約基建投資，但增加運(yùn)行成本（4）在極限輸送容量時(shí)，耐熱鋁合金導(dǎo)線的溫度為100℃，ACSR為70℃，而耐熱鋁合金導(dǎo)線的溫度可使用到150℃，ACSR到80℃增加線路輸送容量的解決方案多種多樣，圖3從導(dǎo)線的角度對(duì)這些方案進(jìn)行了歸納。圖3增加線路輸送容量的解決方案架空線路上采用耐熱鋁合金導(dǎo)線，提高導(dǎo)線的運(yùn)行溫度是達(dá)到大容量輸電的辦法之一。將耐熱合金線與不同的加強(qiáng)芯材料進(jìn)行組合，可以構(gòu)成不同的大容量耐熱鋁合金導(dǎo)線。4.2國(guó)內(nèi)對(duì)耐熱鋁合金的應(yīng)用2005年，根據(jù)工程需要，我國(guó)生產(chǎn)出符合三峽跨江大跨越導(dǎo)線要求的高強(qiáng)度耐熱鋁合金線。此高強(qiáng)度耐熱鋁合金線的抗拉強(qiáng)度可達(dá)252MPa以上(絞后)，比普通純鋁線及60%IACS耐熱鋁合金線的強(qiáng)度高66%左右，比55%IACS高強(qiáng)度耐熱鋁合金線(AT2、原KTAl)的強(qiáng)度高17%左右。高強(qiáng)度耐熱鋁合金線適用于跨江大跨越、大容量的線路，嚴(yán)重覆冰區(qū)、山谷條件下的導(dǎo)線及超高壓線路上的導(dǎo)線和地線，可顯著提高輸送容量和線路的安全性，并能節(jié)約大量的金屬材料和基建投資。5.結(jié)束語(yǔ)耐熱鋁合金導(dǎo)線具有較高的性價(jià)比，可以明顯降低線路的綜合造價(jià)，并有利于線路的安全運(yùn)行。但是耐熱鋁合金導(dǎo)線的線損會(huì)有一定的增加，在大規(guī)模長(zhǎng)距離輸電使用耐熱鋁合金，應(yīng)加大導(dǎo)體截面，推薦在70～90℃運(yùn)行，以減小線損，利用導(dǎo)線的耐熱性能使得線路安全系數(shù)增大，有效降低災(zāi)害發(fā)生。各類鋁合金均有獨(dú)自的特點(diǎn)，