耐热铝合金导线的耐热机理及其应用资料

1、 耐热铝合金导线的耐热机理及其 在输电线路中的应用 班级： 学号： 姓名： 耐热铝合金导线的耐热机理及其 在输电线路中的应用 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 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

2、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

3、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年发表论 文 “The Effec

4、t 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一钢芯耐热铝合金绞线 （TACSR）为例，其

5、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60C，分别为150C及 180C，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

6、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 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 200 C的场合，其耐热性能与其说由细微的 AbZr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

7、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150C及180 C o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。 O g O 8 6 o 5 抗揑強段残存丰%) 加班温度（七） 图1短时间软化特

8、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（TAI）要明显优于普 通硬铝线（HAI） 说明了前者的耐热性能要优于后者 0 50 100 510 l$0C 500 LOW 加热时间（h） o o o o O 0-0 O -9 8 7 6 5 1抗拉强度残存率(%) II 图2 长时间软化特性 图2是耐热铝合金线（TAI）和普通硬铝线（HAI ）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

9、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（TAI）和普通硬铝线（HAI）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（TAI）和普通硬铝线（HAI） 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 （TAI）和普通硬铝线（HAI ）没有大的差别。 作为早期开发的耐热铝合金线（TAI），其最大的缺点是电阻率高于普通硬铝线 （HAI），而导电率要低于普通硬铝线（HAI）,为58%IACS。好的普通硬铝线（HAI） 导电率能达到61

10、%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） o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

11、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（60TAI） 0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（58TAI），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） o 如表1所示，60%导电率耐热铝合金线（60TAI）的耐热性能以及机械性能，与耐 热铝合金线（TAI）是相等的，优点在于导电率有了提高。由于 60%导电率耐

12、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150C。 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（UTAI）。 表1特殊铝合金线的性能 H LOQ 150250 3QG 90M70詢50 抗拉理度残存丰

13、%) 线种 型号 导电率(20 C ) (%IACS 抗拉强度 （MPa 容许使用温度（C ） 连续 短时 耐热铝合金线 TAI 58以上 158183 150 180 60%导电率耐热铝合 60TAI 60以上 158183 150 180 金线热铝合金线 UTAI 58以上 158183 190200 220230 高强度耐热铝合金线 KTAI 55以上 218262 150 180 硬铝线 HAI 61以上 158183 90 120 图4短时间软化特性 找轻儿2阿栽荷56应（2 5%U*T-S） 试件有效长度1000 100 C 18QC 21OC (UTAZ) M 5 70 I 4

14、0 QV 11 (Room temp) 丄丄 JL J ! tl w 时 蜡 K C%)20 凰耐热世汁盒线 帀玉疥合金奴 O*0 n 3D M7Q ll 3DQ5007QQ W 间(h) 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

15、金绞线（UTACS）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（KTAI）。 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

16、素的 种类有所选择和控制。因此，高强度耐热铝合金线（KTAI）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（KTAI）的耐热性与耐热铝合金线（TAI ）和60%导电率耐热 铝合金线（60TAI）相同，而它的机械强度与从来的高强度铝合金线（KAI）相同。在传 统的钢芯铝绞线中用高强度耐热铝合金线（KTAI）代替普通硬铝线（HAI）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

17、合金绞线 （TACSR/A）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/A）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/ES）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 由表2和图6可见，钢芯耐热铝合 1.6倍，短时容许载流量大约为普通 合金绞线对普通钢芯铝绞线容许载流量的倍数曲线 金绞线的连续容许载流量大约为普通钢芯铝绞线的 钢芯铝绞线的1.35倍 钢芯耐热铝合金绞

18、线的一般特性 目 项 2 m 线om 矇81 铝 芯R 钢CS 2 线诃 绞om 金10 们(8 铝R 热:s 耐Ac 芯蹄 钢 5 2 线mm 绞om g(8 铝 R 热 则Ac 忧60T 构1 结H 铝 HAI 钢 2 刀 st 2 刀 st 2 刀 st 截面积 （mm2） 铝 钢 9 2 5 量m) 质kg z( 铝 9 5 2 2 9 5 2 2 9 5 2 2 钢 N k !7 芯 冈 通 普 /_k 9 a 8 !7 芯 冈 通 普 /_k 9 a 8 !7 芯 冈 通 普 /_k 9 a 8 !7 芯 冈 强 特 /_k !7 芯 冈 强 特 /_k !7 芯 冈 强 特 /_

19、k m m z( 径 外 4 8 3 4 od 3 4 8 3 m /k Q z( 阻 电 载流量 （A） C O 9 8 3 2 C 5 9 9 1 C O 2 C O 2 1 z( 3 8 6 1 C a 6 8 2 2 C 80 (1 99 2 2 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

20、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 Japa”n 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%。

21、 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 5500600CA，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

22、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

23、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(NRLH 58GJ240/30)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11CkV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 (LGJ400/35) ，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(NRLH58GJ400/35)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 110C),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，加上一个多月的施工，改造费用共计约需要 1000 万元。采用耐热铝合金导线方案后，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.