高导电率耐热铝合金导体材料研发及导线研制技术报告

耐热铝合金导线的典型代表是钢芯耐热铝合金绞线TACSR，导线的铝线股采用耐热铝合金材料制成。它的机理是在普通的金属铝中添加了金属锆等成分，这样制成的铝合金材料，提高了材料的再结晶温度，使其能在较高的温度下不降低机械强度。
1.3
国内九十年代前的耐热导线全部依赖进口。自武汉电缆厂研制出58%IACS耐热导线后，部分取代了进口。1986年首先在安徽繁昌500kV变电站采用1440mm2耐热铝合金钢芯绞线作为母线，取得明显的技术效果和经济效益。
因此，欲提高线路输送容量必须减小线路电阻、改善导线的机械强度特性。虽然线路电阻的减小可以通过使用低电阻率的导电材料，或者使用截面积更大单位长度电阻更小的导线等方式实现，但是实际中减小线路电阻的方式并不具备普适性。这是因为金属材料电阻率差别不显著（银1.65×10-8，铜1.75×10-8，铝2.83×10-8，钨5.48×10-8，铁9.78×10-8），更换导电材料引起的电阻变小对线路输送容量提供的贡献较小，在线路上更换截面积更大的导线引起的重量增加，往往会超出原有杆塔的机械承载。改善导线的机械强度特性，提高导线的最大使用温度是目前线路增容的主要手段。
耐热铝合金的原理分析：熔入锆的铝液中，由于锆的加入，铝材的再结晶温度提高。在新合金中分布有一定数量的弥散的第二相粒子，分析成分为AL3Zr,可钉扎位错晶界。阻碍晶内滑移和晶界滑移，同时降低晶内及晶界扩散速度，因而强化了合金，提高了蠕变抗力及阻碍了蠕变裂纹扩散。
2.2
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导线（TA1）的连续及短时容许温度分别为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称为材料的软化特性，图一是耐热铝合金线（TA1）和普通硬铝线（HA1）的短时间软化特性曲线。
土地资源是不可再生资源，是有限的资源。社会发展对土地资源的需求是持续的。土地资源的有限性和社会发展的持续性是一对矛盾。目前，这一矛盾在电网扩建、输电走廊征地等方面表现出来。未来，该矛盾将会更加突出。
因此，如何最大限度的使用来之不易的走廊资源，提高送电线路的电能输送容量，是电网发展的一个重要研究方向。
1.2
线路输送容量的增大，受诸多因素的制约，其中最主要的因素为：导线的电阻特性和导线机械强度特性。当线路输送容量增大时（通过导线的电流增大时），因为导线电阻的存在，输电线路上的热损耗增加，导线温度升高。由于金属材料具有软化特性，当导线温度升高到一定程度后，导线材料的机械强度残存率会迅速下降，即此时线路导线存在较大的断线风险。为保障线路正常运行、供电可靠，在导线参数(导线的电阻特性和导线机械强度特性)一定的情况下，工程应用中引入“导线的最高使用温度”的概念。在最高使用温度下，线路可以承载最大电流，输送最大容量。
2.5.3模具及配模
由于目前我们采用的是高速拉线和循环润滑，并且期望在保证铝线表面光滑的前下铝线表面的油膜最薄。为了满足上述条件和目的，除了润滑油的配方及循环系统要点考虑外，在选择模具材料、模具孑L型和配模时，也要保障边界润滑状态处于拉线润的主导地位。
碳化钨模具价格便宜，并有着很好的表面特征，被普遍用于铝线的拉伸，但长期工作在边界润滑和极压润滑状态下的磨损较快，铝线直径控制的精度差，不适应作为成品出线模使用。采用0．2微米级人造金刚石微粉制成的聚晶模，可保证边界润滑条件下铝材高速拉伸时的线材表面质量，并有保证铝线直径长期高精度控制的特点，是目前高速铝拉线的首选成品出线模具。模具的孔型主要是依据变形量、拉伸速度、摩擦系数和铝材强度等因素计算确定的。模具的变形区全角可取24º-26º、定径区长度取0．1d(d为被拉线材的直径mm)，其他尺寸可按惯例选取。
2001年深圳市南山电厂、月亮湾电厂送出工程的两回路扩容改造，使用国产400/35耐热铝合金钢芯绞线代替原来的普通钢芯铝绞线LGJ400/35。在铁塔基本不变的前提下，不仅使载流量从原先的1296A/227 MW提高到2026A/356MW，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。整个改造费用实际只用300万元，比不采用耐热导线预计费用1000万元减少700万元，经济效益显著。
高导电率耐热铝合金导体材料研发及导线研制
技 术 报 告
二〇一五年二月
1
Байду номын сангаас1.1
随着社会和经济的发展，电力负荷供应增加迅速。很多线路的电力输送容量接近或者超过了设计值。电网的线路电能输送容量亟待提高。
针对这一情况，目前采取的措施主要有两种：一是扩建新电力线路，通过提高电力输送通道的个数，提供总电能输送容量。二是在原有线路走廊上进行旧线路改造，通过增大导线截面积，提高导线的运行温度等方式，提高总的电能输送容量。对于土地资源较多、地价较为便宜、输电走廊征地较为容易的地区，采用新建线路的方式较多。而对于土地资源奇缺、地价较高、输电走廊征地较为困难的地区，不得不考虑采用旧线路改造的方式实现电能输送容量的提高。
随着对电力需求的增涨和材料科学技术的不断进步，与钢芯铝绞线对应的各种增容导线应运而生。“增容导线”目前尚不能算作为专有术语，而是一种习惯称谓。行业内也将其俗称为“倍容量导线”或“高温导线”。架空输电线路增容导线是在架空输电线路上使用的特种导线，它是对在相同导体截面的情况下，相对于传统钢芯铝绞线能输送更多电能的若干种类导线的总称。增容导线包括耐热铝合金导线、钢芯软铝绞线、复合材料合成芯导线等种类。
在高速拉线时润滑油的宏观温度虽然不高，可是在模具与线材的接触点处的温度，比我们可以想象的温度要高得多，其足以将基础油及部分添加剂分解，长期运行将导致润滑油品质下降。应适时的对润滑油进行沉淀、分离和补充新润滑油，使润滑油循环系统可靠工作。铝线拉制时同时存在着流体润滑、边界润滑和极压润滑，并且随工况的改变将分别起主导作用。流体润滑时摩擦面的压力完全由润滑油膜承担，摩擦系数极小，油膜的厚度在6微米以上；当温度和摩擦面的压力进一步上升，就有铝材和模具材料的微凸部分接触，摩擦系数为0.1-0.01，油膜的厚度约0．6微米；当工况进一步恶化时就会出现极压润滑状态的拉线，这种润滑状态下的铝线拉制是不安全的。
2.4
2.5
线材的拉制是一个传统的工艺过程，近几年来由于相关行业的技术创新，在拉线模具、润滑油、拉线设备等方面都有了显著的进步，同时在拉线理论研究方面也有不断创新，这些都为耐热铝合金单线的工业化生产奠定基础。
2.5.1质量缺陷的控制
针对不同规格的耐热铝单线，铝合金杆的强度控制是不一样的，拉线工序应该认真核对铝合金杆的标识牌和检查铝杆的外观质量，避免材料混用。相对于拉线工艺的技术进步，我国铝杆连铸连轧工艺与三十年前的基本技术大致相同，改变不大。目前在连铸连轧过程中耐热铝合金杆产生的局部缺陷还不能完全消除，常见的缺陷有氧化物夹杂、浇铸缺陷、轧制缺陷和氢脆等。拉线工序不只是一个加工过程，还要承担发现和排除耐热铝合金杆中缺陷的功能。
1.4
本项目以高导电率耐热铝合金导体材料研发及导线研制为目标，开展了如下工作：
1）耐热铝合金单丝工业化生产及研制
2）耐热铝合金导线设计及研制
3）耐热铝合金导线工程示范应用
2
2.1
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，金属经过冷加工以后会提高机械性能，其机械性能相应恢复到冷加工以前的退火状态。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。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。
2002年，上海吴泾---杨思线路改造，首次采用特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司的耐热导线产品TACSR 400/65，双回路30公里，使用至今运行状况良好。
2003年，云南小龙潭---开远也采用特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司的耐热导线产品TACSR 400/50，累计120多公里，现已架设完毕，运行良好。相信随着电力工业的不断发展，对特种导线的需求也会越来越大，耐热铝合金导线会得到更大的应用和发展。
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。试验表明，无论是常温还是高温，耐热铝合金线（TA1）和普通硬铝线（HA1）均保持有相同程度的蠕变特性。
对于耐腐蚀来说，经过试验室盐雾试验和室外曝露试验，确认耐热铝合金线（TA1）和普通硬铝线（HA1）没有太大的差别。
2.3
虽然耐热性能有了很大的提高，导线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问世早期，推广应用受到一定的影响。通过我们进一步的研究，优化配方设计，提高了耐热铝合金的导电率，使之提高到61%IACS，既有耐热铝合金的耐热性能，又有高导电铝合金的优点。
2.5.2拉线润滑及润滑系统的管理
拉线过程中会产生大量的铝屑和铝灰，同时铝杆不可避免的会带入一些杂质和冷凝水进入润滑油；高速拉线产生的局部高温将逐步使润滑油品质下降。完善的润滑系统及其有效的管理，是保障优质、高速、大批量拉制铝线的条件。为了避免润滑条件的快速恶化和保证铝单线的表面质量，润滑系统应考虑以下方面：①应选用黏度低、抗极压性好、热稳定性好的高品质润滑油。②系统中增加独立工作的压滤机，根据润滑油的黏度状况，适时的除去不能沉淀的铝灰及灰尘。③润滑油的工作温度能实现自动控制，保障润滑油始终工作在最佳的温度区间。实践证明：绝大部分的铝屑、铝灰等杂质均产生在头两道模具和滚筒上，对这两道模具设置单独的小润滑油循环系统，可极大的改善主润滑油系统的工作状况，确保铝单线的表面质量，而小的润滑油系统可适时的换油处理。
目前，输电线路中大量采用的导线为钢芯铝绞线ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced)。钢芯铝绞线由钢芯和硬铝构成。钢芯主要起机械承载作用，硬铝主要起导电作用，同时还承担了部分机械载荷。由图1可知，硬铝材料的软化特性较差，为保障钢芯铝绞线的可靠工作，一般要求钢芯铝绞线的最高允许温度不大于90℃。由此可见，钢芯铝绞线不能满足现有线路增容改造的需求。