鋁合金在架空導(dǎo)線領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

劉 斌，鄭 秋，黨 朋，曾 偉

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

上世紀20年代，美國、瑞士和德國率先將鋁合金導(dǎo)線應(yīng)用于高壓輸電線路，從20世紀50年代開始，鋁合金導(dǎo)線在歐洲、北美等國家和地區(qū)被廣泛采用，日本和美國的輸電線路50%以上采用鋁合金導(dǎo)線，法國更高達80%以上，即使是印度、孟加拉國等發(fā)展中國家，其使用量也較大。由于鋁合金導(dǎo)線的技術(shù)性能優(yōu)越，運行效果良好，特別是在超高壓線路和大跨越線路上使用效果更好，因而逐漸被世界各國廣泛采用。

目前架空輸電線路中使用最為廣泛的仍是鋼芯鋁絞線(ACSR)，該種導(dǎo)線量大面廣，生產(chǎn)和應(yīng)用較為成熟。但隨著技術(shù)進步及電力行業(yè)發(fā)展的需要，世界上許多國家的輸電線路上已廣泛使用各類鋁合金導(dǎo)線，主要有全鋁合金絞線(AAAC)、鋁合金芯鋁絞線(ACAR)、鋼芯鋁合金絞線(AACSR)等幾類。本文將就鋁合金單線的三大主要產(chǎn)品——高強度鋁合金線、中強度鋁合金線以及耐熱系列鋁合金線在國際及國內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展情況逐一介紹。

1 高強度鋁合金線

1.1 高強度合金線的開發(fā)

最早的高強度鋁合金線1921年出自瑞士，其牌號為Aldrey，后來各國陸續(xù)開發(fā)生產(chǎn)了許多不同的牌號，如Simalec(英國)、Almelec(法國)、6101、6201(英國)、亻號、SI-33(R本)、Aж(原蘇聯(lián))等?？偟膩碚f，這些高強度鋁合金均屬于可熱處理的Al-Mg-Si合金系，且經(jīng)歷多年，合金的配方、元素組成基本未變，一直沿用至今，但隨著技術(shù)的發(fā)展，在制造工藝和裝備控制等方面有了新的發(fā)展。鋁鎂硅系鋁合金中，鎂和硅在鋁中形成強化相Mg2Si，其溶解度隨著溫度的增加而變化，因此可以進行熱處理。

發(fā)達國家開發(fā)的高強度鋁合金線的主要性能指標見表1。

我國鋁合金導(dǎo)線的研制始于上世紀60年代初期，當時曾在部分地區(qū)進行批量試用，但由于初期裝備的限制，產(chǎn)品采用半連續(xù)制造工藝，鋁合金線的性能很不穩(wěn)定，導(dǎo)致在試用期間發(fā)生過斷股現(xiàn)象，使該產(chǎn)品在我國的推廣應(yīng)用受到影響。后來，經(jīng)過對鋁合金導(dǎo)線的制造工藝進行不斷改進，尤其是90年代以后，隨著我國工業(yè)總體水平的提高，工藝的提升及設(shè)備的改良，我國鋁合金導(dǎo)線的質(zhì)量已大大提高，其各項技術(shù)性能指標均已達到或超過相應(yīng)的國際標準，并大量出口，為我國鋁合金導(dǎo)線的大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng) 造了有利條件。

表1 各類高強度鋁合金的性能

1.2 高強度鋁合金線的標準

高強度鋁合金線經(jīng)過多年的發(fā)展及應(yīng)用，各國標準普遍趨于一致，其技術(shù)指標與IEC 60104:1987“架空絞線用鋁－鎂－硅合金圓線”大同小異。國標GB/T 23308—2009就是等同采用IEC標準制定的。高強度鋁合金線的抗拉強度約300 MPa，導(dǎo)電率約為53.0%IACS。

目前，IEC正在制定新的國際標準，旨在將所有鋁單線進行合并，目前已進入CDV版本，其基本技術(shù)指標已確定。IEC 62641中對高強度鋁合金線的相關(guān)規(guī)定如表2所示。

表2 高強度鋁合金線的機械性能

此外，ASTM B398/B398M—2002、ASTM B399/B399M—1999標準中也有相關(guān)規(guī)定。

1.3 高強度鋁合金線的特點及應(yīng)用

1.3.1 鋼芯鋁合金絞線特點

鋼芯鋁合金絞線比鋼芯鋁絞線具有抗拉力大、重量輕、弧垂小、抗外負荷過載能力強等優(yōu)點，特別適合在大跨越和嚴重覆冰地區(qū)使用。

表3對跨越檔距為960 m的某220 kV跨江線路采用LGJJ-400加強型鋼芯鋁絞線、LHGJT-440鋼芯鋁合金絞線和GLJ-563鋁包鋼絞線進行了比較。

表3 幾種跨越導(dǎo)線的比較

從表3可知，在大跨越工程中使用鋼芯鋁合金絞線，可以降低跨越塔高，節(jié)約建設(shè)投資，降低電能損失，具有較好的社會經(jīng)濟效益。

1.3.2 全鋁合金絞線特點

全鋁合金絞線是高強度鋁合金線的另外一種應(yīng)用形式，它同樣具有很好的綜合性能。與鋼芯鋁絞線相比，其抗拉強度大、弧垂性能好、導(dǎo)線表面硬度高、耐磨耐壓、施工壓接簡單易行，而且因無鋼芯，導(dǎo)線在交流電壓作用下，不存在磁滯損耗和渦流損耗，技術(shù)經(jīng)濟效果更佳。全鋁合金絞線不僅適用于改造線路，而且對新建線路，尤其是城區(qū)線路更具有良好的使用前景。

表4是對全鋁合金絞線LHBJ-300與鋼芯鋁絞線LGJ-300/25的節(jié)電效益對比。

表4 全鋁合金絞線和鋼芯鋁絞線節(jié)電效益的比較

從表4可看出，采用全鋁合金導(dǎo)線只需運行半年即可收回多投入的建設(shè)成本。

除了鋼芯鋁合金絞線、全鋁合金絞線外，高強度鋁合金線還可用于生產(chǎn)鋁合金芯鋁絞線、鋁合金型線絞線等導(dǎo)線。

2 中強度鋁合金線

2.1 中強度鋁合金線的開發(fā)

中強度鋁合金線發(fā)展最早的鋁－鎂系“5005”合金是美國在1956年研制成功的。“5005”合金在美國已實用化，曾應(yīng)用于500 kV架空線路中。此種合金因存在鑄造和加工比較困難以及導(dǎo)電率比較低的缺點，故其使用受到限制。對這種合金進行改進后，出現(xiàn)了像“MS-AL”、“SI-26”、“KAL”和“CM71”等新牌號的合金。對于這些合金，一般從成分入手來改善其性能，同時也考慮到改善其耐蝕性能和加工性能。

2.1.1 加工硬化型的“MS-AL”和“CM71”合金

加工硬化型的“MS-AL”合金由日本古河電氣公司在1965年研究成功，并于當年開始生產(chǎn)。這種合金導(dǎo)電率高，蠕變性能好，價格也較低。它是在鋁－鎂系和鋁－鎂－稀土系合金基礎(chǔ)上發(fā)展而來的鋁－鎂－銅－鐵－銻多元合金，其中銅、鎂、鐵各加0.1%～0.2%，以提高合金的強度;此外再加入鈮，這不僅改善了合金的耐蝕性，更促使鎂銻析出物的彌散強化，有利于改善合金的蠕變性能。

美國1970年開發(fā)的“CM71”鋁－鎂－銅－鐵系加工硬化型合金，具有與MS-AL同樣優(yōu)良的蠕變性能，比較適合用作電纜線芯。1970年前后開發(fā)的鋁－鎂－鐵系非熱處理合金有日本電線株式會社開發(fā)的KAL合金、美國ALCAN和Western Electric公司的“CK76”合金，這類合金較適于架空導(dǎo)線使用。

2.1.2 非熱處理加工硬化型KAL中強度鋁合金

KAL合金屬鋁－鎂－鐵系合金，其制造工藝與硬鋁線相同，采用連鑄連軋制桿，成本較低。KAL合金線的膨脹系數(shù)與硬鋁線相同，條件屈服極限σ0.2比硬鋁線高30%以上，可達25 MPa，硬鋁線約為18 MPa。

2.1.3 半熱處理半加工硬化型的鋁合金

日本住友開發(fā)的SI-26中強度鋁合金是屬鋁－鎂－硅系的合金。這種合金和同樣是鋁－鎂－硅系的熱處理型高強度鋁合金相比，在熱處理加工條件等方面存在不同特點，因此稱之為半熱處理半加工硬化型合金。

SI-26鋁合金是具有Mg2Si有效強化析出相的合金。研究表明，冷加工與材料的時效強化性能有關(guān)。當含鎂量不同時，自然時效和冷加工對鋁－鎂－硅系合金時效后性能的影響有所差異。鎂含量為0.32%時，鋁－鎂－硅系合金自然時效后進行冷加工，再進行人工時效時，可顯著提高時效強化效果，同時導(dǎo)電性能也隨之獲得改善。

世界上很多國家都開發(fā)使用了中強度鋁合金線，其導(dǎo)電率較好(58.5%～59%IACS)，強度為240～255 MPa，并已有了較多成熟的應(yīng)用經(jīng)驗。各國生產(chǎn)的中強度鋁合金的主要牌號和性能情況見表5。

表5 各國生產(chǎn)的中強度鋁合金的性能

我國近年來也進行了中強度鋁合金的開發(fā)和生產(chǎn)，其數(shù)據(jù)見表6。

表6 國產(chǎn)中強度鋁合金線的化學(xué)成分及主要性能

從化學(xué)成分及性能指標來看，國產(chǎn)的中強度鋁合金線應(yīng)屬SI-26合金，該牌號合金性能穩(wěn)定可靠，研究及應(yīng)用成熟度較高。

2.2 中強度鋁合金線的標準

我國還沒有中強度鋁合金線材的相關(guān)國家標準或者行業(yè)標準，僅上海電纜研究所、中天科技等少數(shù)單位制定了相關(guān)的企業(yè)標準。表7是IEC 62641新標準中對中強度鋁合金的相關(guān)規(guī)定。

表7 中強度鋁合金性能

表8是瑞典標準SS 4240813中對中強度鋁合金線的規(guī)定。

表9是英國標準(歐標)BS EN 50183—2000中對中強度鋁合金線的相關(guān)規(guī)定。

2.3 中強度鋁合金線的應(yīng)用

表8 SS 4240813標準中強度鋁合金線的技術(shù)指標

中強度全鋁合金絞線和鋁合金芯鋁絞線在國外已普遍應(yīng)用，并取得了一定的運行經(jīng)驗。其主要優(yōu)點:可加大桿塔檔距，減少桿塔用量;降低線損，使工程綜合造價大為降低。這對自然環(huán)境的保護、電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟效益和安全運行有著重要意義。

表9 BS EN 50183—2000對中強度鋁合金線的相關(guān)規(guī)定

華東電力設(shè)計院曾對國內(nèi)某條線路進行分析，選用LGJ-400/35、JLHA1-400 52.5% IACS、JLHA2-400 53%IACS、JLHA3-400 58%IACS幾種導(dǎo)線的能損情況和經(jīng)濟性做了比較(見表10和表11)。

表10 能損比較

表11 材料價格比較

從表11可知，后三種全鋁合金導(dǎo)線的總價比較接近，其中JLHA3-400總價最低，并且電能損耗最小。LGJ-400/35價格比全鋁合金導(dǎo)線低20%，但每年線路損耗比JLHA3-400大7.63萬kWh。2008年華北地區(qū)上網(wǎng)電價0.363 94元/(kW·h)，銷售電價0.487 60元/(kW·h)。按上網(wǎng)電價計，2.26年損耗與差價抵銷;按銷售電價計，1.69年損耗與差價抵銷?？梢?，中強度鋁合金線用于制造全鋁合金絞線在高壓、超高壓的新建線路中使用具有十分明顯的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)越性。

3 耐熱鋁合金線

3.1 耐熱鋁合金線的開發(fā)

通常采用硬鋁線制造的鋼芯鋁絞線有個缺點，就是因軟化溫度低而導(dǎo)致耐熱性差，其運行溫度在70～90℃。研究表明，在鋁中添加少量鋯制成鋁合金，可提高其耐熱性，而對導(dǎo)電率的影響可控制在最小的范圍內(nèi)。這項研究成果始于1950年，最早由美國提出。從1960年開始，這種鋁合金受到日本導(dǎo)線設(shè)計人員的廣泛重視，并得到了系統(tǒng)的研究和開發(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。

到目前為止，盡管耐熱鋁合金的品種較多，但從合金系來看，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，因此必須對其合金成分、加工工藝和熱處理工藝進行調(diào)整。當然，生產(chǎn)耐熱鋁合金線也可以不進行熱處理，這樣省時、省工并降低成本，但必須保證其性能應(yīng)滿足相關(guān)標準的技術(shù)要求。

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)濟效果。

目前，耐熱鋁合金線主要分為高導(dǎo)電、高強度、超耐熱、特耐熱等四種。實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耐熱鋁合金線(抗拉強度240 MPa，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。

3.2 耐熱鋁合金線的標準

我國參加了IEC 62004:2007架空導(dǎo)線用耐熱鋁合金線國際標準的起草制定，該標準于2007年正式發(fā)布實施。lEC 62641新標準也將IEC 62004:2004的相關(guān)內(nèi)容納入其中。

3.3 耐熱鋁合金線的應(yīng)用

增加線路輸送容量的解決方案多種多樣，圖1從導(dǎo)線的角度對這些方案進行了歸納。

圖1 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)線的運行溫度是達到大容量輸電的辦法之一。將耐熱合金線與不同的加強芯材料進行組合，可以構(gòu)成不同的大容量耐熱鋁合金導(dǎo)線。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)十年來其應(yīng)用得到了很大的發(fā)展。

3.3.1 國外對耐熱鋁合金的應(yīng)用

日本從1960年開始在輸電線路中使用耐熱鋁合金導(dǎo)線，除了變電站用母線早已全部使用耐熱鋁合金導(dǎo)線以外，到1990年時，日本的500 kV輸電線路的導(dǎo)線已全部使用耐熱鋁合金導(dǎo)線。同時，隨著電力需求的不斷增大，日本已大量使用鋼芯60%導(dǎo)電率耐熱鋁合金絞線來代替普通鋼芯鋁絞線(ACSR);至2000年前后，其使用量已經(jīng)達到全國輸電線路總長的70%。美國、加拿大、法國在輸電線路上使用耐熱鋁合金導(dǎo)線也有相當?shù)臄?shù)量，近20年來，東南亞地區(qū)耐熱鋁合金導(dǎo)線的使用量也有不小的增長。

3.3.2 我國耐熱鋁合金的應(yīng)用情況

(1)普通耐熱鋁合金

我國應(yīng)用耐熱鋁合金導(dǎo)線已有20余年歷史。1986年首先在安徽繁昌500 kV變電站采用國產(chǎn)1 440 mm2鋼芯58%導(dǎo)電率耐熱鋁合金絞線(NRLH58GJ)作為母線，取得了明顯的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益。最早作為架空輸電線路使用耐熱鋁合金導(dǎo)線是在1995年，武漢市供電局設(shè)計院對該市110 kV、4 km的英棲線路進行擴容改造。該工程采用國產(chǎn)的240/30型鋼芯耐熱鋁合金絞線(58%IACS)更換舊導(dǎo)線，不僅使輸電容量(載流量)提高了1.37倍，而且原有的鐵塔也未作任何更換，節(jié)約了大量的人力投入和資金投入。這更使我國電力行業(yè)對耐熱鋁合金導(dǎo)線用于輸電線路有了新的認可，這之后鋼芯耐熱鋁合金絞線在輸電線路上得到了更多的應(yīng)用機會。但是，目前已在架空輸電線路上使用的鋼芯耐熱鋁合金絞線，其導(dǎo)體導(dǎo)電率基本上都為58%IACS。隨著我國生產(chǎn)的60%IACS鋼芯耐熱鋁合金絞線的穩(wěn)定性、導(dǎo)電率和耐熱性、均勻性的提高，也由于相關(guān)國際標準的出臺，2005年以后已基本淘汰58%IACS的耐熱鋁合金線。

(2)高強耐熱鋁合金

2005年，根據(jù)工程需要，我國生產(chǎn)出符合三峽跨江大跨越導(dǎo)線要求的高強度耐熱鋁合金線。此高強度耐熱鋁合金線的抗拉強度可達252 MPa以上(絞后)，比普通純鋁線及60%IACS耐熱鋁合金線的強度高66%左右，比55%IACS高強度耐熱鋁合金線(AT2、原KTAl)的強度高17%左右。高強度耐熱鋁合金線適用于跨江大跨越、大容量的線路，嚴重覆冰區(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。

耐熱鋁合金導(dǎo)線具有較高的性價比，可以明顯降低線路的綜合造價，并有利于線路的安全運行。但是耐熱鋁合金導(dǎo)線的線損會有一定的增加，在大規(guī)模長距離輸電使用耐熱鋁合金時，應(yīng)加大導(dǎo)體截面，推薦在70～90℃運行，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。

4 結(jié)束語

各類鋁合金均有獨自的特點，鋁合金導(dǎo)線的整體技術(shù)性能優(yōu)于鋼芯鋁絞線，且使用壽命長，在輸電線路建設(shè)中已收到顯著效益，因而得到世界各國的廣泛應(yīng)用和重視，在我國電力建設(shè)中也必將得到進一步應(yīng)用。

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