納米稀土改性高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)體材料研究*

李海龍，牟忠武，丁 一，祝志祥，龐 震，郎大志，李祿洋，張 強(qiáng)，陳保安，楊長龍

(1. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司， 沈陽 110003；2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司丹東供電公司，遼寧 丹東 118000；3. 先進(jìn)輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司)，北京102209)

0 引 言

我國的能源資源與電力負(fù)荷分布嚴(yán)重失衡，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口眾多的中東部及沿海地區(qū)有旺盛的電力需求，而能源資源主要分布于西部地區(qū)，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段和能源集中分布的特點(diǎn)決定了需要進(jìn)行高電壓、大容量、低損耗的遠(yuǎn)距離電力輸送。與此同時，“一帶一路”沿線國家和地區(qū)也提出了規(guī)模龐大的跨國聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，但是“一帶一路”沿線國家地形地貌及氣象條件復(fù)雜，電力建設(shè)需要克服諸如高溫高濕環(huán)境、大跨度輸電等困難，對架空輸電線路用導(dǎo)線的導(dǎo)電性、耐熱性提出了更高的要求。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的逐步構(gòu)建，大跨越、大高差區(qū)域?qū)⒃絹碓蕉?，迫切需要大量能輸送大電流并在較高溫度運(yùn)行服役的架空輸電導(dǎo)線。

現(xiàn)役架空輸電線路用導(dǎo)線主要為普通鋼芯鋁絞線，其所用的硬鋁導(dǎo)體材料20 ℃的導(dǎo)電率≥61%IACS(International Annealing Copper Standard, 國際退火銅標(biāo)準(zhǔn))，但其耐熱性較差(長期運(yùn)行溫度一般為90 ℃以下)、載流量低。耐熱鋁合金導(dǎo)線是一種性能良好的增容導(dǎo)線，可在不更換桿塔的條件下，直接采用更換耐熱鋁合金導(dǎo)線的方式提高線路輸送容量，省去了征地、拆建塔等程序，并大幅度縮短了工期。對于新建線路，耐熱鋁合金導(dǎo)線則具有降低鐵塔排位、降低弧垂、增大擋距、減少鐵塔數(shù)量且節(jié)省輸電走廊的優(yōu)點(diǎn)。此外，耐熱鋁合金導(dǎo)線可有效提升輸電線路的短時過負(fù)荷(如N-1故障)承受能力，保障新能源送出等架空輸電線路的安全可靠運(yùn)行。目前國內(nèi)外市場中耐熱鋁合金導(dǎo)線產(chǎn)品主要以60%IACS耐熱鋁合金導(dǎo)線為主，導(dǎo)電率較61%IACS普通鋼芯鋁絞線低1%IACS，每公里輸電損耗增加約0.5～1.0萬kWh/年，一定程度上限制了耐熱鋁合金導(dǎo)線的推廣應(yīng)用。近年來，利用納米稀土元素對現(xiàn)有耐熱鋁合金導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜改性，可在保證較高載流量的同時，進(jìn)一步提高耐熱鋁合金材料的導(dǎo)電率，減少輸電線損，成為目前耐熱鋁合金導(dǎo)體材料研究的熱點(diǎn)[1-6]。

1 耐熱鋁合金導(dǎo)體材料特點(diǎn)

耐熱鋁合金導(dǎo)線是指由耐熱鋁合金導(dǎo)體材料和芯線絞合而成的一種增容導(dǎo)線，具有長期運(yùn)行溫度高、弧垂小、輸送容量大等優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)線典型結(jié)構(gòu)見圖 1。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30551-2014《架空絞線用耐熱鋁合金線》規(guī)定的耐熱鋁合金導(dǎo)體單絲有四種型號：耐熱鋁合金線、高強(qiáng)度耐熱鋁合金線、超耐熱鋁合金線、特耐熱鋁合金線[7]。耐熱鋁合金導(dǎo)線采用的芯線主要有普通鋼芯、殷鋼芯、碳纖維復(fù)合芯等[8-9]。

圖1 耐熱鋁合金導(dǎo)線典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structural types of thermal-resistant aluminium alloy conductors

高導(dǎo)電率兼顧強(qiáng)度、耐熱性的高性能鋁合金導(dǎo)線是電力傳輸安全高效的基礎(chǔ)。根據(jù)焦耳定律，隨著輸電容量的增加，服役中架空導(dǎo)線發(fā)熱量增加，導(dǎo)致導(dǎo)線運(yùn)行溫度升高，其機(jī)械強(qiáng)度隨之降低，會引起導(dǎo)線弧垂增大，安全距離減小，可能引發(fā)事故。對于鋁合金線的耐熱性能，要求其在通電后溫度達(dá)到最高允許連續(xù)運(yùn)行溫度時的機(jī)械強(qiáng)度保持率不小于90%，以保證導(dǎo)線對地距離在安全范圍之內(nèi)?，F(xiàn)役耐熱鋁合金導(dǎo)線用耐熱鋁合金導(dǎo)體線與普通鋼芯鋁絞線用硬鋁線的性能參數(shù)比較見表1，可以看出耐熱鋁合金導(dǎo)體線的長期運(yùn)行溫度為150 ℃以上，硬鋁線的長期運(yùn)行溫度為90 ℃以下。根據(jù)熱能平衡原理計(jì)算導(dǎo)線的載流量可知，相同環(huán)境條件下耐熱鋁合金導(dǎo)線的載流量可較同規(guī)格鋼芯鋁絞線提升40%以上[7-11]。目前國內(nèi)外市場上耐熱鋁合金線成熟產(chǎn)品的導(dǎo)電率最高為60%IACS，輸電線損較普通鋼芯鋁絞線(導(dǎo)電率為61%IACS)高1.5%以上。

表1 耐熱鋁合金線的性能參數(shù)

2 納米稀土改性耐熱鋁合金導(dǎo)體材料研究

2.1 耐熱鋁合金導(dǎo)體材料的制備技術(shù)研究

國外高導(dǎo)耐熱鋁合金材料開發(fā)較早，其中日本的耐熱鋁合金導(dǎo)線性能最優(yōu)。美國學(xué)者于1949年首次發(fā)現(xiàn)在電工鋁材料中添加適量金屬鋯元素可大幅提高鋁材的耐熱性能，使制備的導(dǎo)線可在較高運(yùn)行溫度下安全服役，實(shí)現(xiàn)了輸送容量的提升。通過對Au、Ah、Fe、B、Zr、Be、Y、Cd、Sb、鑭系和錒系等微合金化元素對鋁導(dǎo)體材料的力學(xué)、電學(xué)及耐熱性能影響的系統(tǒng)研究，開發(fā)出固溶型鋯耐熱鋁合金導(dǎo)體材料[12-15]。為進(jìn)一步提高導(dǎo)電率，日本研究者通過在耐熱鋁合金中添加納米級Be、Au、Ag、Mg、Cu、Y等合金化元素，結(jié)合均勻化、時效等熱處理手段，利用時效過程中析出不同形式的第二相，研制出61%IACS及以上導(dǎo)電率的析出型耐熱鋁合金導(dǎo)體。歐美等國在耐熱鋁合金導(dǎo)體方面也進(jìn)行了系列研究，美國South Wire公司開發(fā)的Al-Fe系耐熱鋁合金導(dǎo)體材料、美鋁公司開發(fā)的CK76合金、加鋁公司的1320C合金，瑞典Elekrocoppar公司的DuctAlex合金等，這些合金圍繞Fe、Cu、Mg等元素的合金化，改善了鋁合金導(dǎo)體的導(dǎo)電性和耐熱性。國外對于導(dǎo)電率≥61%IACS的耐熱鋁合金導(dǎo)線已有相關(guān)報(bào)道，但由于其制備工藝苛刻，設(shè)備要求高，無法實(shí)現(xiàn)批量化工業(yè)生產(chǎn)，迫切需求新型高導(dǎo)耐熱鋁合金導(dǎo)線的開發(fā)和國產(chǎn)化替代。

我國的研究機(jī)構(gòu)及導(dǎo)線生產(chǎn)廠家緊跟國外研究步伐，代表單位有上海電纜研究所、華北電力大學(xué)、中南大學(xué)、江蘇中天科技等[16-19]。上海電纜研究所發(fā)展了電工鋁導(dǎo)體的稀土處理、硼化處理及其綜合處理技術(shù)，使我國的電工硬鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電率達(dá)到61%IACS及以上，在此基礎(chǔ)上采用工業(yè)高純鋁錠(Al含量≥99.85%)作為原料，開發(fā)出導(dǎo)電率不低于60%IACS的非熱處理型耐熱鋁合金導(dǎo)線。江蘇中天科技通過控制B、Zr等微合金化元素添加量及優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)，研制出導(dǎo)電率≥61%IACS的耐熱鋁合金導(dǎo)線。華北電力大學(xué)在對B、Zr、Y等合金元素交互作用研究的基礎(chǔ)上，研制出導(dǎo)電率61%IACS的非熱處理型稀土耐熱鋁合金導(dǎo)體材料。

2.2 納米稀土改性高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)體材料的研究

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司聯(lián)合全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司等單位開展納米稀土改性高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)體材料的研究。利用純度為99.7%Al的工業(yè)純鋁錠為原料，通過添加適量的B、Zr、Sc元素進(jìn)行微合金化，其中Sc元素為納米級的粉末，純度為99.99%。通過優(yōu)化控制Cr、Mn、V、Ti 4種雜質(zhì)元素的總量(質(zhì)量百分比控制在0.006%以下)以及Fe、Si元素的含量，采用熔煉凈化、鑄造、軋制及拉拔工藝制備出導(dǎo)電率≥61.5%IACS的納米稀土改性的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲產(chǎn)品。

圖2和表2分別給出了耐熱鋁合金單絲的微觀形貌及其主要性能參數(shù)多次測量的平均測試結(jié)果。從圖2可以看出，所制備的單絲樣品微觀組織致密均勻，細(xì)小的第二相粒子彌散分布在晶界處。經(jīng)排水法測得的單絲材料平均密度為2.704 g/cm3，接近理論密度。從表2可以看出，所制備的耐熱鋁合金單絲具有良好的導(dǎo)電率、強(qiáng)度及耐熱性，主要是由于納米稀土Sc元素可以顯著提高鋁合金的強(qiáng)度、耐熱性，且能減少鋁合金的枝晶偏析，細(xì)化鋁合金的晶粒組織，同時納米稀土Sc還可與鋁合金中的部分雜質(zhì)元素Fe、Si反應(yīng)，使雜質(zhì)元素從原子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲龀鰬B(tài)，從而提高耐熱鋁合金的導(dǎo)電率。

表2 納米稀土改性耐熱鋁合金單絲的性能

圖2 耐熱鋁合金單絲的微觀形貌Fig 2 Morphology of thermal-resistant aluminium alloy wire

為評估納米稀土改性高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)體材料的載流特性，利用該導(dǎo)體材料與鋁包鋼芯絞制成導(dǎo)電率為61.5%IACS的鋁包鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線(型號為JNRLH61.5/LB20A-240/30)，同時與市售的同截面的普通鋼芯61%IACS鋁絞線(型號為JL/G1A-240/30)、鋁包鋼芯60%IACS耐熱鋁合金導(dǎo)線(型號為JNRLH60/LB20A-240/30)進(jìn)行載流能力比較。測試試驗(yàn)時，將上述相同截面的3種絞線用耐張線夾和接續(xù)管壓接在一起后，安裝在臥式拉力試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，在試樣組件兩端耐張線夾連接接線銅排，使試樣組件接入大電流試驗(yàn)系統(tǒng)。在導(dǎo)線外層鋁線與其緊鄰內(nèi)層鋁線之間敷設(shè)測溫?zé)犭娕己?，對?dǎo)線施加載荷至25%RTS，在此張力下進(jìn)行載流量測試，圖3為相同溫度下3種絞線的載流量測試結(jié)果，可以看出在所測試的導(dǎo)線溫度范圍內(nèi)(50.6～150.6 ℃)，鋁包鋼芯61.5%IACS耐熱鋁合金導(dǎo)線較鋁包鋼芯60%IACS耐熱鋁合金導(dǎo)線、普通鋼芯61%IACS鋁絞線具有更好的載流效果，顯示出納米稀土改性的61.5%IACS高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)線良好的高溫載流能力和節(jié)能特性。

圖3 相同導(dǎo)線溫度下種絞線的載流量測試結(jié)果Fig 3 Results of current carrying capacity for wires under the same conductor temperature

2.3 納米稀土對鋁合金導(dǎo)體材料導(dǎo)電率、耐熱性的影響

鋁合金導(dǎo)體材料中鋁的純度越高，導(dǎo)電率越高，而耐熱性越低，通常采用凈化處理來提高鋁合金導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能[20]。鋁導(dǎo)體的耐熱性與其再結(jié)晶溫度有關(guān)，再結(jié)晶溫度越高，耐熱性越好，添加Zr、Ti和V等合金元素可以有效提高其再結(jié)晶溫度[21-22]。當(dāng)鋁導(dǎo)體中存在雜質(zhì)時，會使其晶格發(fā)生畸變，增強(qiáng)與流動電子的相互作用，產(chǎn)生電阻。導(dǎo)體中缺陷(夾渣、氣孔、縮松等)越多，電阻越大，并且鋁合金中固溶態(tài)的雜質(zhì)或合金原子會極大的增強(qiáng)電阻率，是析出態(tài)的幾倍甚至幾十倍[23]。因此獲得高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)體材料的關(guān)鍵在于導(dǎo)電率與耐熱性之間的平衡，為解決上述的問題，提出利用鋁合金中各合金元素間的交互作用來減少平衡固溶度。將納米稀土元素添加到鋁合金中，既可以與基體進(jìn)行交互作用將原本粗大的晶粒細(xì)化，也可與其他合金元素進(jìn)行交互，減少氫、氧、鹵素等非金屬有害雜質(zhì)，并且可以結(jié)合生成多種化合物，顯著降低其平衡固溶度[24]。

目前常用的稀土元素主要有Er、Y和Ce等。張建新等[25]研究發(fā)現(xiàn)添加少量稀土Er(≤0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))可以提高6063鋁合金導(dǎo)電率且含量為0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時達(dá)到最大，研究發(fā)現(xiàn)Er元素分別與Al、Si結(jié)合生成了Al3Er和Er5Si3相，轉(zhuǎn)變?yōu)槲龀鰬B(tài)，從而提高了導(dǎo)電率，但添加量過高(≥0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))時，只生成Al3Er相，其提高的導(dǎo)電率低于固溶增加的電阻率，導(dǎo)電率降低。其他學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)稀土Er可以和鋁結(jié)合形成共晶反應(yīng)物Al3Er(Er含量較多時呈連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))，反應(yīng)物可以抑制晶粒生長并釘扎位錯和亞晶界，有效提高鋁合金的耐熱性能[26-27]。稀土Y生成的高熔點(diǎn)第二相呈網(wǎng)狀沿晶界分布，可以阻礙晶粒長大，細(xì)化晶粒，增強(qiáng)晶界抗滑移和蠕變的能力，使合金具有高的再結(jié)晶溫度[28]。但Y含量高于0.20%時會使含Y相聚集長大成塊狀，導(dǎo)致鋁合金性能下降[29]。牛艷萍等[30]研究發(fā)現(xiàn)添加稀土元素Y可以細(xì)化Al-0.8Mg-0.7Si合金的晶粒，提高導(dǎo)電率和力學(xué)性能。李紅英等[31]研究了富Ce稀土改性對鋁合金組織和導(dǎo)電性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：添加0.10%的富Ce稀土可以細(xì)化并凈化鋁合金組織、加強(qiáng)對雜質(zhì)相的變質(zhì)作用；提高富Ce稀土添加量可以提高其導(dǎo)電率，添加量為0.30%時，導(dǎo)電率可達(dá)到62.10%IACS，但會使其對合金組織的細(xì)化效果減弱；高溫環(huán)境下高富Ce稀土添加量會增大合金的電阻率。

2.4 納米稀土改性耐熱鋁合金增容導(dǎo)體材料應(yīng)用場景

我國大容量輸電主要采用提高輸電電壓，加大導(dǎo)線橫截面積來提高線路的輸送容量，然而大截面導(dǎo)線的使用帶來了架設(shè)施工、桿塔結(jié)構(gòu)、金具等經(jīng)濟(jì)性和線路運(yùn)行安全性的諸多問題。納米稀土改性耐熱鋁合金增容導(dǎo)體材料給電力運(yùn)行部門提供了一種全新的增容方案，根據(jù)上述耐熱鋁合金導(dǎo)線的增容原理，只需簡單更換導(dǎo)線及配套相應(yīng)的架線技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)1.6～2.0倍輸送容量而不增加弧垂，節(jié)省了大量改造資金，省去了征地、拆建塔等程序，并大幅度縮短了工期；對于新建線路，高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)線則具有降低鐵塔排位、降低弧垂、增大擋距、減少鐵塔數(shù)量且節(jié)省輸電走廊的優(yōu)點(diǎn)。

針對納米稀土改性耐熱鋁合金增容導(dǎo)體材料的性能特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于以下場景：(1)66 kV及以上架空輸電線路增容改造工程，可優(yōu)先采用高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)線；(2)針對直流接地極線路，采用高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)線可有效降低線路走廊面積和線路投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；(3)針對電廠送出、換流站交流進(jìn)出線及新能源送出等新建工程，若輸電線路短期負(fù)荷超過普通鋼芯鋁絞線設(shè)計(jì)熱穩(wěn)定負(fù)荷，可優(yōu)先選用高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)線，提升線路的運(yùn)行安全性。

3 結(jié) 語

納米稀土改性高導(dǎo)電率(≥61.5%IACS)耐熱鋁合金導(dǎo)體材料相比現(xiàn)役60%IACS耐熱鋁合金導(dǎo)體材料，具有可在較高運(yùn)行溫度(≥150 ℃)下長期穩(wěn)定工作，允許承載的電流更大的優(yōu)點(diǎn)?？梢栽谟行岣呔€路運(yùn)行的安全可靠性的同時，減少施工、維護(hù)成本，延長輸電線路壽命和節(jié)約線路走廊占地，同時還可減少碳排放，為碳中和目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。納米稀土改性高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)體材料有望在未來城網(wǎng)線路擴(kuò)容改造工程中，使用等截面的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)線更換在役普通鋼芯鋁絞線，有效提升輸電容量40%～60%，大量節(jié)約工程投資，確保輸電線路長期安全可靠運(yùn)行。