鋁合金在架空導線領域的應用及發展

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線應用于高壓輸電線路，從20世紀50年代開始，鋁合金導線在歐洲、北美等國家和地區被廣泛采用，日本和美國的輸電線路50%以上采用鋁合金導線，法國更高達80%以上，即使是印度、孟加拉國等發展中國家，其使用量也較大。由于鋁合金導線的技術性能優越，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)，該種導線量大面廣，生產和應用較為成熟。但隨著技術進步及電力行業發展的需要，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的應用和發展情況逐一介紹。

1 高強度鋁合金線

1.1 高強度合金線的開發

最早的高強度鋁合金線1921年出自瑞士，其牌號為Aldrey，后來各國陸續開發生產了許多不同的牌號，如Simalec(英國)、Almelec(法國)、6101、6201(英國)、亻號、SI-33(R本)、Aж(原蘇聯)等。總的來說，這些高強度鋁合金均屬于可熱處理的Al-Mg-Si合金系，且經歷多年，合金的配方、元素組成基本未變，一直沿用至今，但隨著技術的發展，在制造工藝和裝備控制等方面有了新的發展。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。

發達國家開發的高強度鋁合金線的主要性能指標見表1。

我國鋁合金導線的研制始于上世紀60年代初期，當時曾在部分地區進行批量試用，但由于初期裝備的限制，產品采用半連續制造工藝，鋁合金線的性能很不穩定，導致在試用期間發生過斷股現象，使該產品在我國的推廣應用受到影響。后來，經過對鋁合金導線的制造工藝進行不斷改進，尤其是90年代以后，隨著我國工業總體水平的提高，工藝的提升及設備的改良，我國鋁合金導線的質量已大大提高，其各項技術性能指標均已達到或超過相應的國際標準，并大量出口，為我國鋁合金導線的大規模應用創 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

高強度鋁合金線經過多年的發展及應用，各國標準普遍趨于一致，其技術指標與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，其基本技術指標已確定。IEC 62641中對高強度鋁合金線的相關規定如表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標準中也有相關規定。

1.3 高強度鋁合金線的特點及應用

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點，特別適合在大跨越和嚴重覆冰地區使用。

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，節約建設投資，降低電能損失，具有較好的社會經濟效益。

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，導線在交流電壓作用下，不存在磁滯損耗和渦流損耗，技術經濟效果更佳。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的節電效益對比。

表4 全鋁合金絞線和鋼芯鋁絞線節電效益的比較

從表4可看出，采用全鋁合金導線只需運行半年即可收回多投入的建設成本。

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鋁合金芯鋁絞線、鋁合金型線絞線等導線。

2 中強度鋁合金線

2.1 中強度鋁合金線的開發

中強度鋁合金線發展最早的鋁－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。這種合金導電率高，蠕變性能好，價格也較低。它是在鋁－鎂系和鋁－鎂－稀土系合金基礎上發展而來的鋁－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年開發的“CM71”鋁－鎂－銅－鐵系加工硬化型合金，具有與MS-AL同樣優良的蠕變性能，比較適合用作電纜線芯。1970年前后開發的鋁－鎂－鐵系非熱處理合金有日本電線株式會社開發的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。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，同時導電性能也隨之獲得改善。

世界上很多國家都開發使用了中強度鋁合金線，其導電率較好(58.5%～59%IACS)，強度為240～255 MPa，并已有了較多成熟的應用經驗。各國生產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和生產，其數據見表6。

表6 國產中強度鋁合金線的化學成分及主要性能

從化學成分及性能指標來看，國產的中強度鋁合金線應屬SI-26合金，該牌號合金性能穩定可靠，研究及應用成熟度較高。

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國家標準或者行業標準，僅上海電纜研究所、中天科技等少數單位制定了相關的企業標準。表7是IEC 62641新標準中對中強度鋁合金的相關規定。

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規定。

2.3 中強度鋁合金線的應用

表8 SS 4240813標準中強度鋁合金線的技術指標

中強度全鋁合金絞線和鋁合金芯鋁絞線在國外已普遍應用，并取得了一定的運行經驗。其主要優點: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。這對自然環境的保護、電網建設的經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規定

華東電力設計院曾對國內某條線路進行分析，選用LGJ-400/35、JLHA1-400 52.5% IACS、JLHA2-400 53%IACS、JLHA3-400 58%IACS幾種導線的能損情況和經濟性做了比較(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價格比全鋁合金導線低20%，但每年線路損耗比JLHA3-400大7.63萬kWh。2008年華北地區上網電價0.363 94元/(kW·h)，銷售電價0.487 60元/(kW·h)。按上網電價計，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。可見，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、經濟優越性。

3 耐熱鋁合金線

3.1 耐熱鋁合金線的開發

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，而對導電率的影響可控制在最小的范圍內。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線設計人員的廣泛重視，并得到了系統的研究和開發。鋯元素既能提高鋁的再結晶溫度，又不大降低其導電率。99.0%的工業純鋁的再結晶溫度為185℃，而含有0.1%Zr的鋁－鋯合金，其再結晶溫度在320～330℃，使其再結晶溫度提高了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鍵在于連續澆鑄，隨著合金熔液(合金化鋁液)澆鑄溫度的增加，連續澆鑄得到的鑄坯，其缺陷產生的可能性越大，這將大大增加后續軋制和拉絲工序產生斷線的幾率。為了生產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整。當然，生產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滿足相關標準的技術要求。

耐熱鋁合金導線主要用于高壓和超高壓架空線路上，作為大容量導線、大電流地線、大跨越導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，只更換導線，即可使線路容量增加50%以上，從而獲得好的技術經濟效果。

目前，耐熱鋁合金線主要分為高導電、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，導電率55%IACS)兩種，而導電率為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年正式發布實施。lEC 62641新標準也將IEC 62004:2004的相關內容納入其中。

3.3 耐熱鋁合金線的應用

增加線路輸送容量的解決方案多種多樣，圖1從導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線，提高導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，可以構成不同的大容量耐熱鋁合金導線。由于耐熱鋁合金導線比同樣規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注，并隨著性能的不斷提高和品種的不斷增多，數十年來其應用得到了很大的發展。

3.3.1 國外對耐熱鋁合金的應用

日本從1960年開始在輸電線路中使用耐熱鋁合金導線，除了變電站用母線早已全部使用耐熱鋁合金導線以外，到1990年時，日本的500 kV輸電線路的導線已全部使用耐熱鋁合金導線。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線也有相當的數量，近20年來，東南亞地區耐熱鋁合金導線的使用量也有不小的增長。

3.3.2 我國耐熱鋁合金的應用情況

(1)普通耐熱鋁合金

我國應用耐熱鋁合金導線已有20余年歷史。1986年首先在安徽繁昌500 kV變電站采用國產1 440 mm2鋼芯58%導電率耐熱鋁合金絞線(NRLH58GJ)作為母線，取得了明顯的技術效果和經濟效益。最早作為架空輸電線路使用耐熱鋁合金導線是在1995年，武漢市供電局設計院對該市110 kV、4 km的英棲線路進行擴容改造。該工程采用國產的240/30型鋼芯耐熱鋁合金絞線(58%IACS)更換舊導線，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，節約了大量的人力投入和資金投入。這更使我國電力行業對耐熱鋁合金導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，其導體導電率基本上都為58%IACS。隨著我國生產的60%IACS鋼芯耐熱鋁合金絞線的穩定性、導電率和耐熱性、均勻性的提高，也由于相關國際標準的出臺，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，根據工程需要，我國生產出符合三峽跨江大跨越導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、山谷條件下的導線及超高壓線路上的導線和地線，可顯著提高輸送容量和線路的安全性，并能節約大量的金屬材料和基建投資。

耐熱鋁合金導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。但是耐熱鋁合金導線的線損會有一定的增加，在大規模長距離輸電使用耐熱鋁合金時，應加大導體截面，推薦在70～90℃運行，以減小線損，利用導線的耐熱性能使得線路安全系數增大，有效降低災害發生。

4 結束語

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

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