納米稀土改性高導電率耐熱鋁合金導體材料研究*

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

(1. 國網遼寧省電力有限公司， 沈陽 110003；2. 國網遼寧省電力有限公司丹東供電公司，遼寧 丹東 118000；3. 先進輸電技術國家重點實驗室(全球能源互聯網研究院有限公司)，北京102209)

0 引 言

我國的能源資源與電力負荷分布嚴重失衡，經濟發達、人口眾多的中東部及沿海地區有旺盛的電力需求，而能源資源主要分布于西部地區，我國的經濟發展階段和能源集中分布的特點決定了需要進行高電壓、大容量、低損耗的遠距離電力輸送。與此同時，“一帶一路”沿線國家和地區也提出了規模龐大的跨國聯網計劃，但是“一帶一路”沿線國家地形地貌及氣象條件復雜，電力建設需要克服諸如高溫高濕環境、大跨度輸電等困難，對架空輸電線路用導線的導電性、耐熱性提出了更高的要求。隨著全球能源互聯網的逐步構建，大跨越、大高差區域將越來越多，迫切需要大量能輸送大電流并在較高溫度運行服役的架空輸電導線。

現役架空輸電線路用導線主要為普通鋼芯鋁絞線，其所用的硬鋁導體材料20 ℃的導電率≥61%IACS(International Annealing Copper Standard, 國際退火銅標準)，但其耐熱性較差(長期運行溫度一般為90 ℃以下)、載流量低。耐熱鋁合金導線是一種性能良好的增容導線，可在不更換桿塔的條件下，直接采用更換耐熱鋁合金導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，耐熱鋁合金導線則具有降低鐵塔排位、降低弧垂、增大擋距、減少鐵塔數量且節省輸電走廊的優點。此外，耐熱鋁合金導線可有效提升輸電線路的短時過負荷(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行。目前國內外市場中耐熱鋁合金導線產品主要以60%IACS耐熱鋁合金導線為主，導電率較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線的推廣應用。近年來，利用納米稀土元素對現有耐熱鋁合金導體材料進行摻雜改性，可在保證較高載流量的同時，進一步提高耐熱鋁合金材料的導電率，減少輸電線損，成為目前耐熱鋁合金導體材料研究的熱點[1-6]。

1 耐熱鋁合金導體材料特點

耐熱鋁合金導線是指由耐熱鋁合金導體材料和芯線絞合而成的一種增容導線，具有長期運行溫度高、弧垂小、輸送容量大等優點，導線典型結構見圖 1。國家標準GB/T 30551-2014《架空絞線用耐熱鋁合金線》規定的耐熱鋁合金導體單絲有四種型號：耐熱鋁合金線、高強度耐熱鋁合金線、超耐熱鋁合金線、特耐熱鋁合金線[7]。耐熱鋁合金導線采用的芯線主要有普通鋼芯、殷鋼芯、碳纖維復合芯等[8-9]。

圖1 耐熱鋁合金導線典型結構示意圖Fig 1 Structural types of thermal-resistant aluminium alloy conductors

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

表1 耐熱鋁合金線的性能參數

2 納米稀土改性耐熱鋁合金導體材料研究

2.1 耐熱鋁合金導體材料的制備技術研究

國外高導耐熱鋁合金材料開發較早，其中日本的耐熱鋁合金導線性能最優。美國學者于1949年首次發現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，使制備的導線可在較高運行溫度下安全服役，實現了輸送容量的提升。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體材料的力學、電學及耐熱性能影響的系統研究，開發出固溶型鋯耐熱鋁合金導體材料[12-15]。為進一步提高導電率，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及以上導電率的析出型耐熱鋁合金導體。歐美等國在耐熱鋁合金導體方面也進行了系列研究，美國South Wire公司開發的Al-Fe系耐熱鋁合金導體材料、美鋁公司開發的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，改善了鋁合金導體的導電性和耐熱性。國外對于導電率≥61%IACS的耐熱鋁合金導線已有相關報道，但由于其制備工藝苛刻，設備要求高，無法實現批量化工業生產，迫切需求新型高導耐熱鋁合金導線的開發和國產化替代。

我國的研究機構及導線生產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、中南大學、江蘇中天科技等[16-19]。上海電纜研究所發展了電工鋁導體的稀土處理、硼化處理及其綜合處理技術，使我國的電工硬鋁導線的導電率達到61%IACS及以上，在此基礎上采用工業高純鋁錠(Al含量≥99.85%)作為原料，開發出導電率不低于60%IACS的非熱處理型耐熱鋁合金導線。江蘇中天科技通過控制B、Zr等微合金化元素添加量及優化熱處理工藝參數，研制出導電率≥61%IACS的耐熱鋁合金導線。華北電力大學在對B、Zr、Y等合金元素交互作用研究的基礎上，研制出導電率61%IACS的非熱處理型稀土耐熱鋁合金導體材料。

2.2 納米稀土改性高導電率耐熱鋁合金導體材料的研究

國網遼寧省電力有限公司聯合全球能源互聯網研究院有限公司等單位開展納米稀土改性高導電率耐熱鋁合金導體材料的研究。利用純度為99.7%Al的工業純鋁錠為原料，通過添加適量的B、Zr、Sc元素進行微合金化，其中Sc元素為納米級的粉末，純度為99.99%。通過優化控制Cr、Mn、V、Ti 4種雜質元素的總量(質量百分比控制在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電率≥61.5%IACS的納米稀土改性的高導電率耐熱鋁合金單絲產品。

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多次測量的平均測試結果。從圖2可以看出，所制備的單絲樣品微觀組織致密均勻，細小的第二相粒子彌散分布在晶界處。經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電率、強度及耐熱性，主要是由于納米稀土Sc元素可以顯著提高鋁合金的強度、耐熱性，且能減少鋁合金的枝晶偏析，細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元素Fe、Si反應，使雜質元素從原子態轉變為析出態，從而提高耐熱鋁合金的導電率。

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電率耐熱鋁合金導體材料的載流特性，利用該導體材料與鋁包鋼芯絞制成導電率為61.5%IACS的鋁包鋼芯耐熱鋁合金導線(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耐熱鋁合金導線(型號為JNRLH60/LB20A-240/30)進行載流能力比較。測試試驗時，將上述相同截面的3種絞線用耐張線夾和接續管壓接在一起后，安裝在臥式拉力試驗機內，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系統。在導線外層鋁線與其緊鄰內層鋁線之間敷設測溫熱電偶后，對導線施加載荷至25%RTS，在此張力下進行載流量測試，圖3為相同溫度下3種絞線的載流量測試結果，可以看出在所測試的導線溫度范圍內(50.6～150.6 ℃)，鋁包鋼芯61.5%IACS耐熱鋁合金導線較鋁包鋼芯60%IACS耐熱鋁合金導線、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高導電率耐熱鋁合金導線良好的高溫載流能力和節能特性。

圖3 相同導線溫度下種絞線的載流量測試結果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體材料導電率、耐熱性的影響

鋁合金導體材料中鋁的純度越高，導電率越高，而耐熱性越低，通常采用凈化處理來提高鋁合金導體材料的導電性能[20]。鋁導體的耐熱性與其再結晶溫度有關，再結晶溫度越高，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晶溫度[21-22]。當鋁導體中存在雜質時，會使其晶格發生畸變，增強與流動電子的相互作用，產生電阻。導體中缺陷(夾渣、氣孔、縮松等)越多，電阻越大，并且鋁合金中固溶態的雜質或合金原子會極大的增強電阻率，是析出態的幾倍甚至幾十倍[23]。因此獲得高導電率耐熱鋁合金導體材料的關鍵在于導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，既可以與基體進行交互作用將原本粗大的晶粒細化，也可與其他合金元素進行交互，減少氫、氧、鹵素等非金屬有害雜質，并且可以結合生成多種化合物，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]研究發現添加少量稀土Er(≤0.1%(質量分數))可以提高6063鋁合金導電率且含量為0.1%(質量分數)時達到最大，研究發現Er元素分別與Al、Si結合生成了Al3Er和Er5Si3相，轉變為析出態，從而提高了導電率，但添加量過高(≥0.1%(質量分數))時，只生成Al3Er相，其提高的導電率低于固溶增加的電阻率，導電率降低。其他學者研究發現稀土Er可以和鋁結合形成共晶反應物Al3Er(Er含量較多時呈連續網狀結構)，反應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生成的高熔點第二相呈網狀沿晶界分布，可以阻礙晶粒長大，細化晶粒，增強晶界抗滑移和蠕變的能力，使合金具有高的再結晶溫度[28]。但Y含量高于0.20%時會使含Y相聚集長大成塊狀，導致鋁合金性能下降[29]。牛艷萍等[30]研究發現添加稀土元素Y可以細化Al-0.8Mg-0.7Si合金的晶粒，提高導電率和力學性能。李紅英等[31]研究了富Ce稀土改性對鋁合金組織和導電性能的影響，實驗結果表明：添加0.10%的富Ce稀土可以細化并凈化鋁合金組織、加強對雜質相的變質作用；提高富Ce稀土添加量可以提高其導電率，添加量為0.30%時，導電率可達到62.10%IACS，但會使其對合金組織的細化效果減弱；高溫環境下高富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體材料應用場景

我國大容量輸電主要采用提高輸電電壓，加大導線橫截面積來提高線路的輸送容量，然而大截面導線的使用帶來了架設施工、桿塔結構、金具等經濟性和線路運行安全性的諸多問題。納米稀土改性耐熱鋁合金增容導體材料給電力運行部門提供了一種全新的增容方案，根據上述耐熱鋁合金導線的增容原理，只需簡單更換導線及配套相應的架線技術即可實現1.6～2.0倍輸送容量而不增加弧垂，節省了大量改造資金，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，高導電率耐熱鋁合金導線則具有降低鐵塔排位、降低弧垂、增大擋距、減少鐵塔數量且節省輸電走廊的優點。

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

3 結 語

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