耐熱鋁合金導線的耐熱機制及其應用研究

摘 要：研究耐熱鋁合金導線這類新型導線的發熱機制，并探討其在鐵路輸電線路中的應用效益。通過查閱相關文獻資料，分析梳理這類新型導線的發熱機理，并研究其主要性能，最后介紹這類導線在鐵路輸電線路改造工程中的應用。結果表明，？準3.0的耐熱鋁合金單線在高溫處理后其抗拉強度仍較高，強度保持率不低于95.4%。60%導電率的鋼芯耐熱鋁合金絞線的耐熱性能與鋼芯耐熱鋁合金絞線是一樣的，它們的連續允許使用溫度都是150 ℃。與硬鋁線相比，耐熱鋁合金導線在蠕變性能、耐腐蝕性方面都水平相當。經分析2008年山東省M市220 kV鐵路輸電線路擴容改造工程發現，只更換耐熱導線的花費每千米只需45萬元，而如果更換全部鐵塔，花費為每千米133.9萬元。由此可知，耐熱鋁合金導線具有良好的耐熱性能，將其用于線路改造或新建中能有效節省投入費用，效益明顯。

關鍵詞：鐵路；輸電線路；耐熱鋁合金導線；耐熱機制；應用

中圖分類號：TM244+.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0098-04

Abstract： The heating mechanism of a new type of conductor such as heat-resistant aluminum alloy wire is studied， and its application benefit in railway transmission line is discussed. By consulting the relevant literature， the heating mechanism of this new type of wire is analyzed， and its main performance is studied， finally， the application of this kind of wire in railway transmission line reconstruction project is introduced. The results show that the tensile strength of ？準3.0 heat-resistant aluminum alloy single wire is still high after high-temperature treatment， and the strength retention rate is not less than 95.4%. The heat resistance of steel core heat-resistant aluminum alloy strands with 60% conductivity is the same as that of steel core heat-resistant aluminum alloy strands， and their continuous allowable temperature is 150 ℃. Compared with hard aluminum wire， heat-resistant aluminum alloy wire has the same level of creep performance and corrosion resistance. Based on the analysis of the capacity expansion and reconstruction project of 220 kV railway transmission line in M City， Shandong Province in 2008， it is found that the cost of only replacing heat-resistant wires is only 450 000 RMB/km， while the cost of replacing all towers is 1.339 million RMB/km. It can be seen that the heat-resistant aluminum alloy wire has good heat resistance， and its application in line reconstruction or new construction can effectively save the investment cost and the benefit is obvious.

Keywords： railway; transmission line; heat-resistant aluminum alloy wire; heat-resistant mechanism; application

伴隨國力的不斷增強，國內對電能的需求呈上升趨勢，而電力供需矛盾也日益突顯。由于土地升值、線路走廊資源緊張，清理輸電線路走廊所花費的成本將明顯高出線路本身的成本投入，而且輸電線路的容量改造要求施工時間不可太長。將耐熱導線投入到已有的高壓線路中有助于節約項目成本，縮短施工時間。而在電力需求擴大，新建線路難度大的鐵路老城區可以在現有線路桿塔的基礎上用耐熱增容導線加以替換，便可明顯減輕電力供需矛盾，也能在一定程度上緩解輸電線路建設方面的困難。

1 耐熱鋁合金導線的導體材料

就耐熱鋁合金導線中所用鋁線而言，材質為耐熱鋁合金導體材料，這種材料有利于電流輸送。日本在20世紀60年代就把上述導線投入到輸電線路工程建設中，剛開始由于這種材料的導電率約為58%，一般作為變電站母線。20世紀70年代開始這種材料的導電率增加了2%，被稱為60TACSR，在1973年它被正式用到輸電線工程中，直到20世紀90年代才在日本大規模應用[1]。早在1990年日本就把這種導線材料運用到500 kV輸電線工程建設中，作為輸電導線使用。日本需要通過大容量導線來解決不斷擴大的電力需求，于是不再使用原來的普通鋼芯鋁絞線（ACSR），而是大范圍應用60%導電率的鋼芯耐熱鋁合金絞線（60TACSR），目前，用量在整個輸電線路中的占比達到七成。國內在20世紀80年代末才開始關注耐熱鋁合金導線技術。最初航天電工技術有限公司與上海電纜研究所合作制成了耐熱鋁合金導體材料，導電率只有58%。待千禧之年后我國才制備出導電率為60%耐熱鋁合金導線[2]。如今伴隨需求的日益擴大，耐熱鋁合金導體材料獲得了廣泛的關注，相關材料研究技術人員也正積極研發導電率更高的這種材料。

2 耐熱鋁合金耐熱機制分析

導體材質大多為銅、鋁等金屬，通電后這類材質溫度會慢慢上升，它的機械性能卻會隨之變弱。這一點直接阻礙了輸電能力的提高[3]。美國人Mr．R．Herrington在1949年的實驗中發現，通過將適量金屬鋯（Zr）加入到鋁材之中，就能明顯改善鋁材的耐熱能力。這一發現獲得了全球諸多專業人士的關注[4]。之后日本將0.1%的鋯元素加入鋁材中得到耐熱鋁合金導線，并從20世紀60年代開始將其運用到輸電線路中。相較于常規鋼芯鋁絞線（ACSR），鋼芯耐熱鋁合金絞線（TACSR）雖然為最基本的耐熱鋁合金導線，但它的連續運行溫度與短時容許溫度均能提升60 ℃，依次為150 ℃與180 ℃，這表示輸電能力可以得到有效提升[5]。那么，這一原理是怎樣的呢？其實，關鍵在于將Zr元素融入鋁材后發生的再結晶現象，溫度明顯增高。基于金屬學理論來分析，具體的耐熱機理是金屬經過冷加工后其機械性能將得到強化。冷加工一般會引發一些晶格缺陷，常見的包括原子空格、轉位等問題，這就容易造成畸變能。由于金屬潛在熱力學的穩定性能受到晶格缺陷的影響，一旦溫度增高，原子的熱振動能量便會隨之變大，上述晶格缺陷就容易發生轉移。這將使金屬內部累積的畸變能逐漸變小，金屬的機械性能將回到冷加工之前的退火狀態。而金屬溫度上升所引發的原子轉位、晶格缺陷移動現象的恢復被業界稱為“再結晶退火”。亞結晶晶粒界限析出細微的AL3Zr就被稱為亞結晶粒成長，這能避免再結晶的發生。這說明析出的細微AL3Zr越多，金屬的耐熱性能也越強大[5]。不過這一結論只適合溫度超出400 ℃的金屬，但是架空輸電導線的運行溫度最多僅達到200 ℃，故而微小AL3Zr并不會影響到導線的耐熱性能。究其原因是固溶體鋯（Zr）在微觀層面的轉位活動受到阻礙，進而產生耐熱效應。

3 耐熱鋁合金導線的性能分析

3.1 耐熱性

導線材料的耐熱性主要包括2個指標，分別為耐蠕變性與耐軟化性。以耐蠕變性來說，它的意思是長時間在高溫條件下運行導線垂度并不會明顯增加。耐軟化性是指長期高溫運行中導線的強度并無明顯改變。在鐵路輸電線路生產實踐中大多通過2項指標來評價，即強度保持率與導線的綜合線脹系數。所謂強度保持率是指某個高溫狀態下將單線抗拉強度與室溫條件下的抗拉強度相除得到的結果，行業規范中明確記錄這一指標結果應超過90%。分析導線的綜合線脹系數這一指標，其大小主要和導線的抗蠕變性能有著較大的關聯，這項指標除了與材料存在關系以外，也與導線結構存在較大的關聯。在實際生產中選擇？準3.0的耐熱鋁合金單線。在室溫環境下檢測它的抗拉強度，再將其置于老化箱內，溫度設為150 ℃保持100 h之后進行冷卻處理，然后繼續在室溫條件下測定它的抗拉強度，結果見表1。

3.2 導電性能

早期設計出的耐熱鋁合金線（TAI）的突出問題就是高電阻率，而普通硬鋁線（HAI）的電阻率則明顯更低[6]。故而TAI的導電率是明顯比HAI要遜色多了，僅僅是58%IACS，而優質的普通硬鋁線導電率最高為61%IACS。鋼芯耐熱鋁合金絞線（TACSR）就是在常規的鋼芯鋁絞線的基礎上用耐熱鋁合金線取代普通的硬鋁線，因此，獲得耐熱性能更好、導線載流量更大的導線。但是這種導線也存在一些不足，其導電率并不優于普通鋼芯鋁絞線，在工作過程中溫度較高時，電阻也較大，故而TACSR在剛面世的時候，并未得到大范圍推廣。有學者發現，鈦（Ti）和釩（V）這2種元素可以改善金屬鋁的耐熱性能，而鋯元素對金屬鋁的導電率影響最大，其次為Ti與V。在實際應用中一般選擇鋯元素添加到耐熱鋁合金線中，每加入0.1%的鋯，則鋁合金導電率會下降4.1%左右。通過10余年的探索最終研制出導電率在60%IACS以上的耐熱鋁合金線（60TAI），進而使鋼芯60%導電率耐熱鋁合金絞線（60TACSR）問世，而且在1973年被正式應用到輸電線領域。58TAI就是58%導電率耐熱鋁合金線，它作為最初的一類耐熱鋁合金線，之后衍生出鋼芯耐熱鋁合金絞線，即58TACSR。與初期的TAI相比，60TAI無論是機械性能還是耐熱性能都與之相同，而且60TAI的導電率更高（表2）。分析導線的耐熱性能發現，通常與導電率存在反相關的慣性，如果只改善耐熱性能是不明智的，在輸電線路的建設工程中一般應將導線的導電率下降控制在規定的區間內。基于上述情況，有人將鋁中鋯的含量適度提升，并加入一些微量元素，優化加工工藝后研制出超耐熱鋁合金線（UTAI）。當耐熱鋁合金導線的工作溫度從70 ℃增至150 ℃，其載流量也會增加0.6倍，這種導線因為自身的導線弧垂極小，在處理凈空不足的線路時便可選擇這種導線，因為它能大幅節約線路凈空，進而有利于整個線路的成本控制。一般來說電流漲落偏大的區域比較適合選用這類導線。當傳輸同等容量電能時，由于耐熱導線的外徑變小，搭建鐵塔的成本也會縮小，而且架線便捷，也能在一定程度上節省投入。

3.3 蠕變性能

評價架空輸電線路運行是否安全的一項基本指標正是導線的蠕變特性。某電廠送電線路跳線選擇的是耐熱鋁合金導線（NRLH60GJF-400/35型），而通過硬鋁線（LGJ-400/35型）作為變電站之間的連接線，經過4年多的運行實踐發現，耐熱鋁合金導線的蠕變性能與硬鋁線之間并無明顯差別。

3.4 耐腐蝕性

采用實驗室鹽霧實驗研究這類導線的耐腐蝕性，然后做了室外大氣暴露實驗，結果顯示，無論是硬鋁線，還是耐熱鋁合金導線，2類導線的耐腐蝕性能水平相當。

4 耐熱鋁合金導線在鐵路輸電線路中的應用

4.1 項目概述

2008年山東省M市220 kV鐵路輸電線路擴容改造工程，預計摒棄原來的導線（2×LGJ-300/25），該電廠擴建2×300 MW機組，要求輸電線路輸送容量最高應為700 MVA，導線載流量應為1 837A（外部環境溫度在40 ℃），因此，單根導線載流量應達到920 A，而該項目位于鐵路周邊，舊線路很多都是交叉跨越的，障礙物也不少，若直接在原線路上更換鐵塔，不僅面臨著極大的拆遷困難，而且鐵塔更換成本較高。為此，經過反復研究對比決定使用JNRLH1S/EST-300/25型耐熱導線，從表3中可知相關技術參數。

4.2 計算分析

參照耐熱導線張力弧垂計算流程，并利用軟件得出當大于緊線溫度條件時滿足載流量要求的溫度所對應的張力弧垂，也可得出極限載流量要求下對應溫度的張力弧垂。載流量的具體計算參數為：風速選擇0.5 m/s，外部環境溫度取40 ℃，日照強度設定為0.1 W/cm2，0.9作為表面吸收系數。計算結果顯示，當在緊線溫度以下時，耐熱導線的弧垂與普通鋼芯鋁絞線的弧垂是毫無區別的，若導線溫度每上升10 ℃，則弧垂一般會增加0.35～0.38 m；當在緊線溫度以上時，耐熱導線溫度每升高10 ℃，則弧垂一般會增加0.13～0.14 m。這就是說，在緊線溫度以上的條件下耐熱導線的弧垂增幅僅僅為普通鋼芯鋁絞線的一半。

研究鋼芯與導電鋁基體的耐熱特點可以發現，70 ℃或80 ℃一般是普通鋼芯鋁絞線工作的最高溫度，當然有時也可以超過90 ℃，而150 ℃或210 ℃一般是耐熱導線工作的最高溫度。經仔細計算分析后確定本項目耐熱導線的工作溫度如果是150 ℃，其載流量將是普通鋼芯鋁絞線工作溫度為70 ℃時的2倍。通過計算發現，伴隨導線溫度的上升，耐熱導線的載流量就是普通鋼芯鋁絞線（70 ℃）時的2倍。對比弧垂可知，當導線溫度升高時，耐熱導線的弧垂變化比普通鋼芯鋁絞線的弧垂更加平緩。如果在緊線溫度以下，耐熱導線與普通鋼芯鋁絞線二者的弧垂是無差別的。如果在緊線溫度以上，耐熱導線的溫度弧垂曲線斜率僅僅為普通鋼芯鋁絞線的50%，當溫度升至150 ℃，耐熱導線的弧垂與普通鋼芯鋁絞線在70 ℃時的弧垂相似，這提示耐熱導線的線膨脹系數只有普通鋼芯鋁絞線的一半。通過實驗可知，耐熱導線的溫度如果超出緊線溫度，則導線的張力會轉移至鋼芯上，完成了鋁部張力的轉移。

4.3 效益分析

本項目工程若選用2×LGJ-400/35導線線路，這比應用2×LGJ-300/40導線的本體投入費用更多，每千米一般會增加3萬元成本。如果不用2×LGJ-400/35導線線路，而選用截面為300 mm2的耐熱導線，采用單回路導線，每千米會增加大約4.6萬元的成本；采用雙回路導線，每千米會增加大約8.9萬元的成本。通過以上改造方案，如果要更換全部鐵塔，該項目每千米需投入的經費約為133.9萬元，而只替換耐熱導線的費用是每千米45萬元。那么，在新建線路中引入耐熱導線能夠明顯節省開支，而在改造工程中能夠減少鐵塔、混凝土、場地等材料的投入，進而使工程造價得到有效的控制。

5 結束語

綜上所述，耐熱鋁合金導線因其獨特的耐熱機制具有良好的性能優勢，在國內電網增容改造、大跨越線路與常規線路、變電站建設中都得到了大量的應用。與普通導線相比，國產耐熱鋁合金導線的成本低、載流量高，比普通導線的綜合造價明顯更低，也能確保線路運行的安全，故而這類導線有很好的經濟效益與社會價值。

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