耐热铝合金导线的耐热机制及其应用研究

摘 要：研究耐热铝合金导线这类新型导线的发热机制，并探讨其在铁路输电线路中的应用效益。通过查阅相关文献资料，分析梳理这类新型导线的发热机理，并研究其主要性能，最后介绍这类导线在铁路输电线路改造工程中的应用。结果表明，？准3.0的耐热铝合金单线在高温处理后其抗拉强度仍较高，强度保持率不低于95.4%。60%导电率的钢芯耐热铝合金绞线的耐热性能与钢芯耐热铝合金绞线是一样的，它们的连续允许使用温度都是150 ℃。与硬铝线相比，耐热铝合金导线在蠕变性能、耐腐蚀性方面都水平相当。经分析2008年山东省M市220 kV铁路输电线路扩容改造工程发现，只更换耐热导线的花费每千米只需45万元，而如果更换全部铁塔，花费为每千米133.9万元。由此可知，耐热铝合金导线具有良好的耐热性能，将其用于线路改造或新建中能有效节省投入费用，效益明显。

关键词：铁路；输电线路；耐热铝合金导线；耐热机制；应用

中图分类号：TM244+.2 文献标志码：A 文章编号：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 ？准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

伴随国力的不断增强，国内对电能的需求呈上升趋势，而电力供需矛盾也日益突显。由于土地升值、线路走廊资源紧张，清理输电线路走廊所花费的成本将明显高出线路本身的成本投入，而且输电线路的容量改造要求施工时间不可太长。将耐热导线投入到已有的高压线路中有助于节约项目成本，缩短施工时间。而在电力需求扩大，新建线路难度大的铁路老城区可以在现有线路杆塔的基础上用耐热增容导线加以替换，便可明显减轻电力供需矛盾，也能在一定程度上缓解输电线路建设方面的困难。

1 耐热铝合金导线的导体材料

就耐热铝合金导线中所用铝线而言，材质为耐热铝合金导体材料，这种材料有利于电流输送。日本在20世纪60年代就把上述导线投入到输电线路工程建设中，刚开始由于这种材料的导电率约为58%，一般作为变电站母线。20世纪70年代开始这种材料的导电率增加了2%，被称为60TACSR，在1973年它被正式用到输电线工程中，直到20世纪90年代才在日本大规模应用[1]。早在1990年日本就把这种导线材料运用到500 kV输电线工程建设中，作为输电导线使用。日本需要通过大容量导线来解决不断扩大的电力需求，于是不再使用原来的普通钢芯铝绞线（ACSR），而是大范围应用60%导电率的钢芯耐热铝合金绞线（60TACSR），目前，用量在整个输电线路中的占比达到七成。国内在20世纪80年代末才开始关注耐热铝合金导线技术。最初航天电工技术有限公司与上海电缆研究所合作制成了耐热铝合金导体材料，导电率只有58%。待千禧之年后我国才制备出导电率为60%耐热铝合金导线[2]。如今伴随需求的日益扩大，耐热铝合金导体材料获得了广泛的关注，相关材料研究技术人员也正积极研发导电率更高的这种材料。

2 耐热铝合金耐热机制分析

导体材质大多为铜、铝等金属，通电后这类材质温度会慢慢上升，它的机械性能却会随之变弱。这一点直接阻碍了输电能力的提高[3]。美国人Mr．R．Herrington在1949年的实验中发现，通过将适量金属锆（Zr）加入到铝材之中，就能明显改善铝材的耐热能力。这一发现获得了全球诸多专业人士的关注[4]。之后日本将0.1%的锆元素加入铝材中得到耐热铝合金导线，并从20世纪60年代开始将其运用到输电线路中。相较于常规钢芯铝绞线（ACSR），钢芯耐热铝合金绞线（TACSR）虽然为最基本的耐热铝合金导线，但它的连续运行温度与短时容许温度均能提升60 ℃，依次为150 ℃与180 ℃，这表示输电能力可以得到有效提升[5]。那么，这一原理是怎样的呢？其实，关键在于将Zr元素融入铝材后发生的再结晶现象，温度明显增高。基于金属学理论来分析，具体的耐热机理是金属经过冷加工后其机械性能将得到强化。冷加工一般会引发一些晶格缺陷，常见的包括原子空格、转位等问题，这就容易造成畸变能。由于金属潜在热力学的稳定性能受到晶格缺陷的影响，一旦温度增高，原子的热振动能量便会随之变大，上述晶格缺陷就容易发生转移。这将使金属内部累积的畸变能逐渐变小，金属的机械性能将回到冷加工之前的退火状态。而金属温度上升所引发的原子转位、晶格缺陷移动现象的恢复被业界称为“再结晶退火”。亚结晶晶粒界限析出细微的AL3Zr就被称为亚结晶粒成长，这能避免再结晶的发生。这说明析出的细微AL3Zr越多，金属的耐热性能也越强大[5]。不过这一结论只适合温度超出400 ℃的金属，但是架空输电导线的运行温度最多仅达到200 ℃，故而微小AL3Zr并不会影响到导线的耐热性能。究其原因是固溶体锆（Zr）在微观层面的转位活动受到阻碍，进而产生耐热效应。

3 耐热铝合金导线的性能分析

3.1 耐热性

导线材料的耐热性主要包括2个指标，分别为耐蠕变性与耐软化性。以耐蠕变性来说，它的意思是长时间在高温条件下运行导线垂度并不会明显增加。耐软化性是指长期高温运行中导线的强度并无明显改变。在铁路输电线路生产实践中大多通过2项指标来评价，即强度保持率与导线的综合线胀系数。所谓强度保持率是指某个高温状态下将单线抗拉强度与室温条件下的抗拉强度相除得到的结果，行业规范中明确记录这一指标结果应超过90%。分析导线的综合线胀系数这一指标，其大小主要和导线的抗蠕变性能有着较大的关联，这项指标除了与材料存在关系以外，也与导线结构存在较大的关联。在实际生产中选择？准3.0的耐热铝合金单线。在室温环境下检测它的抗拉强度，再将其置于老化箱内，温度设为150 ℃保持100 h之后进行冷却处理，然后继续在室温条件下测定它的抗拉强度，结果见表1。

3.2 导电性能

早期设计出的耐热铝合金线（TAI）的突出问题就是高电阻率，而普通硬铝线（HAI）的电阻率则明显更低[6]。故而TAI的导电率是明显比HAI要逊色多了，仅仅是58%IACS，而优质的普通硬铝线导电率最高为61%IACS。钢芯耐热铝合金绞线（TACSR）就是在常规的钢芯铝绞线的基础上用耐热铝合金线取代普通的硬铝线，因此，获得耐热性能更好、导线载流量更大的导线。但是这种导线也存在一些不足，其导电率并不优于普通钢芯铝绞线，在工作过程中温度较高时，电阻也较大，故而TACSR在刚面世的时候，并未得到大范围推广。有学者发现，钛（Ti）和钒（V）这2种元素可以改善金属铝的耐热性能，而锆元素对金属铝的导电率影响最大，其次为Ti与V。在实际应用中一般选择锆元素添加到耐热铝合金线中，每加入0.1%的锆，则铝合金导电率会下降4.1%左右。通过10余年的探索最终研制出导电率在60%IACS以上的耐热铝合金线（60TAI），进而使钢芯60%导电率耐热铝合金绞线（60TACSR）问世，而且在1973年被正式应用到输电线领域。58TAI就是58%导电率耐热铝合金线，它作为最初的一类耐热铝合金线，之后衍生出钢芯耐热铝合金绞线，即58TACSR。与初期的TAI相比，60TAI无论是机械性能还是耐热性能都与之相同，而且60TAI的导电率更高（表2）。分析导线的耐热性能发现，通常与导电率存在反相关的惯性，如果只改善耐热性能是不明智的，在输电线路的建设工程中一般应将导线的导电率下降控制在规定的区间内。基于上述情况，有人将铝中锆的含量适度提升，并加入一些微量元素，优化加工工艺后研制出超耐热铝合金线（UTAI）。当耐热铝合金导线的工作温度从70 ℃增至150 ℃，其载流量也会增加0.6倍，这种导线因为自身的导线弧垂极小，在处理净空不足的线路时便可选择这种导线，因为它能大幅节约线路净空，进而有利于整个线路的成本控制。一般来说电流涨落偏大的区域比较适合选用这类导线。当传输同等容量电能时，由于耐热导线的外径变小，搭建铁塔的成本也会缩小，而且架线便捷，也能在一定程度上节省投入。

3.3 蠕变性能

评价架空输电线路运行是否安全的一项基本指标正是导线的蠕变特性。某电厂送电线路跳线选择的是耐热铝合金导线（NRLH60GJF-400/35型），而通过硬铝线（LGJ-400/35型）作为变电站之间的连接线，经过4年多的运行实践发现，耐热铝合金导线的蠕变性能与硬铝线之间并无明显差别。

3.4 耐腐蚀性

采用实验室盐雾实验研究这类导线的耐腐蚀性，然后做了室外大气暴露实验，结果显示，无论是硬铝线，还是耐热铝合金导线，2类导线的耐腐蚀性能水平相当。

4 耐热铝合金导线在铁路输电线路中的应用

4.1 项目概述

2008年山东省M市220 kV铁路输电线路扩容改造工程，预计摒弃原来的导线（2×LGJ-300/25），该电厂扩建2×300 MW机组，要求输电线路输送容量最高应为700 MVA，导线载流量应为1 837A（外部环境温度在40 ℃），因此，单根导线载流量应达到920 A，而该项目位于铁路周边，旧线路很多都是交叉跨越的，障碍物也不少，若直接在原线路上更换铁塔，不仅面临着极大的拆迁困难，而且铁塔更换成本较高。为此，经过反复研究对比决定使用JNRLH1S/EST-300/25型耐热导线，从表3中可知相关技术参数。

4.2 计算分析

参照耐热导线张力弧垂计算流程，并利用软件得出当大于紧线温度条件时满足载流量要求的温度所对应的张力弧垂，也可得出极限载流量要求下对应温度的张力弧垂。载流量的具体计算参数为：风速选择0.5 m/s，外部环境温度取40 ℃，日照强度设定为0.1 W/cm2，0.9作为表面吸收系数。计算结果显示，当在紧线温度以下时，耐热导线的弧垂与普通钢芯铝绞线的弧垂是毫无区别的，若导线温度每上升10 ℃，则弧垂一般会增加0.35～0.38 m；当在紧线温度以上时，耐热导线温度每升高10 ℃，则弧垂一般会增加0.13～0.14 m。这就是说，在紧线温度以上的条件下耐热导线的弧垂增幅仅仅为普通钢芯铝绞线的一半。

研究钢芯与导电铝基体的耐热特点可以发现，70 ℃或80 ℃一般是普通钢芯铝绞线工作的最高温度，当然有时也可以超过90 ℃，而150 ℃或210 ℃一般是耐热导线工作的最高温度。经仔细计算分析后确定本项目耐热导线的工作温度如果是150 ℃，其载流量将是普通钢芯铝绞线工作温度为70 ℃时的2倍。通过计算发现，伴随导线温度的上升，耐热导线的载流量就是普通钢芯铝绞线（70 ℃）时的2倍。对比弧垂可知，当导线温度升高时，耐热导线的弧垂变化比普通钢芯铝绞线的弧垂更加平缓。如果在紧线温度以下，耐热导线与普通钢芯铝绞线二者的弧垂是无差别的。如果在紧线温度以上，耐热导线的温度弧垂曲线斜率仅仅为普通钢芯铝绞线的50%，当温度升至150 ℃，耐热导线的弧垂与普通钢芯铝绞线在70 ℃时的弧垂相似，这提示耐热导线的线膨胀系数只有普通钢芯铝绞线的一半。通过实验可知，耐热导线的温度如果超出紧线温度，则导线的张力会转移至钢芯上，完成了铝部张力的转移。

4.3 效益分析

本项目工程若选用2×LGJ-400/35导线线路，这比应用2×LGJ-300/40导线的本体投入费用更多，每千米一般会增加3万元成本。如果不用2×LGJ-400/35导线线路，而选用截面为300 mm2的耐热导线，采用单回路导线，每千米会增加大约4.6万元的成本；采用双回路导线，每千米会增加大约8.9万元的成本。通过以上改造方案，如果要更换全部铁塔，该项目每千米需投入的经费约为133.9万元，而只替换耐热导线的费用是每千米45万元。那么，在新建线路中引入耐热导线能够明显节省开支，而在改造工程中能够减少铁塔、混凝土、场地等材料的投入，进而使工程造价得到有效的控制。

5 结束语

综上所述，耐热铝合金导线因其独特的耐热机制具有良好的性能优势，在国内电网增容改造、大跨越线路与常规线路、变电站建设中都得到了大量的应用。与普通导线相比，国产耐热铝合金导线的成本低、载流量高，比普通导线的综合造价明显更低，也能确保线路运行的安全，故而这类导线有很好的经济效益与社会价值。

参考文献：

[1] 秦君.耐热铝合金导线在输电线路中的应用[J].科技情报开发与经济，2011（24）：203-206.

[2] 张强，陈保安，祝志祥，等.架空导线用芯线材料综述[J].热加工工艺，2016，45（6）：20-22.

[3] 尤传永.耐热铝合金导线的耐热机理及其在输电线路中的应用[C]//输配技术国际会议.中国电力企业联合会，2003.

[4] 田连博，黄振宁.输电线路超耐热铝合金导线抗拉强度估计方法[J].工业加热，2021，50（10）：31-38.

[5] 刘建伟，赵枫，郝艳勇.国内钢芯耐热铝合金导线的研究和应用[J].电气时代，2016（12）：73-77，91.

[6] 祝志祥，韩钰，陈新，等.架空线路用高导电率耐热铝合金导线的研制[J].中国电力，2014，47（6）：66-69.