铝合金在架空导线领域的应用及发展

刘 斌，郑 秋，党 朋，曾 伟

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

上世纪20年代，美国、瑞士和德国率先将铝合金导线应用于高压输电线路，从20世纪50年代开始，铝合金导线在欧洲、北美等国家和地区被广泛采用，日本和美国的输电线路50%以上采用铝合金导线，法国更高达80%以上，即使是印度、孟加拉国等发展中国家，其使用量也较大。由于铝合金导线的技术性能优越，运行效果良好，特别是在超高压线路和大跨越线路上使用效果更好，因而逐渐被世界各国广泛采用。

目前架空输电线路中使用最为广泛的仍是钢芯铝绞线(ACSR)，该种导线量大面广，生产和应用较为成熟。但随着技术进步及电力行业发展的需要，世界上许多国家的输电线路上已广泛使用各类铝合金导线，主要有全铝合金绞线(AAAC)、铝合金芯铝绞线(ACAR)、钢芯铝合金绞线(AACSR)等几类。本文将就铝合金单线的三大主要产品——高强度铝合金线、中强度铝合金线以及耐热系列铝合金线在国际及国内的应用和发展情况逐一介绍。

1 高强度铝合金线

1.1 高强度合金线的开发

最早的高强度铝合金线1921年出自瑞士，其牌号为Aldrey，后来各国陆续开发生产了许多不同的牌号，如Simalec(英国)、Almelec(法国)、6101、6201(英国)、亻号、SI-33(R本)、Aж(原苏联)等。总的来说，这些高强度铝合金均属于可热处理的Al-Mg-Si合金系，且经历多年，合金的配方、元素组成基本未变，一直沿用至今，但随着技术的发展，在制造工艺和装备控制等方面有了新的发展。铝镁硅系铝合金中，镁和硅在铝中形成强化相Mg2Si，其溶解度随着温度的增加而变化，因此可以进行热处理。

发达国家开发的高强度铝合金线的主要性能指标见表1。

我国铝合金导线的研制始于上世纪60年代初期，当时曾在部分地区进行批量试用，但由于初期装备的限制，产品采用半连续制造工艺，铝合金线的性能很不稳定，导致在试用期间发生过断股现象，使该产品在我国的推广应用受到影响。后来，经过对铝合金导线的制造工艺进行不断改进，尤其是90年代以后，随着我国工业总体水平的提高，工艺的提升及设备的改良，我国铝合金导线的质量已大大提高，其各项技术性能指标均已达到或超过相应的国际标准，并大量出口，为我国铝合金导线的大规模应用创 造了有利条件。

表1 各类高强度铝合金的性能

1.2 高强度铝合金线的标准

高强度铝合金线经过多年的发展及应用，各国标准普遍趋于一致，其技术指标与IEC 60104:1987“架空绞线用铝－镁－硅合金圆线”大同小异。国标GB/T 23308—2009就是等同采用IEC标准制定的。高强度铝合金线的抗拉强度约300 MPa，导电率约为53.0%IACS。

目前，IEC正在制定新的国际标准，旨在将所有铝单线进行合并，目前已进入CDV版本，其基本技术指标已确定。IEC 62641中对高强度铝合金线的相关规定如表2所示。

表2 高强度铝合金线的机械性能

此外，ASTM B398/B398M—2002、ASTM B399/B399M—1999标准中也有相关规定。

1.3 高强度铝合金线的特点及应用

1.3.1 钢芯铝合金绞线特点

钢芯铝合金绞线比钢芯铝绞线具有抗拉力大、重量轻、弧垂小、抗外负荷过载能力强等优点，特别适合在大跨越和严重覆冰地区使用。

表3对跨越档距为960 m的某220 kV跨江线路采用LGJJ-400加强型钢芯铝绞线、LHGJT-440钢芯铝合金绞线和GLJ-563铝包钢绞线进行了比较。

表3 几种跨越导线的比较

从表3可知，在大跨越工程中使用钢芯铝合金绞线，可以降低跨越塔高，节约建设投资，降低电能损失，具有较好的社会经济效益。

1.3.2 全铝合金绞线特点

全铝合金绞线是高强度铝合金线的另外一种应用形式，它同样具有很好的综合性能。与钢芯铝绞线相比，其抗拉强度大、弧垂性能好、导线表面硬度高、耐磨耐压、施工压接简单易行，而且因无钢芯，导线在交流电压作用下，不存在磁滞损耗和涡流损耗，技术经济效果更佳。全铝合金绞线不仅适用于改造线路，而且对新建线路，尤其是城区线路更具有良好的使用前景。

表4是对全铝合金绞线LHBJ-300与钢芯铝绞线LGJ-300/25的节电效益对比。

表4 全铝合金绞线和钢芯铝绞线节电效益的比较

从表4可看出，采用全铝合金导线只需运行半年即可收回多投入的建设成本。

除了钢芯铝合金绞线、全铝合金绞线外，高强度铝合金线还可用于生产铝合金芯铝绞线、铝合金型线绞线等导线。

2 中强度铝合金线

2.1 中强度铝合金线的开发

中强度铝合金线发展最早的铝－镁系“5005”合金是美国在1956年研制成功的。“5005”合金在美国已实用化，曾应用于500 kV架空线路中。此种合金因存在铸造和加工比较困难以及导电率比较低的缺点，故其使用受到限制。对这种合金进行改进后，出现了像“MS-AL”、“SI-26”、“KAL”和“CM71”等新牌号的合金。对于这些合金，一般从成分入手来改善其性能，同时也考虑到改善其耐蚀性能和加工性能。

2.1.1 加工硬化型的“MS-AL”和“CM71”合金

加工硬化型的“MS-AL”合金由日本古河电气公司在1965年研究成功，并于当年开始生产。这种合金导电率高，蠕变性能好，价格也较低。它是在铝－镁系和铝－镁－稀土系合金基础上发展而来的铝－镁－铜－铁－锑多元合金，其中铜、镁、铁各加0.1%～0.2%，以提高合金的强度;此外再加入铌，这不仅改善了合金的耐蚀性，更促使镁锑析出物的弥散强化，有利于改善合金的蠕变性能。

美国1970年开发的“CM71”铝－镁－铜－铁系加工硬化型合金，具有与MS-AL同样优良的蠕变性能，比较适合用作电缆线芯。1970年前后开发的铝－镁－铁系非热处理合金有日本电线株式会社开发的KAL合金、美国ALCAN和Western Electric公司的“CK76”合金，这类合金较适于架空导线使用。

2.1.2 非热处理加工硬化型KAL中强度铝合金

KAL合金属铝－镁－铁系合金，其制造工艺与硬铝线相同，采用连铸连轧制杆，成本较低。KAL合金线的膨胀系数与硬铝线相同，条件屈服极限σ0.2比硬铝线高30%以上，可达25 MPa，硬铝线约为18 MPa。

2.1.3 半热处理半加工硬化型的铝合金

日本住友开发的SI-26中强度铝合金是属铝－镁－硅系的合金。这种合金和同样是铝－镁－硅系的热处理型高强度铝合金相比，在热处理加工条件等方面存在不同特点，因此称之为半热处理半加工硬化型合金。

SI-26铝合金是具有Mg2Si有效强化析出相的合金。研究表明，冷加工与材料的时效强化性能有关。当含镁量不同时，自然时效和冷加工对铝－镁－硅系合金时效后性能的影响有所差异。镁含量为0.32%时，铝－镁－硅系合金自然时效后进行冷加工，再进行人工时效时，可显著提高时效强化效果，同时导电性能也随之获得改善。

世界上很多国家都开发使用了中强度铝合金线，其导电率较好(58.5%～59%IACS)，强度为240～255 MPa，并已有了较多成熟的应用经验。各国生产的中强度铝合金的主要牌号和性能情况见表5。

表5 各国生产的中强度铝合金的性能

我国近年来也进行了中强度铝合金的开发和生产，其数据见表6。

表6 国产中强度铝合金线的化学成分及主要性能

从化学成分及性能指标来看，国产的中强度铝合金线应属SI-26合金，该牌号合金性能稳定可靠，研究及应用成熟度较高。

2.2 中强度铝合金线的标准

我国还没有中强度铝合金线材的相关国家标准或者行业标准，仅上海电缆研究所、中天科技等少数单位制定了相关的企业标准。表7是IEC 62641新标准中对中强度铝合金的相关规定。

表7 中强度铝合金性能

表8是瑞典标准SS 4240813中对中强度铝合金线的规定。

表9是英国标准(欧标)BS EN 50183—2000中对中强度铝合金线的相关规定。

2.3 中强度铝合金线的应用

表8 SS 4240813标准中强度铝合金线的技术指标

中强度全铝合金绞线和铝合金芯铝绞线在国外已普遍应用，并取得了一定的运行经验。其主要优点:可加大杆塔档距，减少杆塔用量;降低线损，使工程综合造价大为降低。这对自然环境的保护、电网建设的经济效益和安全运行有着重要意义。

表9 BS EN 50183—2000对中强度铝合金线的相关规定

华东电力设计院曾对国内某条线路进行分析，选用LGJ-400/35、JLHA1-400 52.5% IACS、JLHA2-400 53%IACS、JLHA3-400 58%IACS几种导线的能损情况和经济性做了比较(见表10和表11)。

表10 能损比较

表11 材料价格比较

从表11可知，后三种全铝合金导线的总价比较接近，其中JLHA3-400总价最低，并且电能损耗最小。LGJ-400/35价格比全铝合金导线低20%，但每年线路损耗比JLHA3-400大7.63万kWh。2008年华北地区上网电价0.363 94元/(kW·h)，销售电价0.487 60元/(kW·h)。按上网电价计，2.26年损耗与差价抵销;按销售电价计，1.69年损耗与差价抵销。可见，中强度铝合金线用于制造全铝合金绞线在高压、超高压的新建线路中使用具有十分明显的技术、经济优越性。

3 耐热铝合金线

3.1 耐热铝合金线的开发

通常采用硬铝线制造的钢芯铝绞线有个缺点，就是因软化温度低而导致耐热性差，其运行温度在70～90℃。研究表明，在铝中添加少量锆制成铝合金，可提高其耐热性，而对导电率的影响可控制在最小的范围内。这项研究成果始于1950年，最早由美国提出。从1960年开始，这种铝合金受到日本导线设计人员的广泛重视，并得到了系统的研究和开发。锆元素既能提高铝的再结晶温度，又不大降低其导电率。99.0%的工业纯铝的再结晶温度为185℃，而含有0.1%Zr的铝－锆合金，其再结晶温度在320～330℃，使其再结晶温度提高了140℃左右。

到目前为止，尽管耐热铝合金的品种较多，但从合金系来看，均属于铝－锆合金系。由于含锆量、其它添加元素种类和含量不同，耐热铝合金线的制造工艺也有所不同。制造耐热铝合金杆的关键在于连续浇铸，随着合金熔液(合金化铝液)浇铸温度的增加，连续浇铸得到的铸坯，其缺陷产生的可能性越大，这将大大增加后续轧制和拉丝工序产生断线的几率。为了生产合格的耐热铝合金线，基本都需要进行热处理，目的在于控制其微观组织，使Al3Zr等颗粒在基体上充分析出且弥散分布。如果合金杆或合金线中的析出物呈条状甚至块状，将影响成品线的最终性能，因此必须对其合金成分、加工工艺和热处理工艺进行调整。当然，生产耐热铝合金线也可以不进行热处理，这样省时、省工并降低成本，但必须保证其性能应满足相关标准的技术要求。

耐热铝合金导线主要用于高压和超高压架空线路上，作为大容量导线、大电流地线、大跨越导线和变电站用的大电流母线使用;此外在老旧线路改造中亦可使用耐热铝合金导线，这样可在不改变铁塔高度、不改变线路走廊的条件下，只更换导线，即可使线路容量增加50%以上，从而获得好的技术经济效果。

目前，耐热铝合金线主要分为高导电、高强度、超耐热、特耐热等四种。实际工程中使用较多的是高导电(60%IACS)耐热铝合金线和高强耐热铝合金线(抗拉强度240 MPa，导电率55%IACS)两种，而导电率为58% IACS的耐热铝合金线已基本淘汰。

3.2 耐热铝合金线的标准

我国参加了IEC 62004:2007架空导线用耐热铝合金线国际标准的起草制定，该标准于2007年正式发布实施。lEC 62641新标准也将IEC 62004:2004的相关内容纳入其中。

3.3 耐热铝合金线的应用

增加线路输送容量的解决方案多种多样，图1从导线的角度对这些方案进行了归纳。

图1 增加线路输送容量的解决方案

架空线路上采用耐热铝合金导线，提高导线的运行温度是达到大容量输电的办法之一。将耐热合金线与不同的加强芯材料进行组合，可以构成不同的大容量耐热铝合金导线。由于耐热铝合金导线比同样规格的普通钢芯铝绞线能输送更多的电能，在它问世后不久即受到人们的关注，并随着性能的不断提高和品种的不断增多，数十年来其应用得到了很大的发展。

3.3.1 国外对耐热铝合金的应用

日本从1960年开始在输电线路中使用耐热铝合金导线，除了变电站用母线早已全部使用耐热铝合金导线以外，到1990年时，日本的500 kV输电线路的导线已全部使用耐热铝合金导线。同时，随着电力需求的不断增大，日本已大量使用钢芯60%导电率耐热铝合金绞线来代替普通钢芯铝绞线(ACSR);至2000年前后，其使用量已经达到全国输电线路总长的70%。美国、加拿大、法国在输电线路上使用耐热铝合金导线也有相当的数量，近20年来，东南亚地区耐热铝合金导线的使用量也有不小的增长。

3.3.2 我国耐热铝合金的应用情况

(1)普通耐热铝合金

我国应用耐热铝合金导线已有20余年历史。1986年首先在安徽繁昌500 kV变电站采用国产1 440 mm2钢芯58%导电率耐热铝合金绞线(NRLH58GJ)作为母线，取得了明显的技术效果和经济效益。最早作为架空输电线路使用耐热铝合金导线是在1995年，武汉市供电局设计院对该市110 kV、4 km的英栖线路进行扩容改造。该工程采用国产的240/30型钢芯耐热铝合金绞线(58%IACS)更换旧导线，不仅使输电容量(载流量)提高了1.37倍，而且原有的铁塔也未作任何更换，节约了大量的人力投入和资金投入。这更使我国电力行业对耐热铝合金导线用于输电线路有了新的认可，这之后钢芯耐热铝合金绞线在输电线路上得到了更多的应用机会。但是，目前已在架空输电线路上使用的钢芯耐热铝合金绞线，其导体导电率基本上都为58%IACS。随着我国生产的60%IACS钢芯耐热铝合金绞线的稳定性、导电率和耐热性、均匀性的提高，也由于相关国际标准的出台，2005年以后已基本淘汰58%IACS的耐热铝合金线。

(2)高强耐热铝合金

2005年，根据工程需要，我国生产出符合三峡跨江大跨越导线要求的高强度耐热铝合金线。此高强度耐热铝合金线的抗拉强度可达252 MPa以上(绞后)，比普通纯铝线及60%IACS耐热铝合金线的强度高66%左右，比55%IACS高强度耐热铝合金线(AT2、原KTAl)的强度高17%左右。高强度耐热铝合金线适用于跨江大跨越、大容量的线路，严重覆冰区、山谷条件下的导线及超高压线路上的导线和地线，可显著提高输送容量和线路的安全性，并能节约大量的金属材料和基建投资。

耐热铝合金导线具有较高的性价比，可以明显降低线路的综合造价，并有利于线路的安全运行。但是耐热铝合金导线的线损会有一定的增加，在大规模长距离输电使用耐热铝合金时，应加大导体截面，推荐在70～90℃运行，以减小线损，利用导线的耐热性能使得线路安全系数增大，有效降低灾害发生。

4 结束语

各类铝合金均有独自的特点，铝合金导线的整体技术性能优于钢芯铝绞线，且使用寿命长，在输电线路建设中已收到显著效益，因而得到世界各国的广泛应用和重视，在我国电力建设中也必将得到进一步应用。

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