新型材料的输电技术

新型材料的输电技术

随着电源容量、用电需求的迅速增长以及资源能源的日益紧张和环境保护的限制不断加大，需要新建线路或改造已有线路，进一步提高电网的输电能力，尤其在经济发达地区，这个问题就更加突出。低损耗、环保型、节约型、大容量的新型材料输电技术随着科学技术、

材料技术、制造水平以及工艺水平的不断提高，将发挥越来越重要的作用。

一、新型导线技术：

1． 全铝合金导线

目前在西欧、北欧、北美、日本、南亚等国家，铝合金导线作为架空输电线路已广泛应用，但我国目前应用量还不到1％。全铝合金导线与目前普通采用的钢芯铝绞线（ACSR）相比，具有弧垂特性高、耐腐蚀、表面耐损伤、伸长率大、线损小以及抗蠕变性能好等优点。

2． 耐热铝合金导线

上世纪60年代日本研制了耐热铝合金导线，其连续运行温度及短时允许温度比常规ACSR要提高60℃，分别为150℃和180℃，从而大大提高了输电能力。耐热铝合金是由EC级铝、少量锆和其他元素组成，具有较高的重结晶温度，所以耐热铝合金连续工作温度可达150℃，载流量可提高1.4～1.6倍。同时加锆对改善导线的耐软化性和耐蠕变性有显著的效果。为减少电腐蚀，钢芯采用铝包钢。

3． 倍容量导线

倍容量导线也叫超耐热铝合金导线。该导线除具有耐热铝合金导线的优点外，最大的特点为导线允许温度可达230℃，载流量提高约2倍；导线钢芯采用铝包INVAR线，显著地限制了导线弧垂。倍容量导线的线径、质量、张力、弧垂等特性与常用的ACSR基本相同，

所以线路改造时，原有杆塔、基础可完全利用。

4． 新型复合材料合成芯导线

随着材料技术的不断进步，20世纪末人们尝试用有机复合材料代替金属材料制作导线的芯材，开发出了新型复合材料合成芯导线。这种导线充分发挥了有机复合材料的特点，与目前各种架空导线相比，具有重量轻、强度高、热稳定性好、驰度低、载流量大、耐腐蚀的

特点，从节能、节地、节材、环保、提高输电能力等方面看，具有很好的应用前景，特别适用于老线路的改造。

20世纪90年代日本开发了复合材料合成芯导线，产品分为碳纤维芯铝绞线（ACFR）和耐热碳纤维芯耐热铝合金绞线（TACFR）两种，前者在实际线路试验了4年多。复合材料芯线主要由碳纤维和热硬化性树脂构成。用12000根直径为7μ的PAN系碳纤维涂上未硬化的热硬化性树脂绞在一起，在缠上有机纤维形成一根股线，然后用7根股线绞成合成绞线。再经过最后的热处理使树脂完全硬化，最后形成复合材料芯线。复合材料芯线质量是常规钢芯的约1/5，线膨胀系数约为1/12。试验证明，这种新型复合材料芯导线的抗拉强度远远超过了ACSR，在常温下的应力——伸长特性呈现弹性体，没有塑性变性，破断时的伸长量比钢绞线小，约为1.6％。耐

热性基本与ACSR相同。

美国新型复合材料合成芯导线开发研究较为成功的是CTC公司，2003年该公司又推出了型号为ACCC的复合材料合成芯导线——碳纤维复合芯铝绞线。它的芯线是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，碳纤维采用聚酰胺耐火处理、碳化而成；高强度、高韧性配方的环氧树脂具有很强的耐冲击性、耐抗拉应力和弯曲应力。将碳纤维与玻璃纤维进行预拉伸后，在环氧树脂浸渍，然后在高温模子中固化成型为复合材料芯线。芯线外层与邻外层为梯形截面铝线股。导线已完成常规的型式试验，具有良好的机械特性和电气特

性。于2004年8月在德克萨斯州的实际线路上安装了3.22km，开始为期2年多的各种现场试验。

ACCC复合材料合成芯导线的特点是：

1. 强度大。ACCC导线的抗拉强度为2399Mpa，是一般钢丝抗拉强度的1.97倍，是高强度钢丝的1.7倍。试验证明其破断力比常

规ACSR提高了30％。

2. 导电率高，载流量大。由于复合材料不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，而且输送相同电力的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电线损6％左右。另外，相同直径时ACCC导线的铝材截面积为常规ACSR的1.29倍。因此可以提高载流量29%。在180℃

条件下运行，其载流量理论上为常规ACSR的两倍。

3. 线膨胀系数小，驰度小。ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低驰度特性，在相同的试验条件下，温度从26.1℃上升到183℃时，常规ACSR导线的驰度从236mm增加到1422mm，提高了5倍；而ACCC导线的驰度仅从198mm增加到312mm，提高

仅0.57倍，其驰度变化量仅为常规ACSR的9.6％，在高温下弧垂不到ACSR的1/10。

4. 重量轻。复合材料的密度约为钢的1/4。单位长度总量约为常规ACSR的70～80％。

5. 耐腐蚀、使用寿命长。碳纤维复合材料与环境亲和，而且又避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，较好地解决

铝导线长期运行的老化问题。

超高压输电工程用铝合金材料的现状与发展

一、主要铝合金材料性能与用途

1. 高强度铝合金高强度铝合金是输电线最常用的材料，它添加的元素主要是镁（Mg）和硅（Si），该合金的主要组成物为Mg2Si。在热处理状态下，Mg2Si固溶于铝中，并通过人工时效进行硬化，获得足够的强度和塑性，用作输电线材料。如上所述，我国研制高强度铝合金始于六十年代，经过不断的努力与改进提高，其性能指标均达到IEC 104的各项技术要求，对于要求特别严格的弯曲性能也得到大幅度提高，微风振动试验也完全能通过。1975年开始上海电缆研究所与武汉电线厂合作，在铝合金中添加稀土元素，使高强度铝合金导线的性能得到充分的保证，这种具有中国特色的独特配方，一直延续至今，为电线电缆行业和电力行业所认可。 JB/T 8134-1997架空绞线用铝镁硅系合金圆线中所规定的各项性能与IEC 104-1987的相一致，规格范围为φ1.5～φ4.5mm。目前国内生产的Al-Mg-Si线在加入稀土以后，强度、电阻率都达到要求，延伸率由标准规定的3.0％或3.5％提高至6％以上，大大超过标准要求，这种线材制作OPGW的地线部分是特别有利的。在2000年8月1日开始实施的国家标准GB/T 1179-1999圆线同心绞架空导线，等同于IEC 61089-1991的标准，标准中把高强度铝合金线的二种规格型号均列入其中，并与其它的材料在一起组成各种型式的导线，如：铝合金绞线（JLHA2、JLHA1）、钢芯铝合金绞线（JLHA2／G1A、JLHA2／G1B、JLHA2／G3A；JLHA1／G1A、JLHA1／G1B、JLHA1／G3A）、铝合金芯铝绞线（JL/LHA2、JL/LHA1）、和铝包钢芯铝合金绞线（JLHA2／LB1A、JLHA1／LB1A）等。把常用的钢芯铝绞线与铝合金绞线、钢芯铝合金绞线的主要性能作比较，见表3。表3 各种常用导线的性能比较对于作为输电线路用导线，除了为满足一定载流量，它需要足够的铝截面，保证导线的直流电阻达到规定值以外，最主要的是抗拉力和单位长度质量，以及它们的比值。从表3可看出全铝合金绞线已经比以往常用的钢芯铝绞线有更好的拉力／重量比，它本身就较轻，这对线路有好处，它可以减少弧垂量，降低杆塔高度，或可以增加杆塔间的距离；钢芯铝合金导线的这种优点更为突出；此外，它有较强的过载能力，因此在经过复冰的地段，如复冰厚度为20cm以上至30cm时，其线路的综合造价可以适当降低，是最合适的线材；在通过山地，由于地形高低不平，起伏较大，杆塔塔位也较难安排，如果采用铝合金导线或钢芯铝合金绞线的话，线路建设就更经济了。鉴于上述的优点，在即将建设的三峡枢纽工程，送往广东的±500kV直流输电线路工程，在通过湖南省湘江——响水段时，线路中导线的复冰为20cm和30cm地段，采用的导线均为钢芯铝合金绞线。随着西电东送工程起动，由西部的电厂发出来的强大电流要送往东部沿海，线路经过山区、复冰严重的地区在所难免，因此铝合金导线和钢芯铝合金导线将起着越来越重要的作用。

2.导电为57．8％及60％ IACS的耐热铝合金工农业的发展，对电力工业提出要求，应输送更多的电流，输电线路和输电容量日趋大容量化。采用新建线路增加输送电流容量，这是方法一，但往往是不切合实际的，在原有的线路上更换新型导线使线路容量增加是最重要的方法之一。靠增大导线导电金属截面的方法是不可取的，它增容也有限，提高导线的允许运行温度将会获得良好效果，所以应该选用耐热性能良好的材料作导体。 1949年，R.M.Havvingtor在研究中发现在铝中添加适量的锆（Zr）可显著提高铝的耐热性能，这就使输电线用铝合金的研究和使用进入了一个新的领域。添加Zr的耐热铝合金，其软化温度比电工铝提高100℃，而且至150℃时的高温性能仍然良好。如果按照在150℃下使用，比在90℃下使用，载流量可以提高61～69％（而我国输电线的运行温度只规定为70℃），这就使线路得到足够的增容，因此耐热铝合金导线应运而生，并得到了迅速发展。鉴于上述原因，1990年底日本住友电气工业株式会社导电制品事业部技术部长奥村哲郎先生称：日本500kV的输电线路导线全部使用耐热铝合金线。在我国目前线路负荷过载严重，开辟新线路走廊又十分困难，所以采用耐热铝合金线是一个解决的方法；其次在变电站中采用铝绞线作母线，因数目繁多，结构复杂，施工、维修困难，若采用耐热铝合金以后能克服上述缺点，又节约投资，受电力部门欢迎。耐热铝合金导线按导电率不同分为二种，即58％ IACS和60％ IACS，其中58％ IACS导电率的耐热铝合金在铝中添加Zr，60％ IACS导电率的耐热铝合金还在铝中添加钇（Y），二种合金都能在150℃下长期使用，其强度残存率≥90％，它们的性能和绞线性能见表4、表5和表6。注：* 载流量计算：风速0.5m/s，日照强度1000W/m2，环境温度+40℃，计算载流量温度+150℃。

3.高强度耐热铝合金耐热铝合金导线解决了导线由于载流量增加温升提高时，在高温（如150℃）情况下，线的性能不会明显降低的问题，然而耐热铝合金线的强度本身就较低，只与电工铝线相同，这便削弱

了铝合金线有高强度的优点，高强度耐热铝合金线改变了这种状态，即在高温状态仍然保持良好的高强度，即加热后大于90％强度残存率值达到高强度。为达到此目的，应在耐热铝合金的基础上进行配方和工艺的改进。高强度耐热铝合金仍然选择锆（Zr）作为提高铝线耐热性能的元素。锆的加入在铝中产生钉轧位错，阻挠铝的回复和再结晶，提高了铝的再结晶温度便提高了铝的耐热性能。在此基础上添加其它元素，起到细小的析出相均匀分布在亚结晶晶界上，控制亚结晶尺寸和阻挠晶粒继续成长，从而提高合金强度和耐热性，并减少硅在铝中的不利因素。表7列出高强度铝合金、耐热铝合金和高强度耐热铝合金的主要性能比较，对于作为输空输电线用时，强度线存率应特别注意。表7 几种铝合金的常温和耐热性能强度耐热铝合金线，抗拉强度215～255N/mm2，延伸率≥1.5％，导电率≥55％ IACS，可长期在150℃下工作。用高强度耐热铝合金线与钢芯绞在一起，适用于作大跨越导线等。利用这种铝合金的高强度性能，可以提高在短路或过载情况下的动态稳定性；利用其耐热性能可以提高热稳定性。所以它的适用范围一方面可与高强度铝合金相同，另一方面又与耐热铝合金相同，国外就采用这种合金作超高压线路的导线与地线，以提高载流量和短路电流容量。我国北方的松花江大跨越导线和南方的珠江大跨越导线就分别从日本和意大利购买这种导线来解决大跨越导线的容量问题，获得满意的结果。

4. 其它铝合金除了Al-Mg-Si系高强度铝合金为代表的热处理铝合金外，还有非热处理型铝合金，它不要经过复杂的热处理过程，当在铝中添加合金元素以后，细化了铝的晶粒，从而提高强度，这种合金强度一般在200～220N/mm2左右，称为中强度铝合金，它较为柔软，可以做移动式的电缆导体，如电犁电缆等。Al-Mg合金属于这一类。在发展耐热铝合金时，其长期使用温度为150℃，为了进一步提高导线的载流能力，铝合金的长期使用温度又进一步提高到180℃、210℃和230℃，这就是所谓超耐热铝合金和特高耐热铝合金等。这种合金的使用温度进一步提高，但其线损也增加，因此只有在万不得已的特殊情况下才会使用，国内尚无采用超耐热和特高耐热铝合金制作导线的实际工程。铝合金的种类繁多，当添加某种合金元素以后会改变其性能，符合使用的目的，但目前在电线电缆行业中，作为电工用的铝合金仍然是以Al-Mg-Si和Al-Mg-Si-Re系高强度铝合金用量最大、使用得最普遍的合金品种。

铝包钢芯铝绞线在架空输电线路中的使用