架空线路用高导电率耐热铝合金导线的研制

架空线路用高导电率耐热铝合金导线的研制祝志祥;韩钰;陈新;陈保安;刘东雨;韩爱芝【摘要】针对目前国产耐热铝合金导线较常规钢芯铝绞线的导电率低、输电线损较高阻碍其大范围应用的技术问题,介绍研制新型耐热铝合金导线的思路.以价格相对低廉的常规工业纯铝锭(99.7％A1)为原料,利用微合金化作用进行铝合金成分及微观组织结构的控制,并通过Zr元素含量的优化调整,在实验室采用小试线方式制备出高导电率、低成本的耐热铝合金单丝样品.目前.该技术已通过线缆生产车间连铸连轧生产线的试验验证,为后续高导电率耐热铝合金导线的生产及示范应用奠定了良好基础.【期刊名称】《中国电力》【年(卷),期】2014(047)006【总页数】4页(P66-69)【关键词】耐热铝合金导线;增容;输电线路;导电率【作者】祝志祥;韩钰;陈新;陈保安;刘东雨;韩爱芝【作者单位】国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所,北京102211;国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所,北京102211;国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所,北京102211;国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所,北京102211;华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京 102206;国网河南省电力公司,河南周口 466000【正文语种】中文【中图分类】TM244.20 引言耐热铝合金导线具有低弧垂、增容等特性，可在尽量不更换杆塔的前提下进行线路改造，运行温度可提升至120℃以上，载流量提高40%以上[1-5]，尤其适合新建大容量输电线路及居民密集区老旧线路的增容改造。

与国外相比，国产耐热铝合金导线采用的耐热铝合金材料，其20℃的导电率≤60%IACS（International Annealing Copper Standard，国际退火铜标准），输电线损较高，且制造时大多采用99.85%A l的高纯铝锭为原料进行生产，生产使用成本较高，一定程度上制约了其大规模发展及应用。

在保证较高载流量的前提下，如何提高耐热铝合金的导电率、降低线损并有效控制成本成为当前耐热铝合金导线亟待解决的关键技术问题。

1 耐热铝合金导线的增容原理输电线路的输送容量与导线的载流量关系密切[6-9]，计算架空线路输送功率的基本公式为式中：P为线路的输送功率；U为输送电压；I为输送电流；cos φ为功率因数。

对于一定的输送电压等级，cos φ可近似为一常数，线路的输送容量近似与线路的输送电流I成正比关系。

导线在运行过程中，载流量可根据热能的平衡原理计算[6，9]，即式中：I为导线载流量，A；R为20℃时导线单位长度直流电阻，Ω/m；α为20℃时导线电阻系数，1/℃；k为因集肤及邻近效应涡流及磁滞电阻增加的系数；tm为运行电流I时导线的温度，℃；QR为导线单位长度的辐射散热量，W/m；QF为导线单位长度在有风时的对流散热量，W/m；QS为导线单位长度自太阳吸收的热量，W/m。

由于环境参数对于既定线路不可改变，提高载流量应从提高导线允许运行温度角度考虑。

表1为导线载流量与导线长期允许工作温度的对应关系[10-11]，相同环境条件下耐热铝合金导线的载流量可比同规格钢芯铝绞线提高40%～60%。

表1 导线长期允许工作温度与载流量的对应关系Tab.1 Relationship of allowed working tem perature of conductors and their current-carrying capacity?2 耐热铝合金导线的国内外概况自1949年Harringtond首先发现在铝材中添加Zr能提高铝材耐热性能以来，国内外研究学者对耐热铝合金导线开展了大量研究。

到20世纪末，耐热铝合金绞线已在日、美、加等发达国家广泛应用[5-7]。

日本的耐热铝合金导线开发研究处于世界前列，相继发明了微锆合金化的固溶型和析出型耐热铝合金导线，导电率提高至60%IACS左右，导线长期使用温度提高至180℃及210℃[7]。

但其导电率随着耐热温度的提高降低明显，输电线损进一步增大，这与我国可持续节能输电线路发展思路背道而驰。

国内关于耐热铝合金导线的研究始于20世纪60年代初期，直到2007年才通过鉴定批量生产出60%IACS的钢芯耐热铝合金导线[12-15]。

目前，我国每年耐热铝合金导线的使用量已提高至几十万吨，但导线导电率仍以60%IACS为主，较常规硬铝线61%IACS低1%IACS，较高输电线损问题在耐热铝合金导线应用推广的同时已成为电力部门亟待解决的关键问题。

3 高导电率耐热铝合金导线的研制3.1 耐热铝合金导电性能的改善途径国外在高导电率耐热铝合金研究方面，主要通过采用纯度较高的电工铝并严格控制工艺、成分来提高导电率[16-18]。

日本专利JP61243159[17]采用99.80%工业纯铝，通过调整Zr、Si、Fe的质量分数制备耐热铝合金，铸坯经460～560℃轧制后迅速冷却至140～185℃，在130～185℃温度下再次热轧后进行压下率为66%～86%的冷轧，获得导电率61.2%～62.1%的耐热铝合金单丝。

上述繁琐复杂的工序限制了其工业化生产及工程应用。

国内研究者利用控制合金元素的交互作用来提升导电率[19-23]。

文献[20]通过在常规工业纯铝（A l的质量分数≥99．70%）中添加Zr、稀土等微合金化元素，研制出一种高导电非热处理型稀土耐热铝合金导体材料，耐热温度为120℃，导电率≥60%IACS，抗拉强度≥160 MPa。

本文在前期研究的基础上，通过优化调整工业纯铝中B、Er、Zr的添加量、添加顺序及熔炼工艺，对61%IACS耐热铝合金导体材料的研制开展了深入研究工作。

3.2 61%IACS高导电率耐热铝合金的制备及特性分析常规工业纯铝锭的成分经全谱火花直读光谱仪（德国布鲁克Q4型）分析的结果如表2所示。

采用中频感应炉进行耐热铝合金冶炼，冶炼温度720～750℃，浇铸温度690～700℃。

微合金化元素以Al-Zr、Al-Er、Al-B中间合金的形式添加。

添加顺序为先加入Al-B中间合金，硼化处理后加入A l-Zr、Al-Er中间合金。

熔炼的铝合金液首先浇铸成圆柱铝合金锭，机加工后在挤压机上经400℃左右热挤压成D9.5 mm的圆杆，挤压比为16；最后采用拉丝机常温拉拔成D3.03 mm的耐热铝合金单丝样品。

按照国家标准GB/T 3048.2—2007和 GB/T 1179—2008分别测试耐热铝合金单丝的室温导电率和抗拉强度，并测试单丝在210℃保温1 h空冷后的耐热性能。

表2 工业纯铝原料全谱火花直读光谱仪分析结果Tab.2 Spectrum analysis results of industrial pure alum inum materials by a spark-direct-reading spectrometer%?经排水法测得的单丝平均密度为2.7045 g/cm3，接近其理论密度。

对微观组织的观察发现，所制备单丝样品的微观组织致密，内部无明显的缺陷和孔洞，细小的第二相粒子弥散分布在晶界处。

图1为第二相粒子的元素分析图谱，可知其主要为Er、Si等元素。

由于Er元素的添加，Fe、Si等杂质元素从溶质原子形态转变为第二相粒子，降低了合金中的晶格畸变，有利于传导电子的传输，提高导电性；同时所生成的第二相粒子在变形过程中可阻碍位错的移动，从而提高合金的强度。

因此，微量Er元素的添加有利于提高耐热铝合金的强度和导电率。

图1 自研耐热铝合金单丝中第二相粒子成分分析图谱Fig.1 Component analysis of second phase particles in a heat-resistant alum inium alloy w ire采用全谱火花直读光谱仪对铝合金中的Zr、Er、B元素含量分析发现，Er、B与初始设计成分差别不大，Zr由于冶炼烧蚀及Al、Zr间的反应，含量较初始成分变化明显。

为此，项目组系统研究了Zr的质量分数变化（0.017%～0.124%）对铝合金性能的影响规律。

图2给出了耐热铝合金单丝的抗拉强度、导电率以及耐热实验后残存强度随Zr质量分数变化曲线。

可以看出，随着Zr质量分数的增加，单丝抗拉强度逐渐增大，210℃保温1 h冷却后的抗拉强度残存率也逐渐增大，显示其耐热性增强；单丝导电率随着Zr质量分数的增加呈现出先升高后下降的变化趋势，当Zr质量分数约为0.04%时，导电率达到61.8%IACS，相应抗拉强度为165.1 MPa，延伸率为2.1%，残存强度为150.3 MPa，残存率为91.0%，表明其耐热温度>120℃。

微量Zr加入铝合金后，因Zr原子与位错及晶界存在着交互作用，阻碍了加热过程中铝合金的回复、再结晶，故随着Zr的质量分数增加铝合金的耐热性能逐渐提高。

因此，合理控制铝合金中Zr元素的质量分数，可以实现耐热铝合金力学、电学及耐热性能的良好匹配。

图2 不同Zr质量分数耐热铝合金单丝强度、导电率及残存强度Fig.2 Tensile strength,conductivity and residual strength of a heat-resistant alum iniumalloy w ire w ith different zirconium contents上述研究结果显示，基于微合金化作用制备61%IACS耐热铝合金导体材料具有良好的技术可行性。

在实验室研究基础上，以常规99.7%工业纯铝锭为原料，在沈阳某电缆厂进行了5 t耐热铝合金圆杆连铸连轧线（意大利Continuus公司Properzi生产线）的中试研究。

通过调整浇铸温度（690～700℃）、轧制温度（450℃～510℃）、出杆温度（～90℃）等关键工艺参数，试制出高导电率耐热铝合金圆杆，相应单丝产品的性能测试结果满足项目合同要求（导电率为61.03%IACS（20℃），耐热温度>120℃，其他性能满足GB/T 17048—2009标准要求），中试验证结果为后续高导电率耐热铝合金导线的生产及应用推广提供了技术支撑。

4 结语根据中国电力发展对高导电率耐热铝合金导线的实际需求，在国内外研究成果的基础上，系统开展了微合金化对铝合金导体材料微观结构及性能影响的研究，通过合理控制B、Zr及Er等微合金化元素的添加顺序和添加量，尤其是Zr质量分数的优化调整，实验室制备出导电率（61%IACS（20℃），室温拉伸强度≥165 MPa，伸长率≥2.0%，耐热温度>120℃（210℃条件下保温1 h剩余强度>90%），且其他性能满足GB/T 17048—2009标准要求的耐热铝合金单丝样品。