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1、铝合金导线漫谈 铝作为一种导电材料在电工行业得到广泛的应用，其突出的优点是具有优异的导电性能且重量轻、资源丰富。但铝也存在机械性能较差的缺点，为此，人们在纯铝中加入其他元素来改善其性能，就产生了铝合金。 铝合金种类繁多，在电缆行业中使用较多的有两种，高强度铝合金导线和耐热铝合金导线。本文重点介绍这两类产品的特点、性能和应用。 一、高强度铝合金导线 高强度铝合金导线也称为铝镁硅合金导线，它是在电工铝中加入镁和硅两种元素（加入总量约1％）得到的铝合金产品。架空导线中使用的铝合金导线按其机械性能和电性能不同分为两种型号，分别为LHA1型和LHA2型，前者比后者强度更高一些
2、同时电阻率也大一些。 铝镁硅合金的特点是抗拉强度高，其抗拉强度约为电工硬铝线的1.8～2倍。电阻率则略高于电工铝。表1是电工铝线与铝镁硅合金线主要性能的比较 表1 电工铝线与铝镁硅合金线的主要性能 导线型号 LHA1 LHA2 LY9 (电工硬铝线) 密度(20℃) kg/dm3 2.703 2.703 2.703 线膨胀系数 1/℃ 23×10-6 23×10-6 23×10-6 电阻率(20℃) nΩ·m ≤32.84 ≤32.53
3、 ≤28.264 电阻温度系数(20℃) 1/℃ 0.0036 0.0036 0.00403 抗拉强度 MPa 直径：1.50～3.50mm ≥325 ≥295 165～190 直径：3.51～4.50mm ≥315 ≥295 ≥160 断裂伸长率 % 直径：1.50～4.50 mm ≥3.5 ≥3.0 — 用铝镁硅合金制制成的铝合金绞线抗拉强度高、拉力单重比大、弧垂特性好，有较好的耐磨性能和耐腐蚀性能。 与钢芯铝绞线相比，在相同的重量下，铝镁硅合金绞线有更大的截面，电性能好，强度高，电阻小，因此载流量更大，而且单一的材料不
4、会出现电化腐蚀，寿命更长。典型规格的性能比较如表2： 表2 同样单位重量钢芯铝绞线与铝合金绞线性能比较表 项目 单位 钢芯铝绞线 铝镁硅合金绞线 结构 — 54/3.18+7/3.16 61/3.50 重量 kg/km 1622 1620 拉断力 kg 13450 16717 拉力单重比 km 8.29 10.35 直流电阻 Ω/km 0.0674 0.05622 载流量 A 771 868 从表2可看出，相同重量下, 铝镁硅合金绞线强度更高，载流量更大，拉力单重比也更大，而直流电阻更小。在重量限定情况下
5、采用铝合金绞线可以提高输电效益，降低输电线路建设费用。 在导线具有相同载流量的条件下，铝镁硅合金绞线重量轻、强度高、拉力单重比大。典型规格的性能比较如表3： 表3 同样载流量钢芯铝绞线与铝合金绞线性能比较表 项目 单位 钢芯铝绞线 铝镁硅合金绞线 结构 — 54/3.07+7/3.07 37/4.0 截面 mm2 452 465 拉断力 kg 12555 14939 拉力单重比 km 8.31 11.67 直流电阻 Ω/km 0.0723 0.0721 载流量 A 592 598 重量 kg/km 1510.3 1
6、280.5 由表3可知,相同载流量下，铝镁硅合金绞线强度更高，重量更轻，拉力单重比更大，在不改变对地距离的情况下，可以加大档距，减少铁塔数量，降低线路工程的综合造价。 铝镁硅合金导线也可以加入镀锌钢芯或铝包钢芯增强，制成钢芯铝合金绞线或铝包钢芯铝合金绞线；还可以作为电工铝线的增强芯，制成铝合金芯铝绞线。 铝镁硅合金绞线具有如此优越的综合性能，使其能适应各种复杂气候，各种跨度的复杂地形地貌和架设工作条件的需求，特别适合于以下场合： 1) 高山峡谷、大江湖泊等大跨越段； 2) 线路需经过天气复杂
7、恶劣的冰雪及重冰区。 二、 耐热铝合金导线 另一类在输电线路中广泛使用的铝合金产品是耐热铝合金导线。 耐热铝合金是在电工铝中加入锆元素制成的，其耐热的机理主要是由于锆的加入提高了铝的再结晶温度，使铝合金的耐热性得到显著的提高。不过,锆的加入使铝合金的电阻率升高，导电性能下降，因此应合理控制锆的加入量，在尽可能少降低导电率的前提下提高导线的耐热性。 导线的耐热性主要表现在高温下的耐软化性和耐蠕变性。耐软化性指的是在高温运行条件下,导线的强度不会明显降低；耐蠕变性是指在长时间高温运行情况下，导线的垂度不会增大很多。质量良好的耐热铝合金导线应该具有良好的耐热性，同时导电率没有显著的减少。表4
8、是导电率58% IACS的耐热铝合金导线与电工硬铝线主要性能比较。 表4 导电率58% IACS耐热铝合金线与电工硬铝线主要性能比较(φ3.22) 性能 单位 耐热铝合金线 电工硬铝线 抗拉强度 最小 MPa 160 166 断裂伸长率 最小 % 1.5 1.0 导电率 最小 % IACS 58 61.5 电阻温度系数(20℃) 1/℃ 0.00383 0.00403 线膨胀系数 1/℃ 23×10-6 23×10-6 密度(20℃) kg/dm3 2.703 2.70
9、3 抗拉强度降低率 90℃ 50h % — 2.2 150℃ 50h % 1.3 17.5 200℃ 50h % 12.5 34.5 疲劳极限(10回) 90℃ MPa — 39.2 150℃ MPa 36.3 — 蠕变速度 100×170h 150℃ （90℃） 1.4 （1.5） 100×5000h 0.715 （0.4） 100×1600h 1.0 — 从表4可知，在常温下，耐热铝合金单线与电工硬铝单线相比，除导电率略低外，其它性能大致相同。在高温下耐热铝合金单线的强度比硬铝线好得多，150℃时耐热铝合金
10、单线的疲劳极限比90℃时硬铝线的疲劳极限还小。 耐热铝合金导线也可以加入镀锌钢芯或铝包钢芯增强，制成耐热钢芯铝合金绞线或耐热铝包钢锌铝合金绞线，提高导线的机械强度，适应不同使用要求。 早期耐热耐铝合金导线导电率只能达到58%IACS，工作温度150℃，通过不断的研究改进，导电率提高到60%IACS，以后又逐步开发出高强度耐热铝合金、超耐热铝合金、高导电超耐热铝合金、特耐热铝合金等产品，形成了一个耐热铝合金产品系列。 2005年，耐热铝合金线已由IEC/TC 7作为项目建议提出，通过了第一初审，现已进入各成员国征求意见稿阶段。在IEC/TC 7项目中，将耐热铝合金系列分为四种不同性
11、能的耐热铝合金线。表5为耐热铝合金系列产品的主要技术指标。 表5 耐热铝合金系列产品主要技术指标 (Φ2.30～4.50mm ) 线 种 IEC/TC 型号 最小导电率 (20℃、%IACS） 抗拉强度 （Mpa） 长期容许使用温度（℃） 58%耐热铝合金 — 58 159～169 150 60%耐热铝合金 AT1 60 159～169 150 高强度耐热铝合金 AT2 55 225～248 150 超耐热铝合金 — 58 159～169 200 高导电超
12、耐热铝合金 AT3 60 159～176 210 特耐热铝合金 AT4 58 159～169 230 从表5中可以看出，在抗拉强度、长期容许使用温度等技术指标相同的情况下，58%IACS导电率的耐热铝合金将要遭到淘汰。当今在国际上已很少有国家使用，但在我国虽然仍有相当的使用量。 同样，超耐热铝合金线由于导电率和长期容许使用温度都不如高导电超耐热铝合金线，也没有列入IEC/TC 7系列型号中。 早期的开发的耐热铝合金如：58和60%IACS耐热铝合金、高强度耐热铝合金等属于固溶型耐热铝合金。固溶型耐热铝合金中，锆元素的添加量一般都不超过0.
13、1%。在铝材中添加锆元素能提高铝材的耐热性，同时也降低铝材的导电率。减少锆元素的添加量，则不能保证铝材的耐热性。因此，早期开发的固溶型耐热铝合金，耐热性能提高因受锆元素添加量的约束，长期容许使用温度一般为150℃,生产工艺也较为复杂和难以控制。 新开发的超耐热铝合金、特耐热铝合金及高导电超耐热铝合金等属于固溶析出型耐热铝合金。这类耐热铝合金生产中，锆元素的添加量远远超过0.1%，达0.3%以上。为保证合金线材的导电率不低于58%IACS，固溶析出型耐热铝合金首先通过高温热轧，使得锆元素在铝材中强制性过饱和。然后进行不低于80%的冷加工和长时间的热处理，如得不到应有的析出组织，还要进行二次热
14、处理。因此，固溶析出型耐热铝合金的生产工艺不仅比固溶型耐热铝合金更复杂，还需增添特殊的热处理设备。同时，固溶析出型耐热铝合金线的生产成本与周期显然高于固溶型耐热铝合金。但固溶析出型耐热铝合金却能得到优异的性能指标：导电率不低于58%IACS甚至60%IACS、长期容许使用温度不低于210℃，可达230℃，可使输电线路输送容量增加一倍以上。 耐热铝合金导线的最大特点就是允许工作温度高，与同截面的钢芯铝绞线相比，载流量能提高50％以上，在线路扩容改造工程中，尤其在线路走廊狭窄地区，只需要更换相近截面规格的耐热铝合金导线，基本上不需要更换铁塔即能达到增大线路输电容量的目的。这非常适用于受用地限制
15、或更新线路需要花费更多的人力、财力的地方。 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，它的应用得到了很大的发展。日本是世界上使用耐热铝合金导线最多的国家，从1960年开始就在输电线路使用耐热铝合金导线，除了变电站的母线早就全部使用耐热铝合金导线以外，到1990年，日本的500kV输电线路的导线已经全部使用耐热铝合金导线。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少的增长。 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500kV变电站采用国产1440mm2钢芯58%导电率耐热铝合金绞线(NRLH58GJ)作为母线，以后逐步推广到输电线路中。迄今已有10多条耐热铝合金输电线路在运行或建设中，其中仅深圳地区采用耐热铝合金导线进行扩容改造的线路已达200km。 耐热铝合金导线的广泛应用，可大量节约电力建设成本费用，蕴藏着巨大的社会经济效益。目前我国电网建设正处于高速发展的时期，耐热铝合金导线等电网新技术、新设备的应用，对提高电网规划、设计、建设与运行水平有着现实长远的意义。
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