高导电率耐热铝合金导体材料研发及导线研制技术报告

高导电率耐热铝合金导体材料研发及导线研制技术报告二〇一五年二月目录目录技术报告.............................................................................................................................11绪论........................................................................................................................................31.1研究背景.........................................................................................................................31.2线路增容技术的研究现状.............................................................................................31.3耐热铝合金导线的应用.................................................................................................51.4项目的研究内容.............................................................................................................52、耐热铝合金单线工业化生产及研制.................................................................................62.1耐热铝合金的耐热机理.................................................................................................62.3耐热铝合金的电气特性.................................................................................................82.4耐热铝合金导线的工艺流程.........................................................................................82.5耐热铝合金单线的拉制.................................................................................................83、耐热铝合金导线设计及研制...........................................................................................113.1耐热铝合金导线的设计...............................................................................................113.2耐热铝合金导线的研制...............................................................................................144、导线的施工.......................................................................................................................165、结论...................................................................................................................................181绪论1.1研究背景随着社会和经济的发展，电力负荷供应增加迅速。很多线路的电力输送容量接近或者超过了设计值。电网的线路电能输送容量亟待提高。针对这一情况，目前采取的措施主要有两种：一是扩建新电力线路，通过提高电力输送通道的个数，提供总电能输送容量。二是在原有线路走廊上进行旧线路改造，通过增大导线截面积，提高导线的运行温度等方式，提高总的电能输送容量。对于土地资源较多、地价较为便宜、输电走廊征地较为容易的地区，采用新建线路的方式较多。而对于土地资源奇缺、地价较高、输电走廊征地较为困难的地区，不得不考虑采用旧线路改造的方式实现电能输送容量的提高。土地资源是不可再生资源，是有限的资源。社会发展对土地资源的需求是持续的。土地资源的有限性和社会发展的持续性是一对矛盾。目前，这一矛盾在电网扩建、输电走廊征地等方面表现出来。未来，该矛盾将会更加突出。因此，如何最大限度的使用来之不易的走廊资源，提高送电线路的电能输送容量，是电网发展的一个重要研究方向。1.2线路增容技术的研究现状线路输送容量的增大，受诸多因素的制约，其中最主要的因素为：导线的电阻特性和导线机械强度特性。当线路输送容量增大时（通过导线的电流增大时），因为导线电阻的存在，输电线路上的热损耗增加，导线温度升高。由于金属材料具有软化特性，当导线温度升高到一定程度后，导线材料的机械强度残存率会迅速下降，即此时线路导线存在较大的断线风险。为保障线路正常运行、供电可靠，在导线参数(导线的电阻特性和导线机械强度特性)一定的情况下，工程应用中引入“导线的最高使用温度”的概念。在最高使用温度下，线路可以承载最大电流，输送最大容量。因此，欲提高线路输送容量必须减小线路电阻、改善导线的机械强度特性。虽然线路电阻的减小可以通过使用低电阻率的导电材料，或者使用截面积更大单位长度电阻更小的导线等方式实现，但是实际中减小线路电阻的方式并不具备普适性。这是因为金属材料电阻率差别不显著（银1.65×10-8，铜1.75×10-8，铝2.83×10-8，钨5.48×10-8，铁9.78×10-8），更换导电材料引起的电阻变小对线路输送容量提供的贡献较小，在线路上更换截面积更大的导线引起的重量增加，往往会超出原有杆塔的机械承载。改善导线的机械强度特性，提高导线的最大使用温度是目前线路增容的主要手段。目前，输电线路中大量采用的导线为钢芯铝绞线ACSR(AluminumConductorSteelReinforced)。钢芯铝绞线由钢芯和硬铝构成。钢芯主要起机械承载作用，硬铝主要起导电作用，同时还承担了部分机械载荷。由图1可知，硬铝材料的软化特性较差，为保障钢芯铝绞线的可靠工作，一般要求钢芯铝绞线的最高允许温度不大于90℃。由此可见，钢芯铝绞线不能满足现有线路增容改造的需求。随着对电力需求的增涨和材料科学技术的不断进步，与钢芯铝绞线对应的各种增容导线应运而生。“增容导线”目前尚不能算作为专有术语，而是一种习惯称谓。行业内也将其俗称为“倍容量导线”或“高温导线”。架空输电线路增容导线是在架空输电线路上使用的特种导线，它是对在相同导体截面的情况下，相对于传统钢芯铝绞线能输送更多电能的若干种类导线的总称。增容导线包括耐热铝合金导线、钢芯软铝绞线、复合材料合成芯导线等种类。大约在20世纪60年代，日本开发出耐热铝合金导线（HeatResistingAluminumAlloyConductor）[1]；与此同时，美国和加拿大开发出了另具特色的钢芯软铝绞线（AluminumConductorSteelSupported，ACSS）［2，3］。上述2种导线均得到了大量应用。80年代，日本的耐热铝合金导线已形成较为完善的系列，包括钢芯耐热铝合金绞线（Thermo-ResistantAluminumAlloyConductorSteelReinforced，TACSR）、钢芯超耐热铝合金绞线（UTACSR和ZTACSR）、钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR）、铝包钢芯耐热铝合金绞线（TACSR/AC）、铝包钢芯超耐热铝合金绞线（UTACSR/AC和ZTACSR/AC）以及铝包钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR/AC）、殷钢芯超耐热铝合金绞线（ZTACIR）和殷钢芯特耐热铝合金绞线（XTACIR）、间隙型钢芯耐热铝合金绞线（GTACSR）和间隙型钢芯超耐热铝合金绞线（GATACSR）等。日本已成为世界上该领域技术领先的国家。耐热铝合金导线的典型代表是钢芯耐热铝合金绞线TACSR，导线的铝线股采用耐热铝合金材料制成。它的机理是在普通的金属铝中添加了金属锆等成分，这样制成的铝合金材料，提高了材料的再结晶温度，使其能在较高的温度下不降低机械强度。1.3耐热铝合金导线的应用国内九十年代前的耐热导线全部依赖进口。自武汉电缆厂研制出58%IACS耐热导线后，部分取代了进口。1986年首先在安徽繁昌500kV变电站采用1440mm2耐热铝合金钢芯绞线作为母线，取得明显的技术效果和经济效益。2001年深圳市南山电厂、月亮湾电厂送出工程的两回路扩容改造，使用国产400/35耐热铝合金钢芯绞线代替原来的普通钢芯铝绞线LGJ400/35。在铁塔基本不变的前提下，不仅使载流量从原先的1296A/227MW提高到2026A/356MW，提高了45%（仅升温到110℃），而且为今后的扩容改造留了相当的余地。整个改造费用实际只用300万元，比不采用耐热导线预计费用1000万元减少700万元，经济效益显著。2002年，上海吴泾---杨思线路改造，首次采用特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司的耐热导线产品TACSR400/65，双回路30公里，使用至今运行状况良好。2003年，云南小龙潭---开远也采用特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司的耐热导线产品TACSR400/50，累计120多公里，现已架设完毕，运行良好。相信随着电力工业的不断发展，对特种导线的需求也会越来越大，耐热铝合金导线会得到更大的应用和发展。1.4项目的研究内容本项目以高导电率耐热铝合金导体材料研发及导线研制为目标，开展了如下工作：1）耐热铝合金单丝工业化生产及研制2）耐热铝合金导线设计及研制3）耐热铝合金导线工程示范应用2、耐热铝合金单线工业化生产及研制2.1耐热铝合金的耐热机理铝材中添加金属锆能提高铝材的耐热性能，这主要是由于添加了金属锆以后铝材的再结晶温度得到了提高。从金属学上的耐热机理来分析，金属经过冷加工以后会提高机械性能，其机械性能相应恢复到冷加工以前的退火状态。这种铝合金的耐热机理与一般金属的耐热机理类似，提高耐热性能就是要设法防止畸变能的减少，使其机械性能不至于因温度升高而受损失。由于固溶体锆（Zr）自身转位的微观运动受到较大的障碍而形成的耐热效果。耐热铝合金的原理分析：熔入锆的铝液中，由于锆的加入，铝材的再结晶温度提高。在新合金中分布有一定数量的弥散的第二相粒子，分析成分为AL3Zr,可钉扎位错晶界。阻碍晶内滑移和晶界滑移，同时降低晶内及晶界扩散速度，因而强化了合金，提高了蠕变抗力及阻碍了蠕变裂纹扩散。2.2耐热铝合金的机械特性导线耐热性能的提高意味着容许使用温度的提高，当初开发的耐热铝合金导线中所使用的耐热铝合金导线（TA1）的连续及短时容许温度分别为150℃及180℃。作为架空输电导线，决定其容许使用温度时，一般以导线加热一定时间后回复到常温机械强度的残存率为90%来作为考虑依据。材料的机械强度残存率与加热温度及时间的关系又称为材料的