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一、主要鋁合金材料性能與用途

1. 高強(qiáng)度鋁合金高強(qiáng)度鋁合金是輸電線最常用的材料，它添加的元素主要是鎂（Mg）和硅（Si），該合金的主要組成物為Mg2Si。在熱處理狀態(tài)下，Mg2Si固溶于鋁中，并通過人工時(shí)效進(jìn)行硬化，獲得足夠的強(qiáng)度和塑性，用作輸電線材料。

如上所述，我國(guó)研制高強(qiáng)度鋁合金始于六十年代，經(jīng)過不斷的努力與改進(jìn)提高，其性能指標(biāo)均達(dá)到IEC 104的各項(xiàng)技術(shù)要求，對(duì)于要求特別嚴(yán)格的彎曲性能也得到大幅度提高，微風(fēng)振動(dòng)試驗(yàn)也完全能通過。1975年開始上海電纜研究所與武漢電線廠合作，在鋁合金中添加稀土元素，使高強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線的性能得到充分的保證，這種具有中國(guó)特色的獨(dú)特配方，一直延續(xù)至今，為電線電纜行業(yè)和電力行業(yè)所認(rèn)可。 JB/T 8134-1997架空絞線用鋁鎂硅系合金圓線中所規(guī)定的各項(xiàng)性能與IEC 104-1987的相一致，規(guī)格范圍為φ1.5～φ4.5mm。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的Al-Mg-Si線在加入稀土以后，強(qiáng)度、電阻率都達(dá)到要求，延伸率由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.0％或3.5％提高至6％以上，大大超過標(biāo)準(zhǔn)要求，這種線材制作OPGW的地線部分是特別有利的。

在2000年8月1日開始實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1179-1999圓線同心絞架空導(dǎo)線，等同于IEC 61089-1991的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中把高強(qiáng)度鋁合金線的二種規(guī)格型號(hào)均列入其中，并與其它的材料在一起組成各種型式的導(dǎo)線，如：鋁合金絞線（JLHA2、JLHA1）、鋼芯鋁合金絞線（JLHA2／G1A、JLHA2／G1B、JLHA2／G3A；JLHA1／G1A、JLHA1／G1B、JLHA1／G3A）、鋁合金芯鋁絞線（JL/LHA2、JL/LHA1）、和鋁包鋼芯鋁合金絞線（JLHA2／LB1A、JLHA1／LB1A）等。把常用的鋼芯鋁絞線與鋁合金絞線、鋼芯鋁合金絞線的主要性能作比較，見表3。表3 各種常用導(dǎo)線的性能比較對(duì)于作為輸電線路用導(dǎo)線，除了為滿足一定載流量，它需要足夠的鋁截面，保證導(dǎo)線的直流電阻達(dá)到規(guī)定值以外，最主要的是抗拉力和單位長(zhǎng)度質(zhì)量，以及它們的比值。從表3可看出全鋁合金絞線已經(jīng)比以往常用的鋼芯鋁絞線有更好的拉力／重量比，它本身就較輕，這對(duì)線路有好處，它可以減少弧垂量，降低桿塔高度，或可以增加桿塔間的距離；鋼芯鋁合金導(dǎo)線的這種優(yōu)點(diǎn)更為突出；此外，它有較強(qiáng)的過載能力，因此在經(jīng)過復(fù)冰的地段，如復(fù)冰厚度為20cm以上至30cm時(shí)，其線路的綜合造價(jià)可以適當(dāng)降低，是最合適的線材；在通過山地，由于地形高低不平，起伏較大，桿塔塔位也較難安排，如果采用鋁合金導(dǎo)線或鋼芯鋁合金絞線的話，線路建設(shè)就更經(jīng)濟(jì)了。鑒于上述的優(yōu)點(diǎn)，在即將建設(shè)的三峽樞紐工程，送往廣東的±500kV直流輸電線路工程，在通過湖南省湘江——響水段時(shí)，線路中導(dǎo)線的復(fù)冰為20cm和30cm地段，采用的導(dǎo)線均為鋼芯鋁合金絞線。隨著西電東送工程起動(dòng)，由西部的電廠發(fā)出來的強(qiáng)大電流要送往東部沿海，線路經(jīng)過山區(qū)、復(fù)冰嚴(yán)重的地區(qū)在所難免，因此鋁合金導(dǎo)線和鋼芯鋁合金導(dǎo)線將起著越來越重要的作用。

2.導(dǎo)電為57．8％及60％ IACS的耐熱鋁合金工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)電力工業(yè)提出要求，應(yīng)輸送更多的電流，輸電線路和輸電容量日趨大容量化。采用新建線路增加輸送電流容量，這是方法一，但往往是不切合實(shí)際的，在原有的線路上更換新型導(dǎo)線使線路容量增加是最重要的方法之一。靠增大導(dǎo)線導(dǎo)電金屬截面的方法是不可取的，它增容也有限，提高導(dǎo)線的允許運(yùn)行溫度將會(huì)獲得良好效果，所以應(yīng)該選用耐熱性能良好的材料作導(dǎo)體。

1949年，R.M.Havvingtor在研究中發(fā)現(xiàn)在鋁中添加適量的鋯（Zr）可顯著提高鋁的耐熱性能，這就使輸電線用鋁合金的研究和使用進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域。添加Zr的耐熱鋁合金，其軟化溫度比電工鋁提高100℃，而且至150℃時(shí)的高溫性能仍然良好。如果按照在150℃下使用，比在90℃下使用，載流量可以提高61～69％（而我國(guó)輸電線的運(yùn)行溫度只規(guī)定為70℃），這就使線路得到足夠的增容，因此耐熱鋁合金導(dǎo)線應(yīng)運(yùn)而生，并得到了迅速發(fā)展。

鑒于上述原因，1990年底日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社導(dǎo)電制品事業(yè)部技術(shù)部長(zhǎng)奧村哲郎先生稱：日本500kV的輸電線路導(dǎo)線全部使用耐熱鋁合金線。在我國(guó)目前線路負(fù)荷過載嚴(yán)重，開辟新線路走廊又十分困難，所以采用耐熱鋁合金線是一個(gè)解決的方法；其次在變電站中采用鋁絞線作母線，因數(shù)目繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工、維修困難，若采用耐熱鋁合金以后能克服上述缺點(diǎn)，又節(jié)約投資，受電力部門歡迎。耐熱鋁合金導(dǎo)線按導(dǎo)電率不同分為二種，即58％ IACS和60％ IACS，其中58％ IACS導(dǎo)電率的耐熱鋁合金在鋁中添加Zr，60％ IACS導(dǎo)電率的耐熱鋁合金還在鋁中添加釔（Y），二種合金都能在150℃下長(zhǎng)期使用，其強(qiáng)度殘存率≥90％，它們的性能和絞線性能見表4、表5和表6。注：* 載流量計(jì)算：風(fēng)速0.5m/s，日照強(qiáng)度1000W/m2，環(huán)境溫度+40℃，計(jì)算載流量溫度+150℃。

3.高強(qiáng)度耐熱鋁合金耐熱鋁合金導(dǎo)線解決了導(dǎo)線由于載流量增加溫升提高時(shí)，在高溫（如150℃）情況下，線的性能不會(huì)明顯降低的問題，然而耐熱鋁合金線的強(qiáng)度本身就較低，只與電工鋁線相同，這便削弱了鋁合金線有高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，高強(qiáng)度耐熱鋁合金線改變了這種狀態(tài)，即在高溫狀態(tài)仍然保持良好的高強(qiáng)度，即加熱后大于90％強(qiáng)度殘存率值達(dá)到高強(qiáng)度。

為達(dá)到此目的，應(yīng)在耐熱鋁合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行配方和工藝的改進(jìn)。高強(qiáng)度耐熱鋁合金仍然選擇鋯（Zr）作為提高鋁線耐熱性能的元素。鋯的加入在鋁中產(chǎn)生釘軋位錯(cuò)，阻撓鋁的回復(fù)和再結(jié)晶，提高了鋁的再結(jié)晶溫度便提高了鋁的耐熱性能。在此基礎(chǔ)上添加其它元素，起到細(xì)小的析出相均勻分布在亞結(jié)晶晶界上，控制亞結(jié)晶尺寸和阻撓晶粒繼續(xù)成長(zhǎng)，從而提高合金強(qiáng)度和耐熱性，并減少硅在鋁中的不利因素。表7列出高強(qiáng)度鋁合金、耐熱鋁合金和高強(qiáng)度耐熱鋁合金的主要性能比較，對(duì)于作為輸空輸電線用時(shí)，強(qiáng)度線存率應(yīng)特別注意。表7 幾種鋁合金的常溫和耐熱性能強(qiáng)度耐熱鋁合金線，抗拉強(qiáng)度215～255N/mm2，延伸率≥1.5％，導(dǎo)電率≥55％ IACS，可長(zhǎng)期在150℃下工作。用高強(qiáng)度耐熱鋁合金線與鋼芯絞在一起，適用于作大跨越導(dǎo)線等。利用這種鋁合金的高強(qiáng)度性能，可以提高在短路或過載情況下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；利用其耐熱性能可以提高熱穩(wěn)定性。所以它的適用范圍一方面可與高強(qiáng)度鋁合金相同，另一方面又與耐熱鋁合金相同，國(guó)外就采用這種合金作超高壓線路的導(dǎo)線與地線，以提高載流量和短路電流容量。我國(guó)北方的松花江大跨越導(dǎo)線和南方的珠江大跨越導(dǎo)線就分別從日本和意大利購(gòu)買這種導(dǎo)線來解決大跨越導(dǎo)線的容量問題，獲得滿意的結(jié)果。

4. 其它鋁合金除了Al-Mg-Si系高強(qiáng)度鋁合金為代表的熱處理鋁合金外，還有非熱處理型鋁合金，它不要經(jīng)過復(fù)雜的熱處理過程，當(dāng)在鋁中添加合金元素以后，細(xì)化了鋁的晶粒，從而提高強(qiáng)度，這種合金強(qiáng)度一般在200～220N/mm2左右，稱為中強(qiáng)度鋁合金，它較為柔軟，可以做移動(dòng)式的電纜導(dǎo)體，如電犁電纜等。Al-Mg合金屬于這一類。在發(fā)展耐熱鋁合金時(shí)，其長(zhǎng)期使用溫度為150℃，為了進(jìn)一步提高導(dǎo)線的載流能力，鋁合金的長(zhǎng)期使用溫度又進(jìn)一步提高到180℃、210℃和230℃，這就是所謂超耐熱鋁合金和特高耐熱鋁合金等。這種合金的使用溫度進(jìn)一步提高，但其線損也增加，因此只有在萬不得已的特殊情況下才會(huì)使用，國(guó)內(nèi)尚無采用超耐熱和特高耐熱鋁合金制作導(dǎo)線的實(shí)際工程。鋁合金的種類繁多，當(dāng)添加某種合金元素以后會(huì)改變其性能，符合使用的目的，但目前在電線電纜行業(yè)中，作為電工用的鋁合金仍然是以Al-Mg-Si和Al-Mg-Si-Re系高強(qiáng)度鋁合金用量最大、使用得最普遍的合金品種。

二、輸電線路中采用的幾種典型結(jié)構(gòu)

鋁合金導(dǎo)線及其主要技術(shù)參數(shù) 1. 2000m級(jí)大跨越導(dǎo)線我國(guó)大江大河、高山峽谷眾多，輸電線路往往需要從這些地方通過，故大跨越導(dǎo)線用量頗多，采用高強(qiáng)度鋁合金作為大跨越導(dǎo)線的導(dǎo)電材料是恰切的。長(zhǎng)江三峽樞紐工程的送出工程，龍泉至政平的±500kV直流輸電線路，全線路徑長(zhǎng)890km。途徑安徽省時(shí)在蕪湖市的東西梁山下游約670m處跨越長(zhǎng)江，工程跨越檔距1910m，整個(gè)耐張段為3050m。具體布置如下：跨越方式：耐張——直線——直線——耐張跨越檔距： 570m——1910m——570m ±500kV蕪湖長(zhǎng)江大跨導(dǎo)線，為四分裂的特高強(qiáng)度鍍鋅鋼芯高強(qiáng)度鋁合金絞線，型號(hào)為4×AACSR／EST-450／200，即使在極限條件下，它所輸送的電流，仍有適當(dāng)?shù)脑６龋础?64A。對(duì)于大跨越導(dǎo)線，其使用溫度允許達(dá)到90℃，三峽送出工程龍泉至政平±500kV直流輸電線路，輸送容量為300萬千瓦，輸送電流為3000安培，主干線路用導(dǎo)線為ACSR-720/50，經(jīng)反復(fù)論證和試驗(yàn)實(shí)測(cè)證明：AACSR／EST－450／200作為大跨越導(dǎo)線能很好的匹配?！笆濉逼陂g，三峽向廣東送電以及西電東送時(shí)，當(dāng)主干線路采用ACSR－720／50時(shí)，大跨越即以AACSR／EST－450／200相匹配。

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