摘 要：研究耐熱鋁合金導(dǎo)線這類新型導(dǎo)線的發(fā)熱機(jī)制，并探討其在鐵路輸電線路中的應(yīng)用效益。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析梳理這類新型導(dǎo)線的發(fā)熱機(jī)理，并研究其主要性能，最后介紹這類導(dǎo)線在鐵路輸電線路改造工程中的應(yīng)用。結(jié)果表明，？準(zhǔn)3.0的耐熱鋁合金單線在高溫處理后其抗拉強(qiáng)度仍較高，強(qiáng)度保持率不低于95.4%。60%導(dǎo)電率的鋼芯耐熱鋁合金絞線的耐熱性能與鋼芯耐熱鋁合金絞線是一樣的，它們的連續(xù)允許使用溫度都是150 ℃。與硬鋁線相比，耐熱鋁合金導(dǎo)線在蠕變性能、耐腐蝕性方面都水平相當(dāng)。經(jīng)分析2008年山東省M市220 kV鐵路輸電線路擴(kuò)容改造工程發(fā)現(xiàn)，只更換耐熱導(dǎo)線的花費(fèi)每千米只需45萬(wàn)元，而如果更換全部鐵塔，花費(fèi)為每千米133.9萬(wàn)元。由此可知，耐熱鋁合金導(dǎo)線具有良好的耐熱性能，將其用于線路改造或新建中能有效節(jié)省投入費(fèi)用，效益明顯。

關(guān)鍵詞：鐵路；輸電線路；耐熱鋁合金導(dǎo)線；耐熱機(jī)制；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM244+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0098-04

Abstract： The heating mechanism of a new type of conductor such as heat-resistant aluminum alloy wire is studied， and its application benefit in railway transmission line is discussed. By consulting the relevant literature， the heating mechanism of this new type of wire is analyzed， and its main performance is studied， finally， the application of this kind of wire in railway transmission line reconstruction project is introduced. The results show that the tensile strength of ？準(zhǔn)3.0 heat-resistant aluminum alloy single wire is still high after high-temperature treatment， and the strength retention rate is not less than 95.4%. The heat resistance of steel core heat-resistant aluminum alloy strands with 60% conductivity is the same as that of steel core heat-resistant aluminum alloy strands， and their continuous allowable temperature is 150 ℃. Compared with hard aluminum wire， heat-resistant aluminum alloy wire has the same level of creep performance and corrosion resistance. Based on the analysis of the capacity expansion and reconstruction project of 220 kV railway transmission line in M City， Shandong Province in 2008， it is found that the cost of only replacing heat-resistant wires is only 450 000 RMB/km， while the cost of replacing all towers is 1.339 million RMB/km. It can be seen that the heat-resistant aluminum alloy wire has good heat resistance， and its application in line reconstruction or new construction can effectively save the investment cost and the benefit is obvious.

Keywords： railway; transmission line; heat-resistant aluminum alloy wire; heat-resistant mechanism; application

伴隨國(guó)力的不斷增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)對(duì)電能的需求呈上升趨勢(shì)，而電力供需矛盾也日益突顯。由于土地升值、線路走廊資源緊張，清理輸電線路走廊所花費(fèi)的成本將明顯高出線路本身的成本投入，而且輸電線路的容量改造要求施工時(shí)間不可太長(zhǎng)。將耐熱導(dǎo)線投入到已有的高壓線路中有助于節(jié)約項(xiàng)目成本，縮短施工時(shí)間。而在電力需求擴(kuò)大，新建線路難度大的鐵路老城區(qū)可以在現(xiàn)有線路桿塔的基礎(chǔ)上用耐熱增容導(dǎo)線加以替換，便可明顯減輕電力供需矛盾，也能在一定程度上緩解輸電線路建設(shè)方面的困難。

1 耐熱鋁合金導(dǎo)線的導(dǎo)體材料

就耐熱鋁合金導(dǎo)線中所用鋁線而言，材質(zhì)為耐熱鋁合金導(dǎo)體材料，這種材料有利于電流輸送。日本在20世紀(jì)60年代就把上述導(dǎo)線投入到輸電線路工程建設(shè)中，剛開始由于這種材料的導(dǎo)電率約為58%，一般作為變電站母線。20世紀(jì)70年代開始這種材料的導(dǎo)電率增加了2%，被稱為60TACSR，在1973年它被正式用到輸電線工程中，直到20世紀(jì)90年代才在日本大規(guī)模應(yīng)用[1]。早在1990年日本就把這種導(dǎo)線材料運(yùn)用到500 kV輸電線工程建設(shè)中，作為輸電導(dǎo)線使用。日本需要通過大容量導(dǎo)線來(lái)解決不斷擴(kuò)大的電力需求，于是不再使用原來(lái)的普通鋼芯鋁絞線（ACSR），而是大范圍應(yīng)用60%導(dǎo)電率的鋼芯耐熱鋁合金絞線（60TACSR），目前，用量在整個(gè)輸電線路中的占比達(dá)到七成。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代末才開始關(guān)注耐熱鋁合金導(dǎo)線技術(shù)。最初航天電工技術(shù)有限公司與上海電纜研究所合作制成了耐熱鋁合金導(dǎo)體材料，導(dǎo)電率只有58%。待千禧之年后我國(guó)才制備出導(dǎo)電率為60%耐熱鋁合金導(dǎo)線[2]。如今伴隨需求的日益擴(kuò)大，耐熱鋁合金導(dǎo)體材料獲得了廣泛的關(guān)注，相關(guān)材料研究技術(shù)人員也正積極研發(fā)導(dǎo)電率更高的這種材料。

2 耐熱鋁合金耐熱機(jī)制分析

導(dǎo)體材質(zhì)大多為銅、鋁等金屬，通電后這類材質(zhì)溫度會(huì)慢慢上升，它的機(jī)械性能卻會(huì)隨之變?nèi)?。這一點(diǎn)直接阻礙了輸電能力的提高[3]。美國(guó)人Mr．R．Herrington在1949年的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過將適量金屬鋯（Zr）加入到鋁材之中，就能明顯改善鋁材的耐熱能力。這一發(fā)現(xiàn)獲得了全球諸多專業(yè)人士的關(guān)注[4]。之后日本將0.1%的鋯元素加入鋁材中得到耐熱鋁合金導(dǎo)線，并從20世紀(jì)60年代開始將其運(yùn)用到輸電線路中。相較于常規(guī)鋼芯鋁絞線（ACSR），鋼芯耐熱鋁合金絞線（TACSR）雖然為最基本的耐熱鋁合金導(dǎo)線，但它的連續(xù)運(yùn)行溫度與短時(shí)容許溫度均能提升60 ℃，依次為150 ℃與180 ℃，這表示輸電能力可以得到有效提升[5]。那么，這一原理是怎樣的呢？其實(shí)，關(guān)鍵在于將Zr元素融入鋁材后發(fā)生的再結(jié)晶現(xiàn)象，溫度明顯增高?；诮饘賹W(xué)理論來(lái)分析，具體的耐熱機(jī)理是金屬經(jīng)過冷加工后其機(jī)械性能將得到強(qiáng)化。冷加工一般會(huì)引發(fā)一些晶格缺陷，常見的包括原子空格、轉(zhuǎn)位等問題，這就容易造成畸變能。由于金屬潛在熱力學(xué)的穩(wěn)定性能受到晶格缺陷的影響，一旦溫度增高，原子的熱振動(dòng)能量便會(huì)隨之變大，上述晶格缺陷就容易發(fā)生轉(zhuǎn)移。這將使金屬內(nèi)部累積的畸變能逐漸變小，金屬的機(jī)械性能將回到冷加工之前的退火狀態(tài)。而金屬溫度上升所引發(fā)的原子轉(zhuǎn)位、晶格缺陷移動(dòng)現(xiàn)象的恢復(fù)被業(yè)界稱為“再結(jié)晶退火”。亞結(jié)晶晶粒界限析出細(xì)微的AL3Zr就被稱為亞結(jié)晶粒成長(zhǎng)，這能避免再結(jié)晶的發(fā)生。這說明析出的細(xì)微AL3Zr越多，金屬的耐熱性能也越強(qiáng)大[5]。不過這一結(jié)論只適合溫度超出400 ℃的金屬，但是架空輸電導(dǎo)線的運(yùn)行溫度最多僅達(dá)到200 ℃，故而微小AL3Zr并不會(huì)影響到導(dǎo)線的耐熱性能。究其原因是固溶體鋯（Zr）在微觀層面的轉(zhuǎn)位活動(dòng)受到阻礙，進(jìn)而產(chǎn)生耐熱效應(yīng)。

3 耐熱鋁合金導(dǎo)線的性能分析

3.1 耐熱性

導(dǎo)線材料的耐熱性主要包括2個(gè)指標(biāo)，分別為耐蠕變性與耐軟化性。以耐蠕變性來(lái)說，它的意思是長(zhǎng)時(shí)間在高溫條件下運(yùn)行導(dǎo)線垂度并不會(huì)明顯增加。耐軟化性是指長(zhǎng)期高溫運(yùn)行中導(dǎo)線的強(qiáng)度并無(wú)明顯改變。在鐵路輸電線路生產(chǎn)實(shí)踐中大多通過2項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，即強(qiáng)度保持率與導(dǎo)線的綜合線脹系數(shù)。所謂強(qiáng)度保持率是指某個(gè)高溫狀態(tài)下將單線抗拉強(qiáng)度與室溫條件下的抗拉強(qiáng)度相除得到的結(jié)果，行業(yè)規(guī)范中明確記錄這一指標(biāo)結(jié)果應(yīng)超過90%。分析導(dǎo)線的綜合線脹系數(shù)這一指標(biāo)，其大小主要和導(dǎo)線的抗蠕變性能有著較大的關(guān)聯(lián)，這項(xiàng)指標(biāo)除了與材料存在關(guān)系以外，也與導(dǎo)線結(jié)構(gòu)存在較大的關(guān)聯(lián)。在實(shí)際生產(chǎn)中選擇？準(zhǔn)3.0的耐熱鋁合金單線。在室溫環(huán)境下檢測(cè)它的抗拉強(qiáng)度，再將其置于老化箱內(nèi)，溫度設(shè)為150 ℃保持100 h之后進(jìn)行冷卻處理，然后繼續(xù)在室溫條件下測(cè)定它的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果見表1。

3.2 導(dǎo)電性能

早期設(shè)計(jì)出的耐熱鋁合金線（TAI）的突出問題就是高電阻率，而普通硬鋁線（HAI）的電阻率則明顯更低[6]。故而TAI的導(dǎo)電率是明顯比HAI要遜色多了，僅僅是58%IACS，而優(yōu)質(zhì)的普通硬鋁線導(dǎo)電率最高為61%IACS。鋼芯耐熱鋁合金絞線（TACSR）就是在常規(guī)的鋼芯鋁絞線的基礎(chǔ)上用耐熱鋁合金線取代普通的硬鋁線，因此，獲得耐熱性能更好、導(dǎo)線載流量更大的導(dǎo)線。但是這種導(dǎo)線也存在一些不足，其導(dǎo)電率并不優(yōu)于普通鋼芯鋁絞線，在工作過程中溫度較高時(shí)，電阻也較大，故而TACSR在剛面世的時(shí)候，并未得到大范圍推廣。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，鈦（Ti）和釩（V）這2種元素可以改善金屬鋁的耐熱性能，而鋯元素對(duì)金屬鋁的導(dǎo)電率影響最大，其次為Ti與V。在實(shí)際應(yīng)用中一般選擇鋯元素添加到耐熱鋁合金線中，每加入0.1%的鋯，則鋁合金導(dǎo)電率會(huì)下降4.1%左右。通過10余年的探索最終研制出導(dǎo)電率在60%IACS以上的耐熱鋁合金線（60TAI），進(jìn)而使鋼芯60%導(dǎo)電率耐熱鋁合金絞線（60TACSR）問世，而且在1973年被正式應(yīng)用到輸電線領(lǐng)域。58TAI就是58%導(dǎo)電率耐熱鋁合金線，它作為最初的一類耐熱鋁合金線，之后衍生出鋼芯耐熱鋁合金絞線，即58TACSR。與初期的TAI相比，60TAI無(wú)論是機(jī)械性能還是耐熱性能都與之相同，而且60TAI的導(dǎo)電率更高（表2）。分析導(dǎo)線的耐熱性能發(fā)現(xiàn)，通常與導(dǎo)電率存在反相關(guān)的慣性，如果只改善耐熱性能是不明智的，在輸電線路的建設(shè)工程中一般應(yīng)將導(dǎo)線的導(dǎo)電率下降控制在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)?；谏鲜銮闆r，有人將鋁中鋯的含量適度提升，并加入一些微量元素，優(yōu)化加工工藝后研制出超耐熱鋁合金線（UTAI）。當(dāng)耐熱鋁合金導(dǎo)線的工作溫度從70 ℃增至150 ℃，其載流量也會(huì)增加0.6倍，這種導(dǎo)線因?yàn)樽陨淼膶?dǎo)線弧垂極小，在處理凈空不足的線路時(shí)便可選擇這種導(dǎo)線，因?yàn)樗艽蠓?jié)約線路凈空，進(jìn)而有利于整個(gè)線路的成本控制。一般來(lái)說電流漲落偏大的區(qū)域比較適合選用這類導(dǎo)線。當(dāng)傳輸同等容量電能時(shí)，由于耐熱導(dǎo)線的外徑變小，搭建鐵塔的成本也會(huì)縮小，而且架線便捷，也能在一定程度上節(jié)省投入。

3.3 蠕變性能

評(píng)價(jià)架空輸電線路運(yùn)行是否安全的一項(xiàng)基本指標(biāo)正是導(dǎo)線的蠕變特性。某電廠送電線路跳線選擇的是耐熱鋁合金導(dǎo)線（NRLH60GJF-400/35型），而通過硬鋁線（LGJ-400/35型）作為變電站之間的連接線，經(jīng)過4年多的運(yùn)行實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，耐熱鋁合金導(dǎo)線的蠕變性能與硬鋁線之間并無(wú)明顯差別。

3.4 耐腐蝕性

采用實(shí)驗(yàn)室鹽霧實(shí)驗(yàn)研究這類導(dǎo)線的耐腐蝕性，然后做了室外大氣暴露實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，無(wú)論是硬鋁線，還是耐熱鋁合金導(dǎo)線，2類導(dǎo)線的耐腐蝕性能水平相當(dāng)。

4 耐熱鋁合金導(dǎo)線在鐵路輸電線路中的應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目概述

2008年山東省M市220 kV鐵路輸電線路擴(kuò)容改造工程，預(yù)計(jì)摒棄原來(lái)的導(dǎo)線（2×LGJ-300/25），該電廠擴(kuò)建2×300 MW機(jī)組，要求輸電線路輸送容量最高應(yīng)為700 MVA，導(dǎo)線載流量應(yīng)為1 837A（外部環(huán)境溫度在40 ℃），因此，單根導(dǎo)線載流量應(yīng)達(dá)到920 A，而該項(xiàng)目位于鐵路周邊，舊線路很多都是交叉跨越的，障礙物也不少，若直接在原線路上更換鐵塔，不僅面臨著極大的拆遷困難，而且鐵塔更換成本較高。為此，經(jīng)過反復(fù)研究對(duì)比決定使用JNRLH1S/EST-300/25型耐熱導(dǎo)線，從表3中可知相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

4.2 計(jì)算分析

參照耐熱導(dǎo)線張力弧垂計(jì)算流程，并利用軟件得出當(dāng)大于緊線溫度條件時(shí)滿足載流量要求的溫度所對(duì)應(yīng)的張力弧垂，也可得出極限載流量要求下對(duì)應(yīng)溫度的張力弧垂。載流量的具體計(jì)算參數(shù)為：風(fēng)速選擇0.5 m/s，外部環(huán)境溫度取40 ℃，日照強(qiáng)度設(shè)定為0.1 W/cm2，0.9作為表面吸收系數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)在緊線溫度以下時(shí)，耐熱導(dǎo)線的弧垂與普通鋼芯鋁絞線的弧垂是毫無(wú)區(qū)別的，若導(dǎo)線溫度每上升10 ℃，則弧垂一般會(huì)增加0.35～0.38 m；當(dāng)在緊線溫度以上時(shí)，耐熱導(dǎo)線溫度每升高10 ℃，則弧垂一般會(huì)增加0.13～0.14 m。這就是說，在緊線溫度以上的條件下耐熱導(dǎo)線的弧垂增幅僅僅為普通鋼芯鋁絞線的一半。

研究鋼芯與導(dǎo)電鋁基體的耐熱特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，70 ℃或80 ℃一般是普通鋼芯鋁絞線工作的最高溫度，當(dāng)然有時(shí)也可以超過90 ℃，而150 ℃或210 ℃一般是耐熱導(dǎo)線工作的最高溫度。經(jīng)仔細(xì)計(jì)算分析后確定本項(xiàng)目耐熱導(dǎo)線的工作溫度如果是150 ℃，其載流量將是普通鋼芯鋁絞線工作溫度為70 ℃時(shí)的2倍。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，伴隨導(dǎo)線溫度的上升，耐熱導(dǎo)線的載流量就是普通鋼芯鋁絞線（70 ℃）時(shí)的2倍。對(duì)比弧垂可知，當(dāng)導(dǎo)線溫度升高時(shí)，耐熱導(dǎo)線的弧垂變化比普通鋼芯鋁絞線的弧垂更加平緩。如果在緊線溫度以下，耐熱導(dǎo)線與普通鋼芯鋁絞線二者的弧垂是無(wú)差別的。如果在緊線溫度以上，耐熱導(dǎo)線的溫度弧垂曲線斜率僅僅為普通鋼芯鋁絞線的50%，當(dāng)溫度升至150 ℃，耐熱導(dǎo)線的弧垂與普通鋼芯鋁絞線在70 ℃時(shí)的弧垂相似，這提示耐熱導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)只有普通鋼芯鋁絞線的一半。通過實(shí)驗(yàn)可知，耐熱導(dǎo)線的溫度如果超出緊線溫度，則導(dǎo)線的張力會(huì)轉(zhuǎn)移至鋼芯上，完成了鋁部張力的轉(zhuǎn)移。

4.3 效益分析

本項(xiàng)目工程若選用2×LGJ-400/35導(dǎo)線線路，這比應(yīng)用2×LGJ-300/40導(dǎo)線的本體投入費(fèi)用更多，每千米一般會(huì)增加3萬(wàn)元成本。如果不用2×LGJ-400/35導(dǎo)線線路，而選用截面為300 mm2的耐熱導(dǎo)線，采用單回路導(dǎo)線，每千米會(huì)增加大約4.6萬(wàn)元的成本；采用雙回路導(dǎo)線，每千米會(huì)增加大約8.9萬(wàn)元的成本。通過以上改造方案，如果要更換全部鐵塔，該項(xiàng)目每千米需投入的經(jīng)費(fèi)約為133.9萬(wàn)元，而只替換耐熱導(dǎo)線的費(fèi)用是每千米45萬(wàn)元。那么，在新建線路中引入耐熱導(dǎo)線能夠明顯節(jié)省開支，而在改造工程中能夠減少鐵塔、混凝土、場(chǎng)地等材料的投入，進(jìn)而使工程造價(jià)得到有效的控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，耐熱鋁合金導(dǎo)線因其獨(dú)特的耐熱機(jī)制具有良好的性能優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)增容改造、大跨越線路與常規(guī)線路、變電站建設(shè)中都得到了大量的應(yīng)用。與普通導(dǎo)線相比，國(guó)產(chǎn)耐熱鋁合金導(dǎo)線的成本低、載流量高，比普通導(dǎo)線的綜合造價(jià)明顯更低，也能確保線路運(yùn)行的安全，故而這類導(dǎo)線有很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦君.耐熱鋁合金導(dǎo)線在輸電線路中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2011（24）：203-206.

[2] 張強(qiáng)，陳保安，祝志祥，等.架空導(dǎo)線用芯線材料綜述[J].熱加工工藝，2016，45（6）：20-22.

[3] 尤傳永.耐熱鋁合金導(dǎo)線的耐熱機(jī)理及其在輸電線路中的應(yīng)用[C]//輸配技術(shù)國(guó)際會(huì)議.中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，2003.

[4] 田連博，黃振寧.輸電線路超耐熱鋁合金導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度估計(jì)方法[J].工業(yè)加熱，2021，50（10）：31-38.

[5] 劉建偉，趙楓，郝艷勇.國(guó)內(nèi)鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線的研究和應(yīng)用[J].電氣時(shí)代，2016（12）：73-77，91.

[6] 祝志祥，韓鈺，陳新，等.架空線路用高導(dǎo)電率耐熱鋁合金導(dǎo)線的研制[J].中國(guó)電力，2014，47（6）：66-69.