2018, Vol. 39
架空导线是架空输电线路中重要的电工产品。从历史发展来看, 架空导线的发展已经历了6代[1]。
第1~3代:铜、铝、钢铝绞线, 均已发展成熟。
第4代:铝镁硅合金绞线, 自1927年在瑞士开发以来, 尚在应用中发展。
第5代:钢芯耐热铝合金导线(HTLS), 1974年在美国和日本开发, 尚在应用中发展。
第6代:低损耗导线(ACCA), 2010年在波兰开发, 正在创新发展之中。
第5代架空导线的出现, 是为了增加载流量, 从而出现了耐热性较高的Al-Zr合金。近些年来, 为了降低架空线路的输电损耗, 使输电线路损耗最小化, 需要开发低损耗导线。输电线路引起的能耗是由于Joule-Lenz热和电磁场, 其能耗高达10%。对低损耗导线的设想是消除不导电的有磁性的钢芯, 可能的选择是用高强度和高导电的Ag-Cu合金线做芯材来代替低热膨胀系数的芯材。Ag-Cu合金在固态下, 随着温度变化, Cu和Ag具有有限的互溶性, 从而可借助合适的化学成分, 采用过饱和型的热处理——时效和拉制, 在铜基体中获得具有Ag的纳米纤维铜线, 这种铜线具有淬火钢的强度和与Cu相近的导电率, 传输损耗可减少40%。
石墨烯的试验性生产, 也有机会获得新的导电材料, 其导电率或许能超过100%IACS。目前, 在这个研究领域, 已有越来越多的实验室正在开展研究工作, 从事不同形式的Cu/Al与石墨烯(或碳的其他同素异形体)的合成, 亦可能具有超标准的导电率。
当前, 中国是架空导线全世界用量最多的国家[2], 就生产的架空导线的品种[3-4]及生产装备而言, 应有尽有, 能满足(包括特高压和超高压)各电压等级输电线路的需要。但科学技术的发展是永远在路上的, 架空导线材料(包括导电材料和机械加强材料)的发展, 其理想的目标是要向“高导、高强和轻量”的三化方向发展, 使线路设计技术经济效果更优, 线路运行节能效果更好。
中国自主创新开发的独树一帜的“稀土优化综合处理技术”[5-6], 在电工铝合金中的应用的理论基础和提高导电率的机理是, 净化晶格中对导电率有明显影响的有害杂质元素Si。事至今日, 这种技术对提高导体导电率似乎已到了尽头, 而且高导电率与高抗拉强度这对矛盾也已明显地暴露出来, 两者不可兼得。如果想有实质性的开创性突破, 那就必须另创新法。
为了架空导线材料, 特别是导体材料的再发展, 国内外有哪些新的动向, 是本文需要讨论的主要内容, 以资有关科技人员和企业家共同研讨。
1 Al-Mg-Si合金线的开发改进Al-Mg-Si合金制造工艺, 采用低温时效工艺开发高导电(HC)、超高导电(EHC)和超超高导电(EEHC)三种型号的Al-Mg-Si合金线, 充分利用合金线的抗拉强度和导电率, 便于用户有较多或更多的选择余地。
目前, Al-Mg-Si合金线的生产主要采用连铸连轧生产线, 但我国同类老旧的生产线, 难于稳定生产出符合技术要求的Al-Mg-Si合金线。不同Al-Mg-Si合金线的生产工艺如图 1所示。这种合金在正确执行工艺技术时, 在浇铸轮上处于过饱和状态, 而后铸条经加热升温在直线式机架上进行连轧, 那时, 动态时效就发生了, 其获得的产品的质量取决于浇铸和轧制的工艺过程以及变形速度的热动态条件。这样会形成伪一、二元Al-Mg2Si状态(图 2)和可能的相转变, 这种相转变从过饱和的固溶体中开始, 直到如图 3所示的平衡相为止。
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图 1 不同Al-Mg-Si合金线的生产工艺流程 Fig. 1 Production process for different Al-Mg-Si alloy wires |
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图 2 伪二元Al - Mg2Si状态图 Fig. 2 State diagram of pseudo binary Al-Mg2Si |
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图 3 6×××系铝合金中的析出顺序图 Fig. 3 Precipitation sequence diagram of 6××× Al alloys |
图 4(a)示出在连铸连轧铸轮上取得的ENAW 6101合金铸条的显微组织。图 4(b)和(c)示出了由这种铸条制造的杆的显微组织, 从铸条和杆上都可以看到AlFeSi析出相(明亮处)和最初的AlMgSi析出相(位于AlFeSi析出相旁边, 呈黑色), 并且不均匀的析出相在不同的组织缺陷上都可看到, 见图 4(c)。
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图 4 从连铸连轧的铸轮上取得的ENAW 6101铝合金铸条和杆的显微组织 Fig. 4 Microstructures of cast bar and rod of ENAW 6101 Al alloy obtained from casting wheel prepared by continuous casting and rolling |
图 5(a)和(b)示出了ENAW 6101铝合金从铸条到在连铸连轧各机架上轧件发生力学和电气性能的变化。为了比较起见, 图 5(c)和(d)示出了ENAW 1370铝合金从铸条到在连铸连轧各机架上轧件发生力学和电气性能的变化, 对应图 5(a)和(b), 它们具有类似的关系。值得注意的是, 热变形不会使ENAW 6101和ENAW 1370铝合金发生再结晶, 但沿着连轧生产线, 材料的力学性能提高, 导电率下降。这是带有高堆垛层错(层积缺陷)能的材料所具有的一个典型特征。具有高堆垛层错能的材料, 组织会发生快速回复, 而对再结晶而言, 位错能不足。
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图 5 在连铸连轧生产线上ENAW 6101和ENAW1370铝合金的电阻率和硬度的变化 Fig. 5 Change in resistivity and hardness of ENAW 6101 and ENAW1370 Al alloys in continuous casting and rolling production line |
连铸连轧生产线生产的杆通过热处理而获得不同状态的杆, 不同状态的杆经过拉线可获得满足抗拉强度和导电率要求的线材(见表 1)。
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表 1 热处理成品线的性能 Tab. 1 Properties of the finished wire after heat treatment |
在德国DIN EN 50183—2002和欧洲EN 5018—2000中, 早已规定了AL2~AL8等7个型号的Al-Mg-Si合金线, 其热处理的成品线性能如表 1和图 6所示。美国ASTM B398中Al-Mg-Si合金线的型号见表 2。
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表 2 架空导线用美国ASTM B398标准中Al-Mg-Si合金线的性能 Tab. 2 Properties of Al-Mg-Si alloy wire in American ASTM B398 standard for overhead conductors |
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图 6 德国DINEN 50183—2002标准中Al-Mg-Si合金线强度和电性能之间的关系 Fig. 6 Relationship between strength and electrical properties of Al-Mg-Si alloy wire in German DINEN 50183-2002 standard |
由于改变了Al-Mg-Si合金线的制造工艺和分级, 增加了线的型号(高导电、超高导电和超超高导电), 线的导电率可从52.5%IACS升高到57.5%IACS, 这是极大的进步, 而抗拉强度稍有降低, 使用户有了较多或更多的选择余地。从制造角度看, 由于需要控制杆的状态和拉后的低温时效工艺, 所以工业炉领域的技术进步和提供装备也功不可没。
2 耐热铝合金线的耐热性耐热铝合金线的耐热性随含Zr量的增加而提高, 但生产难度增加(特别是合金的浇铸和热处理), 从而技术经济效果也下降。因此, 标准化的型号(IEC62004, 4个; ASTM B941 - 05, 1个)是多好还是少好, 是值得在修订标准时深入研究的。
随着架空输电线路载流量的明显增加, 耐高温的Al-Zr合金线出现了。假定在导线的生命周期内导线的性能退化≤10%, 这似乎是可以接受的。但将Zr、钪(Sc)、钐(Sm)等元素加入Al中, 则会增加导体的高温电阻, 这从降低架空线路的能耗而言, 似乎又是矛盾的。
Al-Zr合金线中由于高熔点Al3Zr析出相的存在, 而具有较高的耐热性。Al-Zr合金相图如图 7所示, 在Al的一角, 当Zr的质量分数为0.11%~0.28%的Al-Zr合金结晶时, 由于含0.11%Zr的液体金属与Al3Zr析出相反应具有包晶转变的特征, 形成了固溶相α。这样可建立起一个过饱和型—热处理—时效机制, 以分散Al3Zr析出相到晶粒边界上去, 并阻碍它们的热迁移。其一, 从生产技术上看, 由于不均匀的液体L+Al3Zr析出相的存在, 合金的浇铸是非常困难的; 其二, 如需工艺不当, 析出物成块, 不弥散, 当要求合金有更高的耐热温度时, 则必须提高合金中的Zr含量, 此时, 析出物成块和不弥散的情况将更加严重; 其三, 如时效时间长, 尚可力争性能达到指标的要求, 但整个生产的技术经济效果就难以提高, 除非用户特殊需要, 可高价出售。
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图 7 Al-Zr合金相图(Al的一角) Fig. 7 Phase diagram of aluminum-zirconium alloy(on the side of Al) |
IEC 62004标准中有AT1~AT4 4个型号的合金线, 据合金分类, 归属8000系铝合金, 允许运行温度为150~230 ℃。美国ASTM B941 - 05标准中只有1个型号的Al-Zr合金线, 其允许运行温度为210 ℃, 见表 3。
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表 3 在钢芯耐热铝合金导线结构中使用的Al-Zr合金线的性能 Tab. 3 Properties of Al-Zr alloy wires used in steel-core heat resistant aluminum alloy conductor |
图 8示出了ENAW 1370铝合金和0.22Zr-Zr(含Zr的质量分数为0.22%)合金线典型的Arrhenius图, 横坐标T为热力学温度。图 8中的杆均由连铸连轧工艺制造, 这种杆已经受到了预热处理。图 8选取了铝合金线抗拉强度降低5%, 10%和15%的数值进行了曲线的绘制。通过分析和引用表 4和表 5中的数据, 可以看出:铝合金线抗拉强度降低10%时, 在30 a后连续暴露在空气中的温度仅为79 ℃, 而Al-0.22Zr合金, 在30 a后达到抗拉强度下降同样的数值, 其连续暴露在空气中的温度为164 ℃。
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表 4 ENAW 1370铝合金线耐热性的结果 Tab. 4 Heat resistance of ENAW 1370 alloy wire |
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表 5 Al-0.22Zr合金和H23铝合金杆制造的铝合金线的长期耐热性 Tab. 5 Long-term heat resistance of aluminum alloy wires made of Al-0.22Zr alloy and H23 Al alloy rod |
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图 8 由ENAW 1370和Al-0.22Zr铝合金杆制造的线的Arrhenius图的强度等同线 Fig. 8 Strength equivalent line in Arrhenius chart of the wires made of ENAW 1370 and Al-0.22Zr aluminum alloy rods |
综上所述, 对耐热铝合金线的长期使用温度要求越高, 则Zr的加入量就要求越高, 高温电阻也会越高。从降低线路能耗的角度看, 没有好处, 只是特殊需要。从导线的生产角度看, 技术经济效果下降, 如GB/T 30551—2014和IEC 62004—2007中的型号NRLH4和AT4就是这样。表 5中, Al - 0.22Zr合金和H23铝合金杆制造的铝合金线的长期耐热性能显示, 在允许连续运行40 a和按允许强度下降10%的条件下, 长期耐热性的允许运行温度只有162 ℃, 达不到现行国标和IEC标准所规定的型号为NRLH3/IEC AT3铝合金线的要求(210 ℃), 从而只能在含Zr的质量分数为0.22%的基础上再提高。从目前中国电缆工业的订货状况看, 可归纳为3类导线:(1)既要耐热(150 ℃), 又强调高强度, 但导电率可稍低(55%IACS), 如大跨越导线, 电站内部用导线等; (2)既要耐热(150 ℃), 又要高导电率(60 %IACS), 如增容导线等; (3)强调高耐热(210和230 ℃), 又要较高的导电率(58和60 %IACS), 强度和伸长率要求几乎一样, 如特殊需要的导线。由此, 建议在今后修订GB/ 30551—2014和IEC 62004—2007标准时删除型号NRLH4和AT4。
3 Cu-Ag合金导线上述的导体材料都是对铝基材料而言的, 所以它们的强度特别是电气性能都具有铝的特征。但近年来, 希望新一代的架空导线兼有钢芯耐热铝合金导线和低损耗导线的性能, 从而人们的目光就转向了铜基材料。在此, 首感兴趣的材料之一可能是Cu-Ag合金。从Cu-Ag合金相图(图 9)可以看出, Cu和Ag在固态下, 具有有限互溶特征。从使用的角度出发, 有可能创造一种新工艺—通过结合强变形, 在不同的温度下对材料进行反复的时效处理获得优秀的性能。此种工艺技术允许在β相(Cu在Ag中固溶)中形成α相(Ag在Cu中固溶)的纳米纤维组织, 在α相中形成β相的纳米纤维组织。强烈的冷变形加工—拉线, 可使α相和β相成为横向纳米尺寸的纤维。由此, 这种复合结构可获得非常高的强度, 而且可维持与纯铜相近的导电率。
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图 9 Cu-Ag合金相图和在强烈冷变形后铸件和线的微观组织 Fig. 9 Cu-Ag alloy phase diagram and the microstructures of castings and wires after large-force cold deformation |
图 10示出了Cu-5Ag和Cu-15Ag合金线的高强度和高导电率的区域。可以填补导体材料有关“高抗拉强度—高导电率关系”的空缺(见图 10右上角的区域)。图 11示出了Cu-5Ag合金抗拉强度和导电率的关系, 为用于制造架空导线的芯线以代替钢芯的举例, 这样的组合允许输电损耗减少, 甚至可减少40%(这取决于线路的载流量)。图 12(a)示出了Cu-12Ag合金线原位复合强化组织纵向TEM图, 图 12(b)示出了Cu-12Ag合金线原位复合组织横截面SEM图, 可以看出Cu-12Ag合金线中Cu已被腐蚀掉呈黑色, 暴露的为Ag, 呈明亮色。图 13示出了用于制造架空导线的线芯以代替钢芯的举例——新一代低损耗混合式导线使用Cu-Ag合金作为芯线, 既能承载重负荷, 又有高导电率的效果。
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图 10 Cu-5Ag和Cu-15Ag合金线的高强度和高导电率的关系 Fig. 10 Relationship between high strength and high conductivity of Cu-5Ag and Cu-15Ag alloy wires |
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图 11 Cu-5Ag合金抗拉强度和导电率的关系 Fig. 11 Relationship between tensile strength and conductivity of Cu-5Ag alloy |
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图 12 Cu-12Ag合金线原位复合强化组织 Fig. 12 In-situ composite strengthened structure of Cu-12Ag alloy wire |
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图 13 新一代低损耗混合式导线使用Cu-Ag合金线作为芯线既能承载重负荷, 又有高导电率的效果举例 Fig. 13 Illustration for large-load carrying and high conductivity obtained in new generation low-loss mixed conducting wire using Cu-Ag alloy wire as core |
Cu-Ag合金在电工材料中的应用已有很长的历史。现在在新的理论指引下, 又在高性能电子材料中研发, 其原因是这种合金具有强度、导电率和耐热性皆优的特点。当前, 为了实现降低架空输电线路的输电损耗, 架空导线及其材料是关键之一。在架空导线上应用Cu-Ag合金以代替钢材是一个新想法和新尝试, 值得关注, 见图 13。Cu-Ag合金的新应用, 我国在科技部材料专项的支持下, 研究和产业化工作也已经起步, 正在进行中。
图 13中, 低损耗导线(ACCA)使用承力和导电为一体的Cu-5Ag芯线, Cu-5Ag合金具有高强度和高导电率(抗拉强度＞1 000 MPa, 导电率＞75 %IACS), 导线的外层使用软铝线。这种新方案的特点和主要性能:钢芯换为高强高导的Ag-Cu合金; Cu-Ag合金线涂(包)上特殊的耐腐蚀层; 硬铝线用软铝线代替; 在用型线的情况下, 导线内部自由空间可极大地减小; 在有效增加载流量的情况下(可达12%), 工作温度可达150 ℃; 与另外的高温导线方案相比, 能量传输损耗可最小化(最大可达40%)。
4 高耐腐蚀架空导线高耐腐蚀架空导线已在日本的输电线路上试运行, 力图提高线路的安全可靠性和延长导线的使用寿命[7]。
日本是海岛国家, 40年前建设输电线路用的铝包钢芯铝绞线由于遭受盐雾腐蚀情况的逐年扩展, 致使近年来由导线腐蚀引起的线路故障时有发生。对照我国的实情, 也有类似之处, 值得关注并研究对策。
住友电气与关西电力公司合作, 自2012年以来, 研究开发和正在试用由Al - Mn(0.5%Mn, 质量分数)合金包钢线作为加强芯材和铝线作为导电材料的新颖导线, 该种导线与铝包钢芯铝绞线相比, 其耐腐蚀寿命可提高1.6~2.0倍。
开发新颖导线的研究团队正继续致力于开发和扩大此种导线在耐热铝合金导线、高强度铝合金导线、架空地线和其他导线上的应用。对Al - Mn合金包钢线的开发, 在技术上, 从合金筛选到在大生产设备条件下制线、绞制导线、人工湿-干交替循环加速腐蚀试验和机电性能测试验证都认为是成功的。
5 铜-碳, 铝-碳合成导线在架空线路上的应用将具有重要的意义对石墨烯(Graphene)进行有效的生产技术开发, 发现它的性能, 特别是电气性能将开创“没有标准”的新材料的到来。表 6示出了铜、碳纳米管和石墨烯的物理性能。值得注意的是, 碳纳米管和石墨烯与铜相比具有导电率高、密度低和机械强度高的特征。近些年来, 有关石墨烯/碳纳米管与铜(或其他材料)合成的研究已经活跃起来, 其目的是为了改变它们的物理性能和改善可用性。现在主要有3种合成的方法:(1)石墨烯/碳纳米管用电沉积的方法沉积在金属材料上; (2)使粉末金属与石墨烯/碳纳米管一起进一步加工的粉末冶金法; (3)石墨烯/碳纳米管与液体金属进行非常规的冶金合成法。方法(1)和(2)都有一个严重的问题, 都和碳与铜的湿润性(Wettability)有关。
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表 6 铜、碳纳米管和石墨烯的性能 Tab. 6 Properties of copper, carbon nanotube and grapheme |
由于铜原子在(111)面上的排列与碳原子在石墨烯面上的排列具有高度几何(形状)相似性(见图 14)。所以, 期待用冶金合成的方法来解决问题。此种冶金合成方法在理论上有可能获得如图 14所示的结构。由于此种结构有一个合适的取向, 利用石墨烯导电率的各向异性, 能使电流向一个方向流动, 从而获得具有非常高的导电率的铜-碳合成材料。从技术上着眼, 当采用连铸石墨烯工艺时, 需要使合金有一个非常快的结晶速度, 便于碳原子进入铜的晶格。
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图 14 铜-石墨烯冶金合成概念图 Fig. 14 Concept map for metallurgical synthesis of copper and graphene |
要求金属导体材料及其架空线既要有高强度又要有高导电率是矛盾的, 最多能做到两者适当的平衡。当今为获得新的导体材料, 通常的趋向有三。
(1) 金属材料高纯化, 按现有的生产技术, 铜的纯度可达质量分数99.999 999%(8N铜), 由此可获得高导电率, 但由于铸造工艺参数对无氧铜性能造成的影响, 也可能会影响视频和音频信号的衰减问题。至于高纯线材强度的提高只能依靠大变形来实现。
(2) 金属材料合金化, 由图 15可以看出, 应变和析出强化(图右上角)的效果最好。
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图 15 强化机制与抗拉强度—导电率的关系 Fig. 15 Relationship between property forming method and tensile strength- conductivity |
(3) 开发新一代的导体材料, 如应用石墨烯、碳纳米管和锡烯等。至少在理论上可超越铜的导电率的极限值。开发新的合成技术, 对冶金和金属导体加工工作者是一个很大的挑战, 不仅有新理论和新方法的问题, 而且为了实现产业化亦要解决新工艺和新装备等系列问题。为此, 我们必须本着科学的精神, 实事求是, 求真务实, 力排起反作用的炒作行为。
架空电力线路用导体材料及其导线, 现在和将来的发展—选材、加工和开发新的节能导线, 必然与架空输电线路的设计、技术经济效果紧密相关, 由此应明确方向, 现在能做的应先做, 将来能做的也应早作安排, 以打开新局面。
致谢
本国内外综合性论述文在编写中应用了波兰科技大学Tadeusz Knych教授(曾于2002, 2004和2009年在国内外获得有声誉的科技奖项)论文中的有关观点和图表; 上海电缆研究所姚大伟博士提供了Cu-Ag合金线原位复合强化组织的TEM和SEM的图像; 郑秋工程师提供了有关标准的资料，特此感谢。
| [1] | TADEUSZ KNYCH. The development of conductive material technology for current and future needs of overhead power lines[J]. Wire journal international. November, 2015, 48(11): 54-67. |
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