铝及铝合金在导线应用中的优势

架空输电线的基本要求：要有良好的电导率，具有一定的强度以支持其自身的重力及外来的自然荷重（风荷载、冰荷载等）。铜、铝是架空输电线最理想的导线材料，性能比较见表7-1。

表7-1 导线材料的性能比较

铝比铜有更高的强度重量比以及更好的导电性能与重量比，即某一特定的强度及电导率可以从较轻的质量中获得。

1876年，英国人柯利在博尔顿架设了世界上第一根架空铝线。1908年美国铝业公司的胡普斯（W.Hoopes）发明钢芯铝绞线（ACSR），1909年架设于尼亚加拉大瀑布上空。随后，架空高压输电线逐渐为钢芯铝绞线所取代。1955年以后铝材广泛用作配电线。

目前，全世界生产的铝有约14％用作电工材料，其中电力导体几乎都是铝的，但室内导线用量仍有限。铝化率最高的是美国，达35％左右。我国电工部门的用铝量约占全国铝总消耗量的四分之一，作为导体用铝材的79％～85％是架空导线和地线，9％～10％为架空绝缘电缆，11％～12％为扁线、母线、编织线及漆包线等其他导线。

最普通的铝导体合金（1350）所能提供的最小电导率达到国际退火铜标准（IACS）的61.8％，抗拉强度在55～124MPa。

钢芯铝绞线的电阻由铝的横截面大小决定，而抗拉强度则取决于复合的钢芯，它提供总强度的55％～60％。钢芯铝绞线结构按强度使用，它的强度与质量比通常是具有相等电阻的铜线的两倍。使用钢芯铝绞线电缆线容许配置较长的挡杆及较少的矮电杆或铁塔。高压输电线中铝导线的性能见表7-2。

表7-2 高压输电线中铝导线的性能

下面着重介绍铝及铝合金在导线上的应用。

1.铝包钢芯导线

铝导体可以采用轧制、挤压、铸造或锻造方法生产。纯铝线由于其强度较低，一般只在低压线路上应用。普通形状的铝导线由单线或多根线（绞合线、成束线或多层线绳）组成。每一种线均可用于架空或其他张紧与非张紧用途。在高、中压线路中需采用钢芯铝绞线（ACSR）。钢芯铝绞线由围绕高强度的镀锌或镀铝的钢芯导线作同心配置的一层或多层的绞合铝线组成（见图7-1），而钢芯导线本身可以是一根单线作同心圆配置的绞合线。带有钢芯的铝导线是通过挤压方式生产的。挤压时，导线通过挤压模上孔，围绕钢芯周围的铝随钢芯一道被挤出，铝包裹在钢芯周围形成导缆，并挤压至最终尺寸，也可以用拉拔成形，即将导线穿进一根预制尺寸较大一些的铝管，然后通过减径和拔模挤压该铝管至最终尺寸。

图7-1 钢芯导线截面示意图

与钢芯铝绞线相比，在线路上用铝合金绞线有以下优点

1）普通钢芯铝绞线的内层铝单丝与镀锌钢丝直接接触，在外界水汽和污染浸渍下两种金属之间产生电位腐蚀，加速了钢芯的老化。而铝包钢芯铝绞线的钢丝被铝层包裹而不与铝股接触，避免了电位腐蚀，且与空气中的水汽隔绝，进一步提高了抗腐蚀能力，延长了导线使用寿命。

2）铝包钢芯比镀锌钢芯、稀土锌铝合金镀层钢芯和镀铝钢芯的抗腐蚀能力分别提高11倍、515倍和211倍，可见采用铝包钢芯对延长钢芯使用寿命有显著效果。(www.xing528.com)

3）采用20％IACS的铝包钢芯可使铝包钢芯铝绞线的铝截面比钢芯铝绞线增加导线电导率增加。

4）铝包钢芯铝绞线与钢芯铝绞线相比，水平荷载相同，最大使用张力相差不大但由于单位自重轻，弧垂略小，施放档距略大。

导线的导电性能与铝钢比有直接的关系，铝钢比越高，导电性能越好。由于铝包钢绞线用包覆铝层的加强钢线取代了镀锌钢线，铝的总面积增加，电导率也会相应增加电阻下降。

2.耐热铝合金导线

随着我国经济的快速发展，对电力的需求急剧增长，对送电线路要求向大电流、超高压方向发展，这就要求增大导线的输电容量（允许载流量）。而导线的允许电流与允许温升、导线直径和电导的平方根成正比。要达到较大容量，可以增加导线外径（增大标称截面积）和降低导线电阻率，但导线电阻率不可能无限制降低，增加导线外径会大大增加杆塔的水平、垂直和纵向荷载，从而加大单基铁塔的尺寸和质量，相应的基础工程量、线路走廊也大为增加，因此，这两种方法缺乏经济可行性。而将导线的允许工作温度提升是可行的，并且较为经济。但当输电线大容量传输时，导线工作温度急剧上升，普通钢芯铝绞线中使用的电工硬铝线在不到100℃时即开始软化，导线强度损失较大，运行安全得不到保证，因此需要一种可以耐受高温，且在高温运行时强度损失较小的导线。耐热铝合金导线的研究和应用就是在这种背景下产生的。

耐热铝合金导线是在普通铝合金中添加锆、钇等元素，提高铝的再结晶温度、蠕变强度及耐热性能，使其长期工作温度达到150℃，载流量较相同规格铝线提高40％～50％，抗拉强度达到180MPa以上。

国际上耐热铝合金导线的开发和应用已有数十年历史。美国于20世纪50年代提出在铝中添加少量锆以提高耐热性，日本于20世纪60年代进行了系统的研究，并开发出工作温度为150℃，电导率为国际标准退火铜58％（IACS）的钢芯耐热铝合金绞线（TACSR），它的导电部分用耐热铝合金线（TAl）代替了传统钢芯铝绞线（ACSR）中的硬铝线（HAl）。东京电力公司目前运行的超高压电网就大量采用了耐热铝合金导线等综合技术措施，单回线输送功率已达到自然功率的2～3倍，同塔双回500kV送电线路输送能力可达到6000MW，且输送功率基本不受系统的稳定性限制。

在耐热铝合金导线系列中还有导体部分用超耐热铝合金线（UTA1和ZTA1）的钢芯超耐热铝合金绞线（UTACSR和ZTACSR）、用高强度耐热铝合金线（KTA1）的钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR）等线种。

由于耐热导线的电导率较低，线损较大和弧垂问题，耐热导线依然较难应用于长距离输电线路。耐热铝合金导线要满足驰度的要求，一般会采用较大的使用应力，安全系数的减小会造成导线平均运行张力的增加，使导线的防振性能降低。如何在耐热导线驰度和防振性能间取舍，采取何种合理的防振措施，又是一个重要的课题。

与传统的铝合金导线相比，耐热铝合金导线具有耐高温、载流量大、节约工程投资的优点，尤其适合城市送电线路的增容改造，但也有线损大、运行经验不足，配套产品不齐的缺点。耐热铝合金导线在发达国家的应用已经较为普遍，在我国还处在起步阶段，要达到发达国家的水平还需要相当长的一段时间。

3.高强度铝合金导线

高强度铝合金导线内层采用高强度铝合金单线作芯线，外层按标准规定采用铝线同心绞合。由于铝合金线的耐蚀性比普通钢绞线要好，所以它和铝包钢芯铝绞线一样，特别适合在易腐蚀的地区使用。

与传统的钢芯铝绞线相比，高强度铝合金导线直流电阻基本相同，虽然高强度铝合金导线的总拉断力比钢芯铝绞线略小，但铝合金导线的单位质量比钢芯铝绞线低15％同时，在相同拉力条件下，铝合金导线的弧垂比钢芯铝绞线小。

4.汇流母线导体

美国商用母线采用四种汇流母线导体材料：矩形棒材、实心圆棒、管材与结构型材。近年来，为了提高导电强度，减轻材料质量，各种形状和断面铝合金管母线用量也大大增加。铝合金管母线主要用于大型水力和火力发电站作输电用，主要合金有纯铝6063和6010等电工铝合金，一般采用无缝铝管。

电解铝厂和再生铝厂的高电流母线使用连续铸造的铝棒。高压开关中的管形电流夹板和导电部件，也采用铝的铸件或锻件。