架空電力線路用導體材料的研究現狀和發展方向

摘要：

降低架空輸電線路的損耗，導體材料是關鍵之一。綜合介紹為滿足架空輸電線路目前和將來的需要，國內外已經和正在進行的研究開發工作，以資探討。

關鍵詞：

架空導線; 導體材料; 研究現狀; 發展方向

中圖分類號： TD 952 文獻標志碼： A

Current Research and Further Development of Conductor

Material for Overhead Transmission Line

HUANG Chongqi

（Shanghai Electric Cable Research Institute， Shanghai 200093， China）

Abstract：

One of the key points for conductor material is reducing the electrical loss of overhead transmission line.In this paper，domestic and foreign，complete and ongoing research works on meeting the current and future needs of overhead transmission line are general introduced for discussion.

Keywords：

overhead transmission line; conductor material; research status; developing direction

架空導線是架空輸電線路中重要的電工產品。從歷史發展來看，架空導線的發展已經歷了6代[1]。

第1～3代：銅、鋁、鋼鋁絞線，均已發展成熟。

第4代：鋁鎂硅合金絞線，自1927年在瑞士開發以來，尚在應用中發展。

第5代：鋼芯耐熱鋁合金導線（HTLS），1974年在美國和日本開發，尚在應用中發展。

第6代：低損耗導線（ACCA），2010年在波蘭開發，正在創新發展之中。

第5代架空導線的出現，是為了增加載流量，從而出現了耐熱性較高的Al-Zr合金。近些年來，為了降低架空線路的輸電損耗，使輸電線路損耗最小化，需要開發低損耗導線。輸電線路引起的能耗是由于Joule-Lenz熱和電磁場，其能耗高達10%。對低損耗導線的設想是消除不導電的有磁性的鋼芯，可能的選擇是用高強度和高導電的Ag-Cu合金線做芯材來代替低熱膨脹系數的芯材。Ag-Cu合金在固態下，隨著溫度變化，Cu和Ag具有有限的互溶性，從而可借助合適的化學成分，采用過飽和型的熱處理——時效和拉制，在銅基體中獲得具有Ag的納米纖維銅線，這種銅線具有淬火鋼的強度和與Cu相近的導電率，傳輸損耗可減少40%。

石墨烯的試驗性生產，也有機會獲得新的導電材料，其導電率或許能超過100%IACS。目前，在這個研究領域，已有越來越多的實驗室正在開展研究工作，從事不同形式的Cu/Al與石墨烯（或碳的其他同素異形體）的合成，亦可能具有超標準的導電率。

當前，中國是架空導線全世界用量最多的國家[2]，就生產的架空導線的品種[3-4]及生產裝備而言，應有盡有，能滿足（包括特高壓和超高壓）各電壓等級輸電線路的需要。但科學技術的發展是永遠在路上的，架空導線材料（包括導電材料和機械加強材料）的發展，其理想的目標是要向“高導、高強和輕量”的三化方向發展，使線路設計技術經濟效果更優，線路運行節能效果更好。

中國自主創新開發的獨樹一幟的“稀土優化綜合處理技術”[5-6]，在電工鋁合金中的應用的理論基礎和提高導電率的機理是，凈化晶格中對導電率有明顯影響的有害雜質元素Si。事至今日，這種技術對提高導體導電率似乎已到了盡頭，而且高導電率與高抗拉強度這對矛盾也已明顯地暴露出來，兩者不可兼得。如果想有實質性的開創性突破，那就必須另創新法。

為了架空導線材料，特別是導體材料的再發展，國內外有哪些新的動向，是本文需要討論的主要內容，以資有關科技人員和企業家共同研討。

1 Al-Mg-Si合金線的開發

改進Al-Mg-Si合金制造工藝，采用低溫時效工藝開發高導電（HC）、超高導電（EHC）和超超高導電（EEHC）三種型號的Al-Mg-Si合金線，充分利用合金線的抗拉強度和導電率，便于用戶有較多或更多的選擇余地。

目前，Al-Mg-Si合金線的生產主要采用連鑄連軋生產線，但我國同類老舊的生產線，難于穩定生產出符合技術要求的Al-Mg-Si合金線。不同Al-Mg-Si合金線的生產工藝如圖1所示。這種合金在正確執行工藝技術時，在澆鑄輪上處于過飽和狀態，而后鑄條經加熱升溫在直線式機架上進行連軋，那時，動態時效就發生了，其獲得的產品的質量取決于澆鑄和軋制的工藝過程以及變形速度的熱動態條件。這樣會形成偽一、二元Al-Mg2Si狀態（圖2）和可能的相轉變，這種相轉變從過飽和的固溶體中開始，直到如圖3所示的平衡相為止。

圖1 不同Al-Mg-Si合金線的生產工藝流程

Fig.1 Production process for different Al-Mg-Si alloy wires

圖2 偽二元Al-Mg2Si狀態圖

Fig.2 State diagram of pseudo binary Al-Mg2Si

圖4（a）示出在連鑄連軋鑄輪上取得的ENAW 6101合金鑄條的顯微組織。圖4（b）和（c）示出了由這種鑄條制造的桿的顯微組織，從鑄條和桿上都可以看到AlFeSi析出相（明亮處）和最初的AlMgSi析出相（位于AlFeSi析出相旁邊，呈黑色），并且不均勻的析出相在不同的組織缺陷上都可看到，見圖4（c）。

圖3 6×××系鋁合金中的析出順序圖

Fig.3 Precipitation sequence diagram of 6××× Al alloys

圖5（a）和（b）示出了ENAW 6101鋁合金從鑄條到在連鑄連軋各機架上軋件發生力學和電氣性能的變化。為了比較起見，圖5（c）和（d）示出了ENAW 1370鋁合金從鑄條到在連鑄連軋各機架上軋件發生力學和電氣性能的變化，對應圖5（a）和（b），它們具有類似的關系。值得注意的是，熱變形不會使ENAW 6101和ENAW 1370鋁合金發生再結晶，但沿著連軋生產線，材料的力學性能提高，導電率下降。這是帶有高堆垛層錯（層積缺陷）能的材料所具有的一個典型特征。具有高堆垛層錯能的材料，組織會發生快速回復，而對再結晶而言，位錯能不足。

圖4 從連鑄連軋的鑄輪上取得的ENAW 6101鋁合金鑄條和桿的顯微組織

Fig.4 Microstructures of cast bar and rod of ENAW 6101 Al alloy obtained from casting

wheel prepared by continuous casting and rolling

圖5 在連鑄連軋生產線上ENAW 6101和ENAW1370鋁合金的電阻率和硬度的變化

Fig.5 Change in resistivity and hardness of ENAW 6101 and ENAW1370 Al alloys in continuous casting and rolling production line

連鑄連軋生產線生產的桿通過熱處理而獲得不同狀態的桿，不同狀態的桿經過拉線可獲得滿足抗拉強度和導電率要求的線材（見表1）。

在德國DIN EN 50183—2002和歐洲EN 5018—2000中，早已規定了AL2～AL8等7個型號的Al-Mg-Si合金線，其熱處理的成品線性能如表1和圖6所示。美國ASTM B398中Al-Mg-Si合金線的型號見表2。

表1 熱處理成品線的性能

Tab.1 Properties of the finished wire after heat treatment

圖6 德國DINEN 50183—2002標準中Al-Mg-Si 合金線強度和電性能之間的關系

Fig.6 Relationship between strength and electrical properties of Al-Mg-Si alloy wire in German DINEN 50183-2002 standard

表2 架空導線用美國ASTM B398標準中 Al-Mg-Si合金線的性能

Tab.2 Properties of Al-Mg-Si alloy wire in American

ASTM B398 standard for overhead conductors

由于改變了Al-Mg-Si合金線的制造工藝和分級，增加了線的型號（高導電、超高導電和超超高導電），線的導電率可從52.5%IACS升高到57.5%IACS，這是極大的進步，而抗拉強度稍有降低，使用戶有了較多或更多的選擇余地。從制造角度看，由于需要控制桿

的狀態和拉后的低溫時效工藝，所以工業爐領域的技術進步和提供裝備也功不可沒。

2 耐熱鋁合金線的耐熱性

耐熱鋁合金線的耐熱性隨含Zr量的增加而提高，但生產難度增加（特別是合金的澆鑄和熱處理），從而技術經濟效果也下降。因此，標準化的型號（IEC62004，4個;ASTM B941-05，1個）是多好還是少好，是值得在修訂標準時深入研究的。

隨著架空輸電線路載流量的明顯增加，耐高溫的Al-Zr合金線出現了。假定在導線的生命周期內導線的性能退化≤10%，這似乎是可以接受的。但將Zr、鈧（Sc）、釤（Sm）等元素加入Al中，則會增加導體的高溫電阻，這從降低架空線路的能耗而言，似乎又是矛盾的。

Al-Zr合金線中由于高熔點Al3Zr析出相的存在，而具有較高的耐熱性。Al-Zr合金相圖如圖7所示，在Al的一角，當Zr的質量分數為0.11%～0.28%的Al-Zr合金結晶時，由于含0.11%Zr的液體金屬與Al3Zr析出相反應具有包晶轉變的特征，形成了固溶相α。這樣可建立起一個過飽和型—熱處理—時效機制，以分散Al3Zr析出相到晶粒邊界上去，并阻礙它們的熱遷移。其一，從生產技術上看，由于不均勻的液體L+Al3Zr析出相的存在，合金的澆鑄是非常困難的;

其二，如需工藝不當，析出物成塊，不彌散，當要求合

金有更高的耐熱溫度時，則必須提高合金中的Zr含

量，此時，析出物成塊和不彌散的情況將更加嚴重;其三，如時效時間長，尚可力爭性能達到指標的要求，但整個生產的技術經濟效果就難以提高，除非用戶特殊需要，可高價出售。

圖7 Al-Zr合金相圖（Al的一角）

Fig.7 Phase diagram of aluminum-zirconium alloy（on the side of Al）

IEC 62004標準中有AT1～AT4 4個型號的合金線，據合金分類，歸屬8000系鋁合金，允許運行溫度為150～230 ℃。美國ASTM B941-05標準中只有1個型號的Al-Zr合金線，其允許運行溫度為210 ℃，見表3。

表3 在鋼芯耐熱鋁合金導線結構中使用的Al-Zr合金線的性能

Tab.3 Properties of Al-Zr alloy wires used in steel-core heat resistant aluminum alloy conductor

圖8示出了ENAW 1370鋁合金和0.22Zr-Zr（含Zr的質量分數為0.22%）合金線典型的Arrhenius圖，橫坐標T為熱力學溫度。圖8中的桿均由連鑄連軋工藝制造，這種桿已經受到了預熱處理。圖8選取了鋁合金線抗拉強度降低5%，10%和15%的數值進行了曲線的繪制。通過分析和引用表4和表5中的數據，可以看出：鋁合金線抗拉強度降低10%時，在30 a后連續暴露在空氣中的溫度僅為79 ℃，而Al-0.22Zr合金，在30 a后達到抗拉強度下降同樣的數值，其連續暴露在空氣中的溫度為164 ℃。

綜上所述，對耐熱鋁合金線的長期使用溫度要求越高，則Zr的加入量就要求越高，高溫電阻也會越高。從降低線路能耗的角度看，沒有好處，只是特殊需

要。從導線的生產角度看，技術經濟效果下降，如GB/T 30551—2014和IEC 62004—2007中的型號NRLH4和AT4就是這樣。表5中，Al-0.22Zr合金和H23鋁合金桿制造的鋁合金線的長期耐熱性能顯示，在允許連續運行40 a和按允許強度下降10%的條件下，長期耐熱性的允許運行溫度只有162 ℃，達不到現行國標和IEC標準所規定的型號為NRLH3/IEC AT3鋁合金線的要求（210 ℃），從而只能在含Zr的質量分數為0.22%的基礎上再提高。從目前中國電纜工業的訂貨狀況看，可歸納為3類導線：（1） 既要耐熱（150 ℃），又強調高強度，但導電率可稍低（55%IACS），如大跨越導線，電站內部用導線等;（2） 既要耐熱（150 ℃），又要高導電率（60 %IACS），如增容導線等;（3） 強調高耐熱（210 和230 ℃），又要較高的導電率（58和60 %IACS），強度和伸長率要求幾乎一樣，如特殊需要的導線。由此，建議在今后修訂GB/ 30551—2014和IEC 62004—2007標準時刪除型號NRLH4和AT4。

表4 ENAW 1370鋁合金線耐熱性的結果

Tab.4 Heat resistance of ENAW 1370 alloy wire

表5 Al-0.22Zr合金和H23鋁合金桿制造的 鋁合金線的長期耐熱性

Tab.5 Long-term heat resistance of aluminum alloy

wires made of Al-0.22Zr alloy and H23 Al alloy rod

圖8 由ENAW 1370和Al-0.22Zr鋁合金桿制造的線的Arrhenius圖的強度等同線

Fig.8 Strength equivalent line in Arrhenius chart of the wires made of ENAW 1370 and Al-0.22Zr aluminum alloy rods

3 Cu-Ag合金導線

上述的導體材料都是對鋁基材料而言的，所以它們的強度特別是電氣性能都具有鋁的特征。但近年來，希望新一代的架空導線兼有鋼芯耐熱鋁合金導線和低損耗導線的性能，從而人們的目光就轉向了銅基材料。在此，首感興趣的材料之一可能是Cu-Ag合金。從Cu-Ag合金相圖（圖9）可以看出，Cu和Ag在固態下，具有有限互溶特

征。從使用的角度出發，有可能創造一種新工藝—通過結合強變形，在不同的溫度下對材料進行反復的時效處理獲得優秀的性能。此種工藝技術允許在β相（Cu在Ag中固溶）中形成α相（Ag在Cu中固溶）的納米纖維組織，在α相中形成β相的納米纖維組織。強烈的冷變形加工—拉線，可使α相和β相成為橫向納米尺寸的纖維。由此，這種復合結構可獲得非常高的強度，而且可維持與純銅相近的導電率。

圖9 Cu-Ag合金相圖和在強烈冷變形后鑄件和線的微觀組織

Fig.9 Cu-Ag alloy phase diagram and the microstructures of castings and wires after large-force cold deformation

圖10示出了Cu-5Ag和Cu-15Ag合金線的高強度和高導電率的區域。可以填補導體材料有關“高抗拉強度—高導電率關系”的空缺（見圖10右上角的區域）。圖11示出了Cu-5Ag合金抗拉強度和導電率的關系，為用于制造架空導線的芯線以代替鋼芯的舉例，這樣的組合允許輸電損耗減少，甚至可減少40%（這取決于線路的載流量）。圖12（a）示出了Cu-12Ag合金線原位復合強化組織縱向TEM圖，圖12（b）示出了Cu-12Ag合金線原位復合組織橫截面SEM圖，可以看出Cu-12Ag合金線中Cu已被腐蝕掉呈黑色，暴露的為Ag，呈明亮色。圖13示出了用于制造架空導線的線芯以代替鋼芯的舉例——新一代低損耗混合式導線使用Cu-Ag合金作為芯線，既能承載重負荷，又有高導電率的效果。

圖10 Cu-5Ag和Cu-15Ag合金線的高強度和高導電率的關系

Fig.10 Relationship between high strength and high conductivity of Cu-5Ag and Cu-15Ag alloy wires

Cu-Ag合金在電工材料中的應用已有很長的歷史。現在在新的理論指引下，又在高性能電子材料中研發，其原因是這種合金具有強度、導電率和耐熱性皆優的特點。當前，為了實現降低架空輸電線路的輸電損耗，架空導線及其材料是關鍵之一。在架空導線上應用Cu-Ag合金以代替鋼材是一個新想法和新嘗試，值得關注，見圖13。Cu-Ag合金的新應用，我國在科技部材料專項的支持下，研究和

產業化工作也已經起步，正在進行中。

圖13中，低損耗導線（ACCA）使用承力和導電為一體的Cu-5Ag芯線，Cu-5Ag合金具有高強度和高導電率（抗拉強度>1 000 MPa，導電率>75 %IACS），導線的外層使用軟鋁線。這種新方案的特點和主要性能：鋼芯換為高強高導的Ag-Cu合金;Cu-Ag合金線涂（包）上特殊的耐腐蝕層;硬鋁線用軟鋁線代替;在用型線

的情況下，導線內部自由空間可極大地減小;在有效增加載流量的情況下（可達12%），工作溫度可達150 ℃;與另外的高溫導線方案相比，能量傳輸損耗可最小化（最大可達40%）。

圖11 Cu-5Ag合金抗拉強度和導電率的關系

Fig.11 Relationship between tensile strength and conductivity of Cu-5Ag alloy

圖12 Cu-12Ag合金線原位復合強化組織

Fig.12 In-situ composite strengthened structure of Cu-12Ag alloy wire

圖13 新一代低損耗混合式導線使用Cu-Ag 合金線作為芯線既能承載重負荷，

又有高導電率的效果舉例

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

4 高耐腐蝕架空導線

高耐腐蝕架空導線已在日本的輸電線路上試運行，力圖提高線路的安全可靠性和延長導線的使用壽命[7]。

日本是海島國家，40年前建設輸電線路用的鋁包鋼芯鋁絞線由于遭受鹽霧腐蝕情況 的逐年擴展，致使近年來由導線腐蝕引起的線路故障時有發生。對照我國的實情，也有類似之處，值得關注并研究對策。

住友電氣與關西電力公司合作，自2012年以來，研究開發和正在試用由Al-Mn（0.5%Mn，質量分數）合金包鋼線作為加強芯材和鋁線作為導電材料的新穎導線，該種導線與鋁包鋼芯鋁絞線相比，其耐腐蝕壽命可提高1.6～2.0倍。

開發新穎導線的研究團隊正繼續致力于開發和擴大此種導線在耐熱鋁合金導線、高強度鋁合金導線、架空地線和其他導線上的應用。對Al-Mn合金包鋼線的開發，在技術上，從合金篩選到在大生產設備條件下制線、絞制導線、人工濕-干交替循環加速腐蝕試驗和機電性能測試驗證都認為是成功的。

5 銅-碳，鋁-碳合成導線在架空線路上的應用將具有重要的意義對石墨烯（Graphene）進行有效的生產技術開發，發現它的性能，特別是電氣性能將開創“沒有標準”的新材料的到來。表6示出了銅、碳納米管和石墨烯的物理性能。值得注意的是，碳納米管和石墨烯與銅相比具有導電率高、密度低和機械強度高的特征。近些年來，有關石墨烯/碳納米管與銅（或其他材料）合成的研究已經活躍起來，其目的是為了改變它們的物理性能和改善可用性。現在主要有3種合成的方法：（1） 石墨烯/碳納米管用電沉積的方法沉積在金屬材料上;（2） 使粉末金屬與石墨烯/碳納米管一起進一步加工的粉末冶金法;（3） 石墨烯/碳納米管與液體金屬進行非常規的冶金合成法。方法（1）和（2）都有一個嚴重的問題，都和碳與銅的濕潤性（Wettability）有關。

表6 銅、碳納米管和石墨烯的性能

Tab.6 Properties of copper，carbon nanotube and grapheme

由于銅原子在（111）面上的排列與碳原子在石墨烯面上的排列具有高度幾何（形狀）相似性（見圖14）。所以，期待用冶金合成的方法來解決問題。此種冶金合成方法在理論上有可能獲得如圖14所示的結構。由于此種結構有一個合適的取向，利用石墨烯導電率的各向異性，能使電流向一個方向流動，從而獲得具有非常高的導電率的銅-碳合成材料。從技術上著眼，當采用連鑄石墨烯工藝時，需要使合金有一個非常快的結晶速度，便于碳原子進入銅的晶格。

圖14 銅-石墨烯冶金合成概念圖

Fig.14 Concept map for metallurgical synthesis of copper and graphene

6 結束語

要求金屬導體材料及其架空線既要有高強度又要有高導電率是矛盾的，最多能做到兩者適當的平衡。當今為獲得新的導體材料，通常的趨向有三。

（1） 金屬材料高純化，按現有的生產技術，銅的純度可達質量分數99.999 999%（8N銅），由此可獲得高導電率，但由于鑄造工藝參數對無氧銅性能造成的影響，也可能會影響視頻和音頻信號的衰減問題。至于高純線材強度的提高只能依靠大變形來實現。

（2） 金屬材料合金化，由圖15可以看出，應變和析出強化（圖右上角）的效果最好。

圖15 強化機制與抗拉強度—導電率的關系

Fig.15 Relationship between property forming method and tensile strength- conductivity

（3） 開發新一代的導體材料，如應用石墨烯、碳納米管和錫烯等。至少在理論上可超越銅的導電率的極限值。開發新的合成技術，對冶金和金屬導體加工工作者是一個很大的挑戰，不僅有新理論和新方法的問題，而且為了實現產業化亦要解決新工藝和新裝備等系列問題。為此，我們必須本著科學的精

神，實事求是，求真務實，力排起反作用的炒作行為。

架空電力線路用導體材料及其導線，現在和將來的發展—選材、加工和開發新的節能導線，必然與架空輸電線路的設計、技術經濟效果緊密相關，由此應明確方向，現在能做的應先做，將來能做的也應早作安排，以打開新局面。

致 謝

本國內外綜合性論述文在編寫中應用了波蘭科技大學Tadeusz Knych教授（曾于2002，2004和2009年在國內外獲得有聲譽的科技獎項）論文中的有關觀點和圖表;上海電纜研究所姚大偉博士提供了Cu-Ag合金線原位復合強化組織的TEM和SEM的圖像;鄭秋工程師提供了有關標準的資料，特此感謝。

參考文獻：

[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.

[2] 黃崇祺.中國架空導線的成就和現狀[C]∥IEC/TC7和IEC/TC11架空導線及輸電線路國際技術研討會.上海：[s.n.]，2014.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.復合材料芯架空導線：GB/T 32502—2016[S].北京：中國標準出版社，2016.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 架空導線用纖維增強樹脂基復合材料芯棒：GB/T 29324—2012[S].北京：中國標準出版社，2013.

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