摘要
本文介绍了耐热铝合金导线、钢芯软铝绞线、复合材料芯导线等新型架空导线，并与常规钢芯铝绞线作了分析比较。
关键词 钢芯铝绞线；耐热铝合金导线；钢芯软铝绞线；复合材料芯导线
1 前言
我国的电能生产主要分布在西部，而用电负荷中心却主要集中在东部沿海地区。随着我国国民经济的持续高速发展，对电力的需求大幅度攀升，原本已经满负荷运行的输电线路己是不堪重负。
毫无疑问，增加新的输电线路就能输送更多的电能，但新建输电线路需要新增加用地和投资。在用地十分紧缺的今天，该方法一般只能用于十分必要的线路建设。
在老线路上增加导线的截面积（同时增大了直径和重量）可增大输送电能，但需要改造铁塔以提高塔头的高度和强度，甚至更换铁塔。虽然可以增加线路的输送容量和利用原有线路路径（即不增加用地），但仍需较大的投资。一般须经严格计算后，在其他方法难以解决时才使用。
不改变原输电线路路径，也几乎不必改造增强铁塔，只需要更换新型导线，这种新型导线与原线路所使用的导线有着相同或十分相近的力学性能，在更换新的导线后，线路就能输送更多的电能，达到线路增容的目的。无疑，这是最具吸引力的。
全世界的电力传输都以架空线路为主，架空输电导线是从电能发电端到受电端的必要载体，但在传送电能的同时也在不可避免地掉消耗一部分能量。我国输电的架空输电线路以LGJ系列钢芯铝绞线（ACSR）为主，在国际上，这类导线的应用历史已超过了100年。
钢芯铝绞线（ACSR）中的硬铝导体的连续使用温度为70～90℃（我国目前为80℃），导电率在20℃下为61%IACS，输电容量受到了限制并且线损较大。
探索新的导线线型、以高效低耗地传送电能是各国电力科技工作者的不断追求。
2 耐热铝合金导线系列
上个世纪60年代，以日本为代表研制成功了钢芯耐热铝合金绞线（TACSR），它的导电部分用耐热铝合金线（TA1）代替了传统钢芯鋁绞线（ACSR）中的硬铝线（HA1），把连续使用温度提高至150℃，从而使线路的输送容量大增，达到扩容的目的。
TACSR中的耐热铝合金线主要有导电率为58%IACS（58TA1）和60%IACS（60TA1）两种，制成的绞线分别称为58TACSR和60TACSR。
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）、用高强度耐热鋁合金线（KTA1）的钢芯高强度耐热鋁合金绞线（KTACSR）等线种。几种耐热鋁合金材料与硬铝线的主要性能列于表1。
表1 几种耐热鋁合金材料与硬铝线的主要性能
线种 导体
型号 导电率
(%IACS) 抗拉强度
(MPa) 允许使用温度（℃）
连续 短时 瞬时
耐热鋁合金线 TAl ≥58 158～183 150 180 260
60TAl ≥60 158～183 150 180 260
超耐热鋁合金线 UTAl ≥57 158～183 200 230 260
ZTAl ≥60 158～183 210 240 280
特耐热鋁合金线 XTAl ≥58 158～183 230 310 360
高强度耐热鋁合金线 KTAl ≥55 218～262 150 180 260
硬鋁线 HAl ≥61 158～183 90 120 180
从表1可知：
（1）所有耐热鋁合金线的允许使用温度比硬铝线（HAl）要高得多，即使是最低的TAl，其允许的连续、短时和瞬时使用温度分别要比HAl高60℃～80℃；
（2）所有耐热铝合金线的抗拉强度与硬铝线（HAl）相当，其中的高强度耐热鋁合金线（KTAl）除了允许的连续、短时和瞬时使用温度分别要高(60～80)℃外，抗拉强度还高了60MPa左右；
（3）但是，所有耐热鋁合金线的导电率均低于硬鋁线（HAl），而且随使用温度的增加或抗拉强度的提高其导电率反而下降。
把耐热铝合金导线系列中的钢芯改为铝包钢芯后，就分别成为鋁包钢芯耐热铝合金绞线（TACSR/AC）、鋁包钢芯超耐热铝包钢绞线（UTACSR/AC和ZTACSR/AC）和鋁包钢芯高强度耐热鋁合金绞线（KTACSR/AC）。因鋁包钢具有一定的导电率，可在提供强度的同时可适当弥补钢芯耐热鋁合金绞线产品导电率的不足。
为了满足不同场合的需要，也可用特高强钢芯替代普通钢芯，成为特强钢芯耐热鋁合金绞线（TACSR/EST）、特强钢芯超耐热铝合金绞线（UTACSR/EST）和特强钢芯高强度耐热铝合金绞线（KTACSR/EST）等等。
在应用中提高了使用温度后，因钢（包括普通钢芯、特高强钢芯和铝包钢芯）和鋁（包括铝合金及各类耐热铝合金）的线膨胀系数较大，上述各种钢芯耐热鋁合金绞线都存在弛度增大的问题，限制了在某些场合的应用。
殷钢具有钢的基本性能且线膨胀系数很小，用殷钢芯制成的耐热鋁合金绞线在高温状态工作时弛度增量很小，如殷钢芯超耐热铝合金绞线（ZTACSR）和殷钢芯特耐热铝合金绞线（XTACSR）等是综合性能接近理想的线种。
但是，因殷钢组份中含有大量的（约36～40%）稀贵金属镍，故价格高昂导致性价比较差。而且，超耐热鋁合金（ZTAl）和特耐热铝合金（XTAl）的导电率低于普通硬鋁（HAl），在增容的同时却无法弥补地损失了能源。
3 钢芯软铝绞线系列
在上世纪70年代，美国和加拿大开发出了绞线结构与传统钢芯铝绞线（ACSR）相一致的钢芯软铝绞线（ACSS），图1是ACSS结构示意图。随之改变绞线形状和结构，开发了如图2所示的钢芯梯型截面软铝绞线（ACSS/TW）。
软铝线与ACSR中的硬鋁线（HAl）的主要性能对比见表2。
图1 ACSS结构示意图 图2 ACSS/TW结构示意图
表2 软铝线与硬鋁线的主要性能对比
抗拉强度(MPa) 延伸率(%) 导电率(%IACS)
软铝线 59～76 20～30 ≥63
硬鋁线 160～200 1.2～2.0 ≥61
从表2可知：
（1）软铝线的抗拉强度只是硬鋁线的1/2，而延伸率大于硬鋁线的10倍；
（2）软鋁线的导电率比硬铝线高了2%。
正因为软鋁线具有屈服强度很低而延伸率很大的特性，因此当绞线的工作温度到达迁移点温度时，绞线承受的机械荷载将全部“转移”给钢芯，也即由钢芯承担全部张力，而工作温度则取决于钢芯的软化温度。正因为这种“转移”，钢芯的线膨胀系数比全截面的ACSR小得多，当温度提高后，ACSS的弛度也就变化很小。
钢芯软鋁绞线（ACSS）充分利用了材料的自然特点和结构特点，可把使用温度提高到250℃而不明显降低抗拉强度，因此可认为ACSS是另一种意义上的“耐热导线”。
以某ACSS/TW与ASSR在鋁等截面和绞线等直径相比，载流量的结果列于表3。
表3 某ACSS/TW与ASSR在鋁等截面和绞线等直径相比的载流量结果
工作温度
（℃） 载流量（A）
ACSR（402.9mm2） ACSS/TW（鋁等面积） ACSS/TW（缆等直径）
75 730 720 820
100 990 980 1110
150 - 1320 1490
200 - 1560 1770
250 - 1740 2000
环境温度：40℃；风速：0.61m/s；吸热系数：0.5；辐射系数：0.5。
从表3可知：
（1）在工作温度75℃下，ACSS/TW与ACSR几乎无区别；
（2）在工作温度100℃，并在弛度相同的情况下：若铝截面相等，ACSS/TW载流量是ACSR最大值的1.76倍。若缆直径相等，ACSS/TW载流量是ACSR最大值的2.0倍；
（3）ACSS/TW在工作温度为150℃、200℃和250℃并在弛度相当于ACSR在75℃的情况下：若鋁截面相等，其载流量分别是ACSR的1.81、2.14和2.38倍。若缆直径相等，其载流量分别是ACSR的2.04、2.42和2.74倍。
也正是因为软铝导体的导电率为63%IACS，相比钢芯铝绞线（ACSR）中硬铝导体（HAl）提高了2%IACS。因而它在导线载流时能降低能耗，即具有节能功能。
在ACSS系列中，为了克服钢芯在超过245℃后锌层脱落引起的防腐性能劣化，还可以有采用稀土合金涂层的钢芯软鋁绞线。
4 复合材料芯导线系列
利用二十一世纪最新技术的有机复合材料（碳纤维或鋁基陶瓷纤合导电维）替代导线的金属材料(如镀锌钢线、铝包钢线等)承力部分、即作为导线的芯线是一大进步。这种新型复合材料芯具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、蠕变小、线膨胀系数小的一系列优点。
类似于图1、如图3所示的结构，有机复合材料芯（碳纤维或鋁基陶瓷纤合导电维）可以做成象传统钢芯一样的多根绞合芯（一般为7根），若用这样的碳纤维芯，在外层绞合导电率为61%IACS的硬铝线，成为碳纤维芯铝绞线（ACFR）；在外层绞合导电率为（58～60）%IACS的耐热鋁合金线，成为碳纤维芯耐热鋁合金绞线（TACFR）。
碳纤维也可以做成直径稍大的单芯，在外层绞合导电率为63%的梯型软鋁线，成为碳纤维芯软铝绞线（ACCC），如图4。
图3 ACFR或TACFR结构示意图 图4 ACCC端面照片
ACCC发挥了复合材料的优点，具有重量轻、强度大、弧垂小、线损少的优点，从理论上说是一种性能接近完善的理想线种，目前还处于试验阶段，主要是碳纤维棒材的寿命还需要在实际运行中得到进一步验证。美中不足的是目前ACCC的价格十分惊人地昂贵，在一般线路上应用的性价比不理想。ACCC价格主要取决于碳纤维芯，而碳纤维芯价格取决于碳纤维原丝，只有期望我国碳纤维原丝的研制能取得重大突破并获得自主知识产权，才有希望把这种导线价格降下来。
除了碳纤维，还有鋁基陶瓷纤维芯绞线（ACCR），它的基本结构与图3类同。
5 总结
把各类导线的综合性能比较列于表4。
表4 各类导线的综合性能比较表
结构 常用的
钢芯铝绞线 钢芯耐热
铝合金绞线 殷钢芯耐热
铝合金绞线 碳纤维芯
软铝绞线 钢芯
软铝绞线
导电性能 61%IACS (58～60)%IACS (58～60)%IACS 63%IACS 63%IACS
使用温度 70～90℃ 150℃ 150℃ 150℃以上 150℃
弧垂特性 标准值 90℃超标准值 满足标准值 小于标准值 满足标准值
能耗 标准值 增加 增加 减小 减小
线损 标准值 增加 增加 减小 减小
载流量 标准值 增(20～25)% 增100% 增100% 增(50～100)%
外径 标准值 相同 相同 减小 相同
单重 标准 相同 相同 轻15%～20% 相同
拉断力 标准值 相同 略小些 略大些 基本相同
金具 标准金具 耐150℃金具 耐150℃金具 耐150℃金具
结构复杂 耐150℃金具
钢芯耐热铝合金绞线（TACSR）把连续使用温度提高至150℃，从而使线路的输送容量大增达到扩容的目的，因线膨胀系数较大，存在弛度增大的问题，限制了在某些场合的应用。殷钢芯超耐热铝合金绞线（ZTACSR）和殷钢芯特耐热铝合金绞线（XTACSR）的线膨胀系数很小，在高温状态工作时弛度增量很小，是综合性能接近理想的线种。但是价格高昂。各类耐热铝合金绞线中导体的导电率均低于普通硬鋁（HAl），无形中损失了能源。
钢芯软鋁绞线（ACSS）充分利用了材料的自然特点和结构特点，可把使用温度提高到250℃而不明显降低抗拉强度，是另一种意义上的“耐热导线”。钢芯的线膨胀系数比全截面的ACSR小得多，当温度提高后，ACSS的弛度也就变化很小。因为软铝导体的导电率为63%IACS，相比钢芯铝绞线（ACSR）中的硬铝导体提高了2%IACS。因而具有节能功效。
新型复合材料芯具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、蠕变小、线膨胀系数小的一系列优点。在碳纤维芯外绞合导电率为61%IACS的硬铝线，成为碳纤维芯铝绞线（ACFR）；在外层绞合导电率为（58～60）%IACS的耐热鋁合金线，成为碳纤维芯耐热鋁合金绞线（TACFR）；在外层绞合导电率为63%的梯型软鋁线，成为碳纤维芯软铝绞线（ACCC）。ACCC具有重量轻、强度大、弧垂小、线损小的优点，是一种性能接近完善的理想线种，目前ACCC的价格较昂贵，在一般线路上应用时性价比不理想。
6 结束语
低成本的节能、环保的新型增容导线具有重大的经济效益和社会效益、国内外对各类新型导线的研发正方兴未艾。通过我国科技人员的自主创新，符合国情的新型导线一定会在我国的输电线路中发挥应有的作用。
