减少架空线路中CO₂排放量的高导电率和耐热铝合金线

发布时间：2023-08-14 文章来源：本站浏览次数：756

随着人们对减少环境负荷的要求不断提高，必须减少架空输电线路的传输损耗。为了满足这一需求，日本住友电气公司一直致力于改善架空输电线用铝合金的导电率，其公司通过改进铝合金成分和加工工艺，开发了一种连续工作温度高至150℃，导电率达61%IACS的新型耐热铝合金线。本文介绍了铝合金线的开发和这种新型架空输线的特点。

一、序言

近年来，各个领域都要求削减CO₂的排放量。在电力领域，必须进一步减少输电线路的损耗，因此，不能忽视1%IACS导电率态^※1的差别。住友电气公司的能源、电子材料研究所、架空线事业部以及住友电气集团的富山住友电工有限公司正在努力提高用于架空输电线（以下称为架空线）中铝合金线的导电率。

住友电气公司通过努力提高用于架空线路中耐热铝合金线（60TAl）的导电率，成功开发了导电率提高1%IACS的新型合金线（61TAl）。

二、开发背景

（一）架空线的结构

将大量电力从发电厂传输到市区要使用图1所示的铁塔间的架空导体。从平衡导体的强度、重量和电阻的角度来看，采用绞线结构，铝合金线同心地布置在外周，张力构件的铝包钢绞线设置在中心，如照片1所示。铝合金线主要承担电力传输的作用。

（二）需要改善导电率的铝合金线

为了减少架空线输电线路的传输损耗，必须通过：1）增加铝合金线的横截面积，2）提高铝合金线的导电率。住友公司生产的低传输损耗导体（图2）是通过采用方法1）实现的产品。本文所述的2）改善了铝合金线的导电率。由于该方法不增加架空导线的重量，因此就重量和张力而言，无需关注铁塔的强度，提高导电率的电线可用于包括替换现有线路的各种类型的输电线路。基于这些特点，对高导电率铝合金线的要求越来越高。

（三）铝合金线和系列产品的性能要求

要求架空输电线路采用的铝合金线应具有：1）高导电率以减少传输损耗；2）抗拉强度能够满足远距离铁塔之间的架线张力；3）耐热性，能承受发热并在载流量高时保持正常的抗拉强度。

通常，可以添加除铝以外的元素以增加抗拉强度和耐热性，但这不可避免地降低了导电率。换言之，在抗拉强度、耐热和导电率之间存在权衡关系，并且要根据架空输电线路的使用环境来选择合金线的最佳类型。住友电气公司用于架空输电线路的铝合金线系列如表1所示。HAl为一般用途的硬拉铝线。如果需要最大电流，则选择TAl（耐热铝合金线），其导电率稍低，但耐热性（可持续耐较高温度）较好。

三、开发新型耐热铝合金线

（一）开发目标

传统的耐热铝合金线（代号为（60TAl）是通过向HAl中添加少量锆（Zr）制成的。与HAl相比，60TAl连续承受温度从90℃显著提高到150℃，以补偿导电率降低1%。由于其优良的特性，60TAl在日本和海外都得到了广泛的应用。

提高这种广泛使用的60TAl的导电率有望在全球范围内显著降低传输损耗，因此住友公司致力于开发该新型耐热铝合金线（61TAl）。

开发的合金线的目标特性如表2所示。设置的导电率为61%IACS以上，与HAl的导电率相等，但比60TAl的导电率高1%IACS。为了加速新合金线的广泛使用，设定其抗拉强度、伸长率和耐热性等于60TAl的相应值，从而使其能够在不改变线路组成或铁塔设计的情况下更换现有架空导线。

（二）开发方法

本节介绍架空输电线路用铝合金线抗拉强度的改善机理和加热引起抗拉强度的降低机理以及传统60TAl耐热的改善机理。然后讲述开发61TAl的方法。

1.抗拉强度的改善机理

当诸如铝的金属材料受到高于一定程度的外力时，由于原子沿着特定的晶面滑动，金属发生变形。这种滑动是无序原子排列区域中“位错”运动引起的（图3）。

随着变形的进行，材料中位错的数量增加，位错逐渐相互纠缠，使位错难以移动。结果，原子沿着晶面的滑动变得困难，使得金属不易变形。这种现象称为“加工硬化”，可用于提高架空输电线路用铝合金线的抗拉强度。

2.关于60TAl耐热性的改善机理

铝的加工硬化无需添加任何元素，因此这种加工是不显著降低其导电率的情况下强化铝的方法。另一方面，位错在加热时往往会移动并消失。这意味着，如果仅通过加工硬化来提高合金线的抗拉强度，则在高温下抗拉强度容易降低。

60TAl是通过向HAl中添加少量Zr而使上述缺点最小化的合金线。60TAl中的Zr以固溶状态^※2包含在铝基体中，Zr原子和铝原子之间的半径差而产生晶格畸变，如图4所示。该畸变与错位相互作用并吸引错位，阻碍了固溶Zr周围错位的移动。因此，即使加热，60TAl中的位错也很难移动或消失。由于该金属线的抗拉强度不易减少，所以能够在高温环境中使用。

3.开发61TAl的方法

为提高导电率，减少添加元素的量是有效的。然而，由于该方法导致耐热性和抗拉强度降低，因此有必要与补偿措施一起实施。

在61TAl的开发中，减少添加元素的量以提高导电率。另一方面，1）将铁（Fe）作为杂质混合以补偿耐热性的降低，2）促进加工硬化以补偿抗拉强度的降低。

以下内容主要讲述为补偿因成分浓度降低导致耐热性降低而实施的措施，以及为补偿抗拉强度降低而实施措施的细节。

（三）耐热性的改善

1.改善耐热性的方法

Fe不可避免地存在于工业纯铝原料中。通常，人们认为Fe是对铝的性能影响不大的元素，因为该元素倾向于与铝和其他附加元素形成化合物，并以晶体析出状态存在^※3。另一方面，住友公司已关注到固溶铁晶格畸变的程度。

如上所述，固溶元素对位错运动的影响与固溶元素引起晶格畸变的程度息息相关。根据第一原理估算添加于铝中各元素的晶格畸变程度以及各元素在热力学上对铝的最大固溶量的例子均于表3所示。Fe是产生晶格畸变极高的元素，将Fe固溶于铝将显著提高铝的耐热性，可以补偿因添加元素量的减少而导致耐热性的降低。

但是Fe在铝中的平衡固溶量非常小。换言之，Fe是难以固溶的元素。同时，还没有建立评估固溶比率的简便且高可靠的方法，这些因素是构建固溶Fe工艺的障碍。

在上述情况下，住友公司开发了固溶状态的评估方法，并改进了制造工艺，以生产具有足够固溶Fe含量的铝合金线。

2.开发评估Fe固溶状态的方法

电阻法和苯酚法已广泛用于评估添加到铝中元素的固溶量。前一种方法利用了这样的事实，即材料的电阻随着从固溶体到结晶体的变化而变化，反之亦然。然而，由于电阻不仅受目标元素的影响，而且受其他元素和位错量的影响，所以当这些因素同时改变时，很难评估固溶量。后一种方法选择性地溶解铝基体，并通过滤器分离剩余结晶析出物来提取固溶体。这种方法的缺点是细小沉淀物通过过滤器，将导致测量误差。

研发者利用住友公司在佐贺县九州同步加速器光研中心的专用光束线^※4的优势，以便使用同步辐射^※5来评估Fe的固溶量。

用X射线吸收光谱（XAFS）（一种使用同步辐射的分析方法）在扫描能量的同时测量X射线照射在样品上的吸收率。通过这种方式，从元素吸收边缘^※6附近的X射线吸收光谱获得有关该元素的电子状态和周边结构的信息。

该方法无需对测量进行任何特殊预处理，预计可以高精度地评估固溶量，包括微细沉淀物的影响。

在实验室制作两种具有不同Fe固溶量的Al-Fe合金线，并使用荧光法在住友公司的硬X射线BL16光束线上测量X射线吸收光谱。测量结果如图5所示。该图清楚地显示了不同Fe固溶量的两个样品之间的光谱差异。通过将未知样品的光谱与这些标准光谱进行比较，可成功地评估Fe的固溶量。

3.改善铸造和轧制条件

为使平衡固溶量小的Fe大量固溶，很重要的工艺设计是：1）通过快速凝固获得过饱和固溶体；2）在热处理和加工过程中使析出最小化。富山住友电工公司使用的Properzi（普罗佩兹）连铸机（图6）很容易满足上述固溶条件，因为该轧机：1）对铸造截面小于5000mm2的金属，用水冷的铜对熔融金属进行淬火，2）利用铸造时的余热进行热处理，所以不需要再加热。

优化Properzi连铸机条件，使用Fe的固溶比为指南。该固溶比是通过上述新开发的评估方法确定的。进一步提高Fe的固溶比例，成功改善了因合金成分的浓度较低而降低耐热性。优化的项目包括模具形状、浇注方法、通过改进冷却水注入方法加快凝固速度以及调整热轧条件。

（四）改善抗拉强度

增加加工硬化程度最简单的方法是增加加工量，从而减小成品线径。然而，住友公司打算通过满足60TAl的线径来实现61TAl的商业化，并努力通过提高加工过程中引入位错的效率而不是减小线径来提高抗拉强度。最终成功地通过降低从轧制到拉制过程中的加工温度，并利用模拟和其他技术优化孔型，提高了线材的抗拉强度。

（五）开发合金的特性

根据上述合金成分和制造工艺，在批量生产机器中试制的铝合金线特性如表4所示。由此可知，所开发线材的导电率达61%以上，其机械性能和耐热性完全符合60TAl技术要求。

四、61TAl架空线路中

CO2减排效果的初步计算

当开发的合金线在输电线路中投入实际使用时，进行了传输损耗和CO₂减排量的试验计算（表5）。在计算中，假设输电线路使用一般用途的TACSR/AC（铝包钢芯耐热铝合金）导体。假设导线的截面积为410mm2，传输距离为50km，并且使用三相两线，很明显，预计每10年CO₂减排量达4000吨以上。

五、结束语

随着人们要求减少电力传输损耗的呼声不断增加，住友公司开发了一种新型耐热铝合金线，该线材能承受150℃的连续工作温度，并且具有61%IACS以上的导电率。

将开发的合金线应用于架空线路将大大有助于降低输电成本和CO₂的排放量。在未来的发展中，住友公司将把在此次开发中获得的知识应用于输电线路的各种铝合金线，以提高其导电率，并通过在架空输电线路中扩大使用这些线材来促进销售。

专业术语解释

※1 导电率

测量材料传输电流能力的指标，表示电阻率为1.7241×10^-2μΩm的软铜导电率的百分比，单位为%IACS。

※2 固溶状态

一种添加元素均匀溶解于基体金属中的原子级状态。

※3 晶体析出状态

以原子状态熔于熔融金属或固体金属的添加元素与基体金属形成不同的化合物而产生的现象。

※4 光束线

使用同步辐射的实验手段。

※5 同步辐射

当以接近光速运动的电子轨道弯曲时，在切线方向产生的极强电磁波。与普通X射线源相比，同步辐射具有强度较高和能量可变的特点。

※6 吸收边缘

X射线吸收率不连续且显著变化的能量。当原子核周围的原子从X射线接收到一定能量时，它们转移到外壳轨道的现象。