[摘 要] 推广应用和开发新颖的大容量导线，建议：对大容量导线的选择应多方案比较;调研总结已在网运行的耐热铝合金导线线路的设计和运行经验;组织不同学科和行业进行深入研讨。
[关键词] 大容量;导线;架空线路
随着电力需求的不断增长，输电线路输送容量不断增大，需要发展大容量导线。导线传输大容量有2种思路：(1)采用耐热铝合金导线或软铝线，提高导线的运行温度;(2)改变导线的结构，采用梯形等股线，提高填充系数，增加导线的载流面积。国际电工委员会标准(IEC-62219)已建议将耐热铝合金线、钢芯软(退火)铝绞线(ACSS)和型线同心绞架空导线作为IEC/TC7项目提出。大容量导线的制造，关键在于材料(导电材料和加强材料)通过不同组合，制造出具有不同特性的组合导线(Compos-ite Conductor)。大容量导线的开发和应用，我国与日本、欧洲、北美等先进工业国相比，有相当大的差距。
上世纪80年代，上海电缆研究所曾开发过58%和60%IACS的耐热铝合金线，但品种和使用少，其线路的设计和运行经验也少;也曾开发过钢芯软(退火)铝绞线和型线同心绞架空导线，但仅作为技术储备。在应用方面，不仅有高温和超高温架空线路设计，亦有配套金具、连接和施工等问题。2020年以前，将是我国电力事业一个超常发展的时期，也是提高输电线路容量，需要发展大容量导线的重要时期，因此了解和研讨大容量导线很有现实意义。
1 大容量组合导线的导电材料和加强材料
1.1 导电材料
导电材料有耐热铝合金线、硬铝线和软铝线3种，它们可做成圆形或梯形等股线进行绞合。
1.1 耐热铝合金线(见表1)
根据耐热等级和强度，耐热铝合金线分为超耐热、特别耐热、耐热和高强度耐热4种，按导电率分有55%，58%，60%IACS等几个档次。在几十年的发展中，尽管牌号甚多，但都属铝-锆合金。随着铝中含锆量的增加，其耐热性提高，但导电率下降。因此需要研究添加其他辅助元素和采取热处理等措施。
目前导电耐热铝合金有以下2种类型：
(1)固溶型耐热铝合金。早期的耐热铝合金(如58和60TAL)，由于耐热等级较低，且为了满足导电率的要求，一般含锆量不大于0.1%，因此这种线的价格与电工纯铝线相比，增加不多。
(2)固溶析出型耐热铝合金。超耐热铝合金就属这种类型。首先使锆在铝中强制过饱和固溶，然后进行冷加工和长时间的热处理，如果通过连铸连轧得不到应有的组织，甚至要进行二次热处理，这样制造厂不仅要增添必要的大型热处理装备，且生产效率下降，成为制约生产的瓶颈，故这种线的价格必然会有大幅度的增加。
高强度耐热铝合金线的强度与5005或KAL中强度铝合金的强度相当，约为250 MPa，但其导电率较低，为55%IACS，适于在大跨越或大高差等线路上使用。
1.1.2 退火软铝线
退火软铝线的特点是导电率高(63% IACS以上)、柔软(伸长率约20%，远比钢高很多)、弹性模数低、应力应变曲线没有明显的屈服极限转变点、强度低(约84 MPa)，但制造方便，价格比耐热铝合金线低得多。
1.2 加强材料
加强材料分为金属(钢)加强材料和碳纤维或与聚合物复合的非金属加强材料2类。
1.2.1 钢加强材料
在大容量组合导线中，由于加强的要求不同，可分为普通强、高强和特强钢线。由于耐蚀要求的不同，钢丝镀层可分为热镀纯锌、锌-5%铝-稀土(Galfan)耐蚀合金、热镀铝(或铝包钢)。如既需要增加组合导线的强度，又要兼顾导电率和耐热性，可用铝包钢线;为减小导线的弧垂，降低钢线热膨胀系数，可采用殷钢(Invar)线。采用钢加强材料制造的线种有：热镀锌钢线(热镀纯锌、锌-5%铝-稀土的Galfan合金)、热镀Galfan合金高强度殷钢(INVAR-Fe-36%Ni)线或铝包殷钢线、铝包钢线、热镀铝钢线和Bezinal镀锌钢线[12]。
1.2.2 非金属加强材料
非金属加强材料与组合导线中的钢绞线相比[5]，具有重量轻、强度高、热膨胀系数小(1.0×10-6/℃)、耐热(允许的连续和短时温度分别为150℃和180℃)等特点。重量和热膨胀系数仅为钢绞线的1/5和1/12，而两者的拉断力几乎相等，因此开发和用于大容量低弧垂组合导线的前景看好。采用非金属加强材料制造的线种有：碳纤维加强线和碳纤维与聚合物复合的加强线。
2 大容量组合导线
采用不同导电材料和加强材料绞合制造出的大容量组合导线有：钢芯耐热铝合金绞线，如58TACSR、60TACSR等;钢芯超耐热铝合金绞线，如58UTACSR、60UTACSR、ZTACSR、XTACSR等;铝包钢芯耐热铝合金绞线，如58TACSR、60TACSR、TACSR/ACR[11]等;钢芯高强度耐热铝合金绞线，如KTACSR等;铝包钢芯高强度耐热铝合金绞线，如KTACSR/AC等;殷钢芯低弧垂超耐热铝合金绞线，如XT、ZTACIR等;碳纤维芯超耐热铝合金绞线，如ZTACFR等;碳纤维与聚合物复合芯耐热铝合金绞线，如ACFR、TACFR等;钢芯软(退火)铝绞线，如ACSS等;型线同心绞架空导线，如TW、AxF/Sxy、AxF/AyF等;它们具有不同的特性，归类分别介绍如下。
2.1 耐热铝合金与碳钢组合的大容量导线
由于耐热铝合金线种类较多，与碳钢材料组合，可组合出多种不同特性的导线，此类导线与钢芯铝绞线相比，其输送容量可增加1.5~2.0倍。
2.2 耐热铝合金与非金属材料组合的大容量导线
由于这类组合导线[5][7]可设计得与钢芯耐热铝合金绞线具有相同的综合拉断力，且导线的重量大大减轻，可在150℃允许温度下连续运行，弧垂明显变小，不需要更多地关注线路的热膨胀，因此不需要改变输电线路铁塔或支持架构。这种导线已于2002年10月在日本“东北电力”公司管辖区的输电线路上投入试运行。
2.3 超耐热铝合金与殷钢组合的小弧垂大容量导线
现以超耐热铝合金与高强度热镀Galfan合金殷钢线组合的大容量导线(ZTACIR)为例，介绍它的特性。ZTACIR导线可在连续210℃、短时240℃下工作，输电容量为钢芯铝绞线的2倍。由于殷钢的热膨胀系数小，在20~100℃范围内，小于2.8×10-6/℃;100~240℃范围内，小于3.6×10-6/℃，所以在相同档距下，导线的弧垂可减小。由于Gal-fan合金镀层的耐蚀性好，所以组合导线具有良好的耐蚀性。
2.4 钢芯软(退火)铝线大容量组合导线(ACSS和ACSS/TW)
这种导线的制造基本上与钢芯铝绞线相同，只增加了退火工序，因此价格稍有提高，它具有下列特点。
(1)可提高线路输电容量。由于电工软(退火)铝股线具有1.1.2节所述的特性，当导线在高温下运行时，从软铝线和钢线的应力应变曲线可以看出，导线上所受的力绝大部分转由钢芯承担，实际上软铝线已和导线的强度损失无关，所以软铝线与镀铝钢线或与铝包钢线组合而成的导线可在200℃和250℃下运行，从而使线路输送容量增加1.5~2.0倍。
(2)可提高导线的阻尼能力和允许的每日应力，并减少了蠕变。由于软铝线在导线中承受的应力很低，蠕变伸长减少，故导线的阻尼能力提高;因提高了每日应力，可少考虑或不考虑消振措施。由于软铝线伸长率很高，导线的蠕变主要取决于钢芯，而钢芯的蠕变是非常低的，所以减少了导线蠕变。ACSS导线若用梯形等股线制造，可增加载流量约20%。此外，由于软铝股线柔软，在紧线和控制弧垂以前需要施加预应力。
2.5 型线同心绞架空导线(TW和AERO-Z[14])
这种导线具有下列特点：
(1)由梯形或Z形铝股线与加强材料同心绞合，与自阻尼导线相类似，这种结构在试验和长期应用中已得到证实是可靠的。
(2)可增加载流量。与标准的钢芯铝绞线相比，在等直径下，可增加载流面积20%。
(3)有较低的径向温度梯度。这是由于梯形股线间接触增加，传热改善所致，从而具有较低的运行温度。
(4)有较低的交直流电阻比，这是由于梯形股线尺寸大，导线一般为2层股线，从而排除了钢芯的磁效应而使电阻降低。又因股线尺寸大，冷加工率低，所以导电率较高。
(5)可改善电流的分布和耐蚀性，因为股线间接触增加，改善了圆周上和层间的电流分布，使电流更趋于按直线流动，从而减小了不平衡的磁化力。梯型股线绞合密接性好，减少了含盐潮气和污染气体向导线中渗透，从而改善了耐蚀性。
3 NRLH(60%IACS)GJ-400/35钢芯耐热铝合金绞线
日本国家委员会向国际电工委员会(IEC/TC7)提出的《架空导线用耐热铝合金线》标准草案所列的4种线种中[15]，没有导电率为58%IACS的耐热铝合金线，说明它在日本已被淘汰。
2002年，上海电缆研究所与江门新会三新电工器材有限公司合作，在原有60%IACS耐热铝合金的基础上进行了工艺、技术改进，并试制了NRLH(60%IACS)GJ-120/20、GJ-185/30和GJ-400/35三种规格的高导电(60%IACS)耐热铝合金导线，NRLH(60%IACS)GJ-400/35导线经上海电缆研究所检测全部合格。
3.1 NRLH(60%IACS)GJ-400/35导线的主要结构、材料性能
(1)导线结构
耐热铝合金线48×3.22 mm，钢线7×2.50mm，镀层重量247 g/m2，4d卷绕无开裂和起皮。
(2)材料性能
耐热铝合金线：抗拉强度为179 N/mm2，导电率为60.4%IACS，伸长率为2.0%，自身卷绕试验未断裂。镀锌钢线：抗拉强度为1567 N/mm2;伸长率为1%时的应力为1 302 N/mm2;伸长率为5.1%，100d扭转33次，1d卷绕未断裂。
3.2 NRLH(60%IACS)GJ-400/35导线的试验结果
(1)常温综合拉断力分别为109.5，109.8，109.6 kN，平均109.6 kN。测试条件：试样长12 m，环氧树脂端头，采用500 kN卧式拉力机。
(2)高温综合拉断力分别为109.5，108.9， 109.3 kN。测试条件：150℃×3 h，加热区长10 m，热电偶测温，其他同上。
(3)弹性模数及应力-应变曲线，最终弹性模数66.4 GPa。测试条件：标距长2 m，测试精度：应力为±1%，应变为±0.01 mm，其他同上。
(4)振动疲劳性能：分别施加3.01×107，3.02×107，3.01×107次振动后未见有任何开裂、断股现象。测试条件：振动角25′~30′，张力为25%RTS，试样塔距56 m。
(5)热膨胀性能。热膨胀系数：在室温~100℃范围内，α=21.2×10-6/℃;在100~160℃范围内，α=21.1×10-6/℃。测试条件：加热区长13.5m，张力25.98 kN(25%RTS)，测试有效长3 m。
(6)20℃时的直流电阻：理论值R20≤0.07514Ω/km，实测值为0.07425Ω/km。测试条件：试样长12 m，测试有效长10 m。
(7)载流量。导体载流量与导体温度的关系，见表2。
(8)蠕变性能。蠕变量：采用15%，25%，35%RTS张力下的蠕变方程，推算出10年(87 600 h)后的蠕变量分别为207，491，908 mm/km。测试条件：采用100 kN卧式拉力试验机，试样端间长14 m，试样标准距长5 m，环氧树脂端头，试验温度为(20±1)℃，张力为15%，25%，35%RTS;试验时间为1 000 h。
4 建议
(1)在选择大容量导线时，应多方案比较。(2)调研总结已在网运行的耐热铝合金导线线路的设计和运行经验。(3)组织不同学科和行业进行深入研讨。
