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減少架空線路中CO₂排放量的高導電率和耐熱鋁合金線 |
| 發布時間：2023-08-14 文章來源：本站 瀏覽次數：1796 |
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隨著人們對減少環境負荷的要求不斷提高，必須減少架空輸電線路的傳輸損耗。為了滿足這一需求，日本住友電氣公司一直致力于改善架空輸電線用鋁合金的導電率，其公司通過改進鋁合金成分和加工工藝，開發了一種連續工作溫度高至150℃，導電率達61%IACS的新型耐熱鋁合金線。本文介紹了鋁合金線的開發和這種新型架空輸線的特點。
近年來，各個領域都要求削減CO₂的排放量。在電力領域，必須進一步減少輸電線路的損耗，因此，不能忽視1%IACS導電率態※1的差別。住友電氣公司的能源、電子材料研究所、架空線事業部以及住友電氣集團的富山住友電工有限公司正在努力提高用于架空輸電線（以下稱為架空線）中鋁合金線的導電率。 住友電氣公司通過努力提高用于架空線路中耐熱鋁合金線（60TAl）的導電率，成功開發了導電率提高1%IACS的新型合金線（61TAl）。
將大量電力從發電廠傳輸到市區要使用圖1所示的鐵塔間的架空導體。從平衡導體的強度、重量和電阻的角度來看，采用絞線結構，鋁合金線同心地布置在外周，張力構件的鋁包鋼絞線設置在中心，如照片1所示。鋁合金線主要承擔電力傳輸的作用。
為了減少架空線輸電線路的傳輸損耗，必須通過：1）增加鋁合金線的橫截面積，2）提高鋁合金線的導電率。住友公司生產的低傳輸損耗導體（圖2）是通過采用方法1）實現的產品。本文所述的2）改善了鋁合金線的導電率。由于該方法不增加架空導線的重量，因此就重量和張力而言，無需關注鐵塔的強度，提高導電率的電線可用于包括替換現有線路的各種類型的輸電線路。基于這些特點，對高導電率鋁合金線的要求越來越高。
（三）鋁合金線和系列產品的性能要求
要求架空輸電線路采用的鋁合金線應具有：1）高導電率以減少傳輸損耗；2）抗拉強度能夠滿足遠距離鐵塔之間的架線張力；3）耐熱性，能承受發熱并在載流量高時保持正常的抗拉強度。
通常，可以添加除鋁以外的元素以增加抗拉強度和耐熱性，但這不可避免地降低了導電率。換言之，在抗拉強度、耐熱和導電率之間存在權衡關系，并且要根據架空輸電線路的使用環境來選擇合金線的最佳類型。住友電氣公司用于架空輸電線路的鋁合金線系列如表1所示。HAl為一般用途的硬拉鋁線。如果需要最大電流，則選擇TAl（耐熱鋁合金線），其導電率稍低，但耐熱性（可持續耐較高溫度）較好。
傳統的耐熱鋁合金線（代號為（60TAl）是通過向HAl中添加少量鋯（Zr）制成的。與HAl相比，60TAl連續承受溫度從90℃顯著提高到150℃，以補償導電率降低1%。由于其優良的特性，60TAl在日本和海外都得到了廣泛的應用。提高這種廣泛使用的60TAl的導電率有望在全球范圍內顯著降低傳輸損耗，因此住友公司致力于開發該新型耐熱鋁合金線（61TAl）。開發的合金線的目標特性如表2所示。設置的導電率為61%IACS以上，與HAl的導電率相等，但比60TAl的導電率高1%IACS。為了加速新合金線的廣泛使用，設定其抗拉強度、伸長率和耐熱性等于60TAl的相應值，從而使其能夠在不改變線路組成或鐵塔設計的情況下更換現有架空導線。本節介紹架空輸電線路用鋁合金線抗拉強度的改善機理和加熱引起抗拉強度的降低機理以及傳統60TAl耐熱的改善機理。然后講述開發61TAl的方法。
當諸如鋁的金屬材料受到高于一定程度的外力時，由于原子沿著特定的晶面滑動，金屬發生變形。這種滑動是無序原子排列區域中“位錯”運動引起的（圖3）。
隨著變形的進行，材料中位錯的數量增加，位錯逐漸相互糾纏，使位錯難以移動。結果，原子沿著晶面的滑動變得困難，使得金屬不易變形。這種現象稱為“加工硬化”， 可用于提高架空輸電線路用鋁合金線的抗拉強度。鋁的加工硬化無需添加任何元素，因此這種加工是不顯著降低其導電率的情況下強化鋁的方法。另一方面，位錯在加熱時往往會移動并消失。這意味著，如果僅通過加工硬化來提高合金線的抗拉強度，則在高溫下抗拉強度容易降低。60TAl是通過向HAl中添加少量Zr而使上述缺點最小化的合金線。60TAl中的Zr以固溶狀態※2包含在鋁基體中，Zr原子和鋁原子之間的半徑差而產生晶格畸變，如圖4所示。該畸變與錯位相互作用并吸引錯位，阻礙了固溶Zr周圍錯位的移動。因此，即使加熱，60TAl中的位錯也很難移動或消失。由于該金屬線的抗拉強度不易減少，所以能夠在高溫環境中使用。為提高導電率，減少添加元素的量是有效的。然而，由于該方法導致耐熱性和抗拉強度降低，因此有必要與補償措施一起實施。在61TAl的開發中，減少添加元素的量以提高導電率。另一方面，1）將鐵（Fe）作為雜質混合以補償耐熱性的降低，2）促進加工硬化以補償抗拉強度的降低。以下內容主要講述為補償因成分濃度降低導致耐熱性降低而實施的措施，以及為補償抗拉強度降低而實施措施的細節。Fe不可避免地存在于工業純鋁原料中。通常，人們認為Fe是對鋁的性能影響不大的元素，因為該元素傾向于與鋁和其他附加元素形成化合物，并以晶體析出狀態存在※3。另一方面，住友公司已關注到固溶鐵晶格畸變的程度。 如上所述，固溶元素對位錯運動的影響與固溶元素引起晶格畸變的程度息息相關。根據第一原理估算添加于鋁中各元素的晶格畸變程度以及各元素在熱力學上對鋁的最大固溶量的例子均于表3所示。Fe是產生晶格畸變極高的元素，將Fe固溶于鋁將顯著提高鋁的耐熱性，可以補償因添加元素量的減少而導致耐熱性的降低。
但是Fe在鋁中的平衡固溶量非常小。換言之，Fe是難以固溶的元素。同時，還沒有建立評估固溶比率的簡便且高可靠的方法，這些因素是構建固溶Fe工藝的障礙。在上述情況下，住友公司開發了固溶狀態的評估方法，并改進了制造工藝，以生產具有足夠固溶Fe含量的鋁合金線。電阻法和苯酚法已廣泛用于評估添加到鋁中元素的固溶量。前一種方法利用了這樣的事實，即材料的電阻隨著從固溶體到結晶體的變化而變化，反之亦然。然而，由于電阻不僅受目標元素的影響，而且受其他元素和位錯量的影響，所以當這些因素同時改變時，很難評估固溶量。后一種方法選擇性地溶解鋁基體，并通過濾器分離剩余結晶析出物來提取固溶體。這種方法的缺點是細小沉淀物通過過濾器，將導致測量誤差。研發者利用住友公司在佐賀縣九州同步加速器光研中心的專用光束線※4的優勢，以便使用同步輻射※5來評估Fe的固溶量。用X射線吸收光譜（XAFS）（一種使用同步輻射的分析方法）在掃描能量的同時測量X射線照射在樣品上的吸收率。通過這種方式，從元素吸收邊緣※6附近的X射線吸收光譜獲得有關該元素的電子狀態和周邊結構的信息。該方法無需對測量進行任何特殊預處理，預計可以高精度地評估固溶量，包括微細沉淀物的影響。在實驗室制作兩種具有不同Fe固溶量的Al-Fe合金線，并使用熒光法在住友公司的硬X射線BL16光束線上測量X射線吸收光譜。測量結果如圖5所示。該圖清楚地顯示了不同Fe固溶量的兩個樣品之間的光譜差異。通過將未知樣品的光譜與這些標準光譜進行比較，可成功地評估Fe的固溶量。
為使平衡固溶量小的Fe大量固溶，很重要的工藝設計是：1）通過快速凝固獲得過飽和固溶體；2）在熱處理和加工過程中使析出最小化。富山住友電工公司使用的Properzi（普羅佩茲）連鑄機（圖6）很容易滿足上述固溶條件，因為該軋機：1）對鑄造截面小于5000mm2的金屬，用水冷的銅對熔融金屬進行淬火，2）利用鑄造時的余熱進行熱處理，所以不需要再加熱。
優化Properzi連鑄機條件，使用Fe的固溶比為指南。該固溶比是通過上述新開發的評估方法確定的。進一步提高Fe的固溶比例，成功改善了因合金成分的濃度較低而降低耐熱性。優化的項目包括模具形狀、澆注方法、通過改進冷卻水注入方法加快凝固速度以及調整熱軋條件。增加加工硬化程度最簡單的方法是增加加工量，從而減小成品線徑。然而，住友公司打算通過滿足60TAl的線徑來實現61TAl的商業化，并努力通過提高加工過程中引入位錯的效率而不是減小線徑來提高抗拉強度。最終成功地通過降低從軋制到拉制過程中的加工溫度，并利用模擬和其他技術優化孔型，提高了線材的抗拉強度。
根據上述合金成分和制造工藝，在批量生產機器中試制的鋁合金線特性如表4所示。由此可知，所開發線材的導電率達61%以上，其機械性能和耐熱性完全符合60TAl技術要求。
四、61TAl架空線路中
CO2減排效果的初步計算
當開發的合金線在輸電線路中投入實際使用時，進行了傳輸損耗和CO₂減排量的試驗計算（表5）。在計算中，假設輸電線路使用一般用途的TACSR/AC（鋁包鋼芯耐熱鋁合金）導體。假設導線的截面積為410mm2，傳輸距離為50km，并且使用三相兩線，很明顯，預計每10年CO₂減排量達4000噸以上。
隨著人們要求減少電力傳輸損耗的呼聲不斷增加，住友公司開發了一種新型耐熱鋁合金線，該線材能承受150℃的連續工作溫度，并且具有61%IACS以上的導電率。將開發的合金線應用于架空線路將大大有助于降低輸電成本和CO₂的排放量。在未來的發展中，住友公司將把在此次開發中獲得的知識應用于輸電線路的各種鋁合金線，以提高其導電率，并通過在架空輸電線路中擴大使用這些線材來促進銷售。
專業術語解釋
測量材料傳輸電流能力的指標，表示電阻率為1.7241×10-2μΩm的軟銅導電率的百分比，單位為%IACS。
※2 固溶狀態
※3 晶體析出狀態
以原子狀態熔于熔融金屬或固體金屬的添加元素與基體金屬形成不同的化合物而產生的現象。
※4 光束線
※5 同步輻射
當以接近光速運動的電子軌道彎曲時，在切線方向產生的極強電磁波。與普通X射線源相比，同步輻射具有強度較高和能量可變的特點。
※6 吸收邊緣
X射線吸收率不連續且顯著變化的能量。當原子核周圍的原子從X射線接收到一定能量時，它們轉移到外殼軌道的現象。 |
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皖公網安備 34011102002471號
