经济建设的发展、城市化与工业化进程的加快，造成了区域间电力供需矛盾、突发性区域用电缺口等问题，近年来频发的极端异常天气对输电线路的低损耗、大容量和坚强性提出了更高要求。为此，需要提高输电导线的导电性能以降低线路损耗，同时改善其耐热性能以增大输送容量，充分开发现有输电走廊的输送潜力，确保电能输送安全高效。耐热铝合金导线最高允许运行温度达150 ℃以上，其中特耐热铝合金导线的允许连续运行温度达到230 ℃，输送容量较同规格钢芯铝绞线提高40%~60%［1］。在不更换原有输电线路杆塔的情况下，有效提高其极限输送量（允许载流量）可以保证输电线路的大容量和坚强性，因此耐热铝合金导线产品的研究及应用受到广泛关注［2-3］。本研究针对耐热铝合金导体材料的研究进展、耐热铝合金导线的性能优势等进行综述，并对耐热铝合金导体材料及导线产品的挑战与前景进行分析，为高性能耐热铝合金产品的研发与应用提供参考。1耐热铝合金导线的发展及性能要求钢芯铝绞线（ACSR）是最早应用于架空输电线路的铝导线产品，但在高温条件下钢芯铝绞线中的铝导体材料综合性能会明显下降。为改善铝导体材料的高温稳定性，发达国家率先开展了耐热铝导线的研究。HARRINGTON R H等［4］发现适量的Zr可以提高纯铝的耐热性能，后续耐热铝合金导线的开发也是以Al-Zr作为基础材料体系进行设计优化。据统计，日本耐热铝合金导线（≥34.80 MS/m）的使用量占输电导线总用量的70%~80%［5］。我国也针对电工铝导体材料进行了系统的研究工作，并试制出电导率为34.80 MS/m的耐热铝合金导线，将电导率提高了1.16 MS/m。在此基础上，国内相关电缆生产厂家通过采用工业高纯铝锭作为原料研制开发了电导率≥34.80 MS/m的（超）耐热铝合金导线产品。随着耐热铝合金导线的应用与推广，国内外制定了相关标准对不同等级耐热铝合金导线的性能指标进行规范［6］，见表1。根据允许服役温度的不同，将耐热铝合金导线划分为耐热铝合金导线（150 ℃）、超耐热铝合金导线（210 ℃）和特耐热铝合金导线（230 ℃）。10.15980/j.tzzz.2024.01.003.T001表1国内外耐热铝合金线相关标准Tab.1Relevant standards of domestic and overseas thermal-resistant aluminum alloy wire类型标准号允许连续服役温度（40年）/℃允许服役温度（400 h）/℃电导率/（MS·m-1）抗拉强度/ MPa伸长率/ %IEC 62004-2007GB/T 30551-2014耐热铝合金线AT1NRLH115018034.80≥159≥1.5高强度耐热铝合金线AT2NRLH215018031.90≥225≥1.5超耐热铝合金线AT3NRLH321024034.80≥159≥1.5特耐热铝合金线AT4NRLH423031033.64≥159≥1.5近年来，我国耐热铝合金导线的应用量增加，达到2万t以上，但耐热铝合金导线仅占全国导线总用量的2%~3%。制约高性能耐热铝合金导线产品应用推广的关键因素是成本，现役耐热铝合金导线、高电导率耐热铝合金导线的单价较同规格普通钢芯铝绞线高13.5%和15.5%（见表2），而更高耐热等级的超耐热铝合金导线的价格则可以达到普通钢芯铝绞线价格的3倍以上。目前新建设的远距离输电线路中仍以钢芯铝绞线为主，因线路长度与导线分裂数需求，耐热铝合金导线的成本显著提高，因此耐热铝合金导线大多应用于原线路无法满足大负荷输电需求的扩容改造工程，属于小范围的线路替换。10.15980/j.tzzz.2024.01.003.T002表2耐热铝合金导线与传统钢芯铝绞线的成本对比Tab.2Cost comparison of thermal-resistant aluminum alloy wire and traditional aluminum conductor steel wires导线类型导线型号导线规格导线价格/（万元·t-1）导线单价/（万元·km-1）普通钢芯铝绞线JL/G1A400/352.091.55耐热铝合金导线JNRLH1/G1A400/352.381.76高电导率耐热铝合金导线JNRLH61.5/G1A400/352.411.792耐热铝合金导线的发展趋势基于新型电力系统建设需求，以1 000 kV特高压交流线路和±800 kV特高压直流线路为代表的特高压输电线路建设量逐年增加（见图1）。同时，自2018年起，我国以昌吉—古泉线为代表的±1 000 kV特高压直流线路正式投入使用，实现了电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的输电线路建设。随着线路电压等级的提升，导线的输送容量扩大，耐热铝合金导线的优势凸显，耐热等级成为评估导线应用场景与应用效果的重要指标。10.15980/j.tzzz.2024.01.003.F001图12011~2021年特高压输电线路（1 000 kV特高压交流、大于±800 kV特高压直流输电线路）长度与占比统计Fig.1Length and proportion statistics of UHV transmission lines from 2011 to 2021目前开发及应用的耐热铝合金导线产品的长期允许运行温度为150~230 ℃，电导率为33.64~34.80 MS/m，但与传统钢芯铝绞线相比电导率低0.58 MS/m，导致其在高温运行时线路损耗严重。图2为2011~2022年输电线路损耗电量及线损率情况。可以发现，高电导率耐热铝合金导线等新型节能导线的使用降低了线损率，但随着线路等级提升与输送容量增大，线路损耗电量呈增长趋势，其中因输电导线产生的电阻损耗占比80%以上，提高导线电导率是进一步实现线路节能降耗的关键。为满足现有输电需求，耐热铝合金导线向着高电导率、高耐热等级的方向发展。10.15980/j.tzzz.2024.01.003.F002图22011~2022年线路损耗电量与线损率统计Fig.2Statistics of line loss and line loss rate from 2011 to 2022耐热铝合金导线的制备需要经过铸态合金、杆材、丝材到导线的多道次处理，可大致分为铝杆制备、拉线、绞线3个步骤，制备流程见图3。导体材料、芯线材料、导线结构是决定导线整体性能的关键组成部分。耐热铝合金导线的性能优化主要通过以下两种方式获得：高性能铝合金导体材料的研发和结合加强芯线的新型导线的应用。10.15980/j.tzzz.2024.01.003.F003图3铝合金导线制备流程图Fig.3Flow chart of aluminum alloy wire preparation2.1高性能铝导体材料的研发铝合金导电性能与耐热性能的相互制约关系［7］是限制耐热铝合金导线综合性能提升的关键因素，通过合金化设计与制备工艺优化以获得电导率与耐热性优异的铝导体材料是研究热点。耐热铝合金导体材料以Al-Zr为基体材料，Zr作为主要合金元素，通过在铝基体中形成Al3Zr相能有效地提高铝合金的耐热性能与抗再结晶能力。Al3Zr相具有L12结构，与铝基体共格且晶格错配度低［8］，同时析出相热稳定性好（475 ℃下保持动力学稳定［9］）。然而，Zr在α-Al基体中扩散率较低、Al3Zr相析出过程慢，导致形核时间较长，析出相体积分数低（低于1%），颗粒尺寸较大［10］，降低了Zr在Al中的优势作用。微合金化是改善铝合金性能的有效方法［11-13］，扩散速度较快的稀土元素（RE）、过渡元素（TM）的单一/复合添加（如Sc、Ti、Y、Er、Yb）可以先形成Al3M（M=RE或TM）相作为Zr的形核位点，形成Al3（M1-xZrx）相，加速Zr的析出动力学。ZHANG J Y等［14］通过原子探针层析技术表征分析了Al3（Zr， Sc）析出相的形貌与元素分布（见图4）；顾静等［15］利用三维原子探针观察到在Al-Zr-Y合金中，Y在时效初期首先析出Al3Y相，成为Zr的异质形核核心，加速Al3Zr的析出，形成了尺寸小、密度高的具有L12结构的复合析出相Al3（Zr， Y）。为进一步探究复合析出相的形核和长大机制，WANG Y F等［16］利用第一性原理计算揭示了Al/Al3（Zr， Y）界面的取向关系，解释了Al3（Zr，Y）复合壳层出现的原因（见图5）。计算发现在形核初期，Zr原子首先开始向表面集中，随着界面处取代原子含量的增加，在黏附功的影响下Zr原子开始被Y原子取代，最终形成Al3（Zr， Y）复合壳层，其中Y、Zr摩尔比与试验值基本一致。10.15980/j.tzzz.2024.01.003.F004图4时效后Al-Zr-Sc合金中的Al3（Zr， Sc）析出相［10］Fig.4Al3（Zr，Sc） precipitate in aged Al-Zr-Sc alloy［10］10.15980/j.tzzz.2024.01.003.F005图5Al/Al3（Zr， Y）界面结构图和表面能、界面能、晶格错配度及取代原子的黏附功［16］Fig.5Structure of Al/Al3（Zr， Y） interface and surface energies， interface energies， lattice misfits， and work of adhesions as a function of substituted atoms［16］赵辉等［17］通过Zr、Er、Sc的三元复合添加，结合双级时效工艺获得了细小弥散、具有核-双壳结构的Al3（Er， Sc， Zr）相，扩散速率最快的Er促进了Zr与Sc的脱溶析出，获得了电导率、强度与热稳定性的良好匹配。刘东雨等［18］采用Er、Y微合金化对耐热铝合金导体材料进行合金设计，制备了Al-Er-Y系耐热铝合金导线，电导率≥35.38 MS/m、230 ℃×1 h退火强度残存率≥90%。李静等［19］研究发现，Er、Zr的复合添加可提高铝合金的耐热性能，结合时效和热处理工艺，制备的Al-0.04Er-0.05Zr合金电导率可达34.80 MS/m，且能在210 ℃下长期使用，达到了超耐热铝合金的性能要求。日本三菱电缆株式会社通过添加Zr、Ti元素协同调控合金特征微观组织，结合热处理-冷加工-热处理工艺，获得了34.80 MS/m以上电导率、短时允许运行温度280 ℃以上、具有优异性能的超耐热铝合金线。高海线燕等［20-21］在对合金元素交互作用研究的基础上，发明了将稀土元素作为主要合金元素进行添加，通过第二相强化代替传统的纳米级弥散析出相强化，通过短时间的热处理实现性能的提升，制备的导线产品电导率可达到35.96 MS/m，耐热等级达到超耐热铝合金导线要求。某公司围绕开发高电导率的耐热铝导体材料及其关键制备技术的预期目标，开展了微合金化及成分优化设计、制备工艺技术优化研究，在保持抗拉强度和耐热温度的基础上，提高了电导率，先后研制出了电导率为35.38、35.67和35.84 MS/m的耐热铝合金导线，并实现了工程应用［22-24］。2.2新型耐热导线的应用除了对传统铝导体材料进行迭代优化外，目前还研制并应用了系列采用高性能加强芯的新型耐热导线产品。钢芯是耐热铝合金导线最常应用的芯线材料，大多采用碳素钢或低合金钢，为降低芯线的自腐蚀风险，通常会在钢芯表面进行热镀锌处理。但耐热铝合金导线输送容量的增加与运行温度的升高导致导线弧垂增大，无法保障电能的安全输送［1］。为解决导线高温弧垂大的问题，一般通过替换芯线材料或优化导线结构来减小膨胀系数。以殷钢（Fe-Ni合金）为代表的新型芯线材料被广泛应用，其在室温下具有较低的热膨胀系数，其长度几乎不因温度而变化，同时Ni的添加使得殷钢具有良好的耐腐蚀性能，是一种理想的加强芯材料［25］。20世纪70年代，日本开始研制并使用性能更加良好的殷钢芯来替换传统的镀锌钢芯。为降低钢芯线与铝合金绞线间电位差所导致的电偶腐蚀倾向，采取表面覆铝工艺对裸殷钢芯进行包覆，继而开发出铝包殷钢耐热铝合金导线。目前国内多家线缆制造企业可以制备出铝包殷钢（超）耐热铝合金导线，并在增容改造线路中得到应用［26］。铝包殷钢（超）耐热铝合金导线具有“同径同弧倍容”的技术优势，随着导线运行温度升高至迁移点温度后，导线的张力从耐热铝合金线转移至线膨胀系数更低的铝包殷钢芯，有效地缓解了导线高温弧垂大的问题。除了以金属材料作为导线芯线外，目前还研发出了新型的复合材料合成芯——碳纤维合成芯导线。作为非金属材料芯，碳纤维合成芯线具备轻质、高导、耐蚀、高导等优势，是替代传统钢芯的理想材料，但昂贵的价格和不完备的运行经验使其应用受限［27］。不同于殷钢耐热铝合金导线，间隙型（超）耐热铝合金导线兼具材料和导线结构优化，通过创造芯线和铝合金线之间特殊的间隙结构，减小钢芯与内层铝合金线之间的摩擦，结合特殊的张力安装方法，当温度达到拐点温度时将应力转移至钢芯线上［28］。此外，外层钢芯采用抗拉强度高的特强镀锌钢芯，使导线在大跨越线路中降低自身质量与外部环境影响，由于特强钢芯线性热膨胀系数小得多，大大改善了间隙型特强钢芯超耐热铝合金导线在高温情况下的弧垂特性［29］。目前我国已成功制备出电导率为34.80 MS/m的间隙型特强钢芯超耐热铝合金绞线，不仅在增容改造线路，还在大跨越、远距离线路中表现出了技术与经济优势。3展望耐热铝合金导线因其优异的耐热性能在未来电网应用中具有广阔的发展前景。为满足未来电力系统的多场景应用，耐热铝合金导体材料正在向高电导率、高耐热等级的方向发展，同时结合新型加强芯线实现高性能增容导线的开发与应用。但在以下方面仍面临挑战，未来还需开展深入研究。（1）高性能铝合金导体材料的设计优化。现役耐热铝合金导线产品电导率仅为34.80 MS/m，如何在保证力学性能和耐热温度的前提下，实现铝合金导电性能的协同提升是目前耐热铝合金导体材料研发的关键技术难点。需结合先进的试验表征手段与微纳尺度的材料计算方法，从底层探索铝合金材料耐热性-电导率的相互作用机制，实现成分-工艺-结构-性能的精准调控，将电导率提高至传统钢芯铝绞线以上，以降低线路损耗，保障大容量、高效的电力输送。（2）耐热铝合金导线产品的低成本国产化制备与应用。制备工艺与生产成本是制约国产耐热铝合金导线大面积推广应用的技术难点。优化工业化生产工艺参数，完善、规范耐热铝合金导线的批量化制备工艺流程，提高产品批次稳定性和产品合格率，控制生产成本，是最终实现高性能耐热铝合金导线国产化生产与应用的关键环节，同时可以提高耐热铝合金导线产品工程应用的竞争力。（3）新型耐热铝合金导线标准体系的建立与完善。目前，GB/T 30551—2014［6］规定了不同等级的耐热铝合金导线的力学性能、电学性能及耐热性能。但针对新型耐热导线［包括铝包殷钢（超）耐热铝合金导线、间隙型（超）耐热铝合金导线、碳纤维合成芯耐热铝合金导线］的标准仍需进一步完善，以规范后续耐热铝合金导线的市场应用。10.15980/j.tzzz.2024.01.003.F006