架空導(dǎo)線(xiàn)的絞合節(jié)距和彎曲半徑探討

張光武，王國(guó)忠，龔欣明

(1.浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江杭州310013;2.江蘇通光強(qiáng)能輸電線(xiàn)科技有限公司，江蘇海門(mén)226100;3.遠(yuǎn)東電纜有限公司，江蘇宜興214157)

0 引言

GB/T 1179—2008《圓線(xiàn)同心絞架空導(dǎo)線(xiàn)》和GB/T 20141—2006/IEC 62219:2002《型線(xiàn)同心絞架空導(dǎo)線(xiàn)》中對(duì)各種類(lèi)型的架空導(dǎo)線(xiàn)的節(jié)徑比規(guī)定了范圍，節(jié)徑比是偏大好，還是偏小好?在這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有像 GB/T 12706《額定電壓1kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件》對(duì)電纜安裝時(shí)的最小允許彎曲半徑規(guī)定那樣，對(duì)架空導(dǎo)線(xiàn)的最小彎曲半徑加以規(guī)定。國(guó)外一些架空導(dǎo)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的最小彎曲半徑也未作規(guī)定。在中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 832—2003《光纖復(fù)合架空地線(xiàn)》第10.1.2條中規(guī)定:“纜盤(pán)的筒體直徑應(yīng)不小于OPGW外徑的25倍”;在第12條中規(guī)定:“安裝架設(shè)時(shí)放線(xiàn)導(dǎo)輪直徑不得小于OPGW直徑的40倍，且最小直徑不得小于600mm”。也即規(guī)定OPGW的靜態(tài)彎曲半徑應(yīng)不小于OPGW外徑的12.5倍;動(dòng)態(tài)允許彎曲半徑不得小于OPGW外徑的20倍，且最小彎曲半徑不得小于300mm。《電線(xiàn)電纜手冊(cè)》第1冊(cè)第114頁(yè)中對(duì)裸電線(xiàn)及裸導(dǎo)體制品用包裝規(guī)定:“線(xiàn)盤(pán)的筒徑D2應(yīng)至少30倍于導(dǎo)線(xiàn)直徑。對(duì)單層鋁線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)，此倍數(shù)應(yīng)適當(dāng)大些。”架空導(dǎo)線(xiàn)的最小彎曲半徑究竟多少合適?本文就架空導(dǎo)線(xiàn)的絞合節(jié)距最佳值和彎曲半徑進(jìn)行探討。

1 分析和計(jì)算

1.1 絞合時(shí)單線(xiàn)的彎曲

架空導(dǎo)線(xiàn)在絞合時(shí)，單線(xiàn)以螺旋形圍繞在基圓上，會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。因?yàn)榛鶊A相當(dāng)于一個(gè)圓柱體，表面處處都形成弧形，單線(xiàn)絞合時(shí)也就隨處都在彎曲。但單線(xiàn)在絞合過(guò)程中圍繞自身軸線(xiàn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形，不像彎曲變形那樣容易看出。架空導(dǎo)線(xiàn)生產(chǎn)方法有“無(wú)退扭”和“退扭”兩種。這兩種方法絞合時(shí)，單線(xiàn)扭轉(zhuǎn)情況不同，單線(xiàn)變形因而有所差異。在無(wú)退扭的絞合中，由于單線(xiàn)在一個(gè)節(jié)距中的自身扭轉(zhuǎn)近于一周，因此，與基圓柱面接觸的單線(xiàn)縱向表面，幾乎永久與柱面接觸，并在一個(gè)長(zhǎng)度上受到壓縮;而單線(xiàn)外緣的縱向表面，幾乎永久處在絞線(xiàn)外緣，同時(shí)在整個(gè)長(zhǎng)度上受到拉伸。但在采用有退扭絞合時(shí)，單線(xiàn)任一縱向上的表面，在一個(gè)絞合節(jié)距中基本保持原有的方位。因而，單線(xiàn)的某一縱向表面是按一定規(guī)律、周期性地變化著它與基圓柱面接觸的位置:如果開(kāi)始時(shí)是與柱面接觸，在半個(gè)節(jié)距處就背離柱面，恰好處在絞線(xiàn)的外緣表面，單線(xiàn)某一縱向表面就周期性地承受壓縮和拉伸。這種壓縮和拉伸的交替使單線(xiàn)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力要比無(wú)退扭絞合的小。由于國(guó)網(wǎng)公司在大截面導(dǎo)線(xiàn)技術(shù)要求中明確規(guī)定了無(wú)退扭絞的630及以上的框絞機(jī)生產(chǎn)，且無(wú)退扭方式的生產(chǎn)效率高，現(xiàn)在導(dǎo)線(xiàn)工廠(chǎng)幾乎全部采用無(wú)退扭絞方式生產(chǎn)。本文也以無(wú)退扭方式生產(chǎn)的導(dǎo)線(xiàn)來(lái)研究單線(xiàn)的彎曲變形。

絞合中單線(xiàn)的彎曲變形如同圓柱上螺旋線(xiàn)的變形，單線(xiàn)軸線(xiàn)即為空間螺旋線(xiàn)，單線(xiàn)所在絞層的節(jié)圓即為螺旋線(xiàn)圍繞的圓柱面。

按數(shù)學(xué)概念，螺旋線(xiàn)的彎曲程度以曲率或曲率半徑(又稱(chēng)彎曲半徑)表示，兩者互為倒數(shù)。曲率愈大，彎曲程度愈大，曲率半徑愈小。

單線(xiàn)絞合時(shí)的彎曲半徑ρ為:

式中，h為螺旋節(jié)距，即絞合節(jié)距;R0為螺旋線(xiàn)半徑，即基圓中心到絞合單線(xiàn)中心(軸線(xiàn))的距離。

為了說(shuō)明問(wèn)題，本文以GB 1179—1983標(biāo)準(zhǔn)的LGJ-10/2、LGJ-70/10兩個(gè)規(guī)格來(lái)計(jì)算，說(shuō)明單線(xiàn)彎曲變形量的大小與單線(xiàn)的直徑、絞線(xiàn)的節(jié)距大小的關(guān)系。這兩個(gè)規(guī)格的導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)為中心1根鋼線(xiàn)，外面絞合6根鋁線(xiàn)，如圖1所示。圖中，D為鋼絲直徑，d為外層鋁線(xiàn)直徑。線(xiàn)徑參數(shù)見(jiàn)表1。鋁線(xiàn)軸線(xiàn)、最外側(cè)的螺旋線(xiàn)半徑分別用R0軸和R0外表示。

圖1 1+6鋼芯鋁鉸線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鋁芯外層絞合節(jié)徑比應(yīng)為10～1 4。h分別取10.5倍、13倍絞合外徑，同時(shí)，將(2)、式(3)分別代入式(1)，求得鋁線(xiàn)軸線(xiàn)、最外側(cè)的螺旋線(xiàn)的彎曲半徑，分別用ρ軸、ρ外表示，見(jiàn)表1、表2。從表1和表2可以看出，鋁線(xiàn)外側(cè)的彎曲半徑明顯比軸線(xiàn)的彎曲半徑小，即曲率大;節(jié)徑比大時(shí)，彎曲半徑大，即曲率小。以外側(cè)的彎曲半徑、軸線(xiàn)的彎曲半徑所在平面作圖，如圖2。

圖2 鋁線(xiàn)軸線(xiàn)、外側(cè)彎曲半徑

利用余弦定律，求得鋁線(xiàn)軸線(xiàn)、外側(cè)圓弧線(xiàn)相交點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的圓心角 α外、α軸，如表1、2所示(表中角度用弧度表示)。鋁線(xiàn)外側(cè)彎曲弧長(zhǎng)相對(duì)于軸線(xiàn)彎曲弧長(zhǎng)的伸長(zhǎng)率用σ表示。

由于弧長(zhǎng) =中心角×圓弧半徑，則式(4)可變?yōu)?

表1 絞合節(jié)徑比為10.5計(jì)算得到的參數(shù)

各參數(shù)代入式(5)，計(jì)算得兩種規(guī)格的鋼芯鋁絞線(xiàn)分別在節(jié)徑比為10.5、13時(shí)，鋁線(xiàn)最外側(cè)的彎曲弧長(zhǎng)相對(duì)于鋁線(xiàn)軸線(xiàn)的彎曲弧長(zhǎng)的伸長(zhǎng)率如表1、表2所示。由表1、表2可以看出，同種導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)時(shí)，相對(duì)伸長(zhǎng)率與單線(xiàn)線(xiàn)徑大小無(wú)關(guān);節(jié)徑比越小，相對(duì)伸長(zhǎng)率也越大。在節(jié)徑比為10.5時(shí)，鋁線(xiàn)最外側(cè)的彎曲弧長(zhǎng)相對(duì)于軸線(xiàn)的彎曲弧長(zhǎng)伸長(zhǎng)率達(dá)到了1.5627%，硬鋁單線(xiàn)的斷裂伸長(zhǎng)率一般為1.6%，這時(shí)，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線(xiàn)，盡管不至于使鋁單線(xiàn)斷裂，但個(gè)別薄弱處會(huì)使單線(xiàn)表面產(chǎn)生微裂紋。如果單線(xiàn)是鋁包鋼線(xiàn)，這么小的節(jié)徑比可能造成這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)線(xiàn)的表面鋁層開(kāi)裂。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于考慮到用料少、電阻小、生產(chǎn)率高等因數(shù)，1+6結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線(xiàn)節(jié)徑比都大于11，不存在這種極限的情況發(fā)生。只是在導(dǎo)線(xiàn)用戶(hù)規(guī)定的技術(shù)協(xié)議中偶爾會(huì)出現(xiàn)節(jié)徑比偏小的現(xiàn)象。為此，導(dǎo)線(xiàn)廠(chǎng)家應(yīng)以解釋說(shuō)明。在多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)中，節(jié)徑比小時(shí)，單線(xiàn)的彎曲變形沒(méi)有這么顯著，不至于造成單線(xiàn)的損傷。

表2 絞合節(jié)徑比為13計(jì)算得到的參數(shù)

1.2 盤(pán)具的筒徑大小對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的彎曲變形

設(shè)導(dǎo)線(xiàn)的直徑為d，盤(pán)具的筒體直徑為D，導(dǎo)線(xiàn)第一層裝于盤(pán)具的示意圖如圖3所示。

3 導(dǎo)線(xiàn)第一層裝于盤(pán)具的示意圖

導(dǎo)線(xiàn)的緊挨盤(pán)具筒體的第一層導(dǎo)線(xiàn)外緣線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)的軸心線(xiàn)相比，伸長(zhǎng)率為

分別取盤(pán)具筒體直徑為導(dǎo)線(xiàn)直徑的30倍、20倍，即 D分別為30 d、20 d，得 ε分別為 1.03%、1.52%。由于絞合后鋁單線(xiàn)呈螺旋狀，并且單線(xiàn)間有一定的間隙，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)線(xiàn)纏繞在盤(pán)具上后，導(dǎo)線(xiàn)外緣縱向比導(dǎo)線(xiàn)的軸心線(xiàn)伸長(zhǎng)只要不大于1.5%，即只要盤(pán)具筒體直徑大于導(dǎo)線(xiàn)直徑的20倍時(shí)，對(duì)鋁單線(xiàn)的變形應(yīng)該是沒(méi)有影響的。當(dāng)然，盤(pán)具筒體直徑大，對(duì)纏繞的絞合導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)影響就小，所以盤(pán)具筒體直徑以不小于導(dǎo)線(xiàn)直徑的30倍為宜。

2 建議

通過(guò)分析和計(jì)算，對(duì)架空導(dǎo)線(xiàn)的節(jié)徑比和彎曲半徑建議如下:

(1)絞合節(jié)徑比:導(dǎo)線(xiàn)節(jié)徑比應(yīng)符合GB 1179—2008要求，參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) ASTM B 232-01 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum Conductors，Coated-Steel Reinforced(ACSR)(鋼芯鋁絞線(xiàn))和ASTM B416—98 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum-Clad Steel Conductors(鋁包鋼絲同心絞線(xiàn))，應(yīng)采用優(yōu)選節(jié)徑比，見(jiàn)表3。在DL/T 832—2003《光纖復(fù)合架空地線(xiàn)》應(yīng)補(bǔ)充:鋼及鋁包鋼線(xiàn)絞制的OPGW外層節(jié)徑比取10 ～16，優(yōu)選節(jié)徑比為13.5。

表3 導(dǎo)線(xiàn)絞合節(jié)徑比

(2)架空導(dǎo)線(xiàn)的彎曲半徑:對(duì)于普通導(dǎo)線(xiàn)，應(yīng)不小于導(dǎo)線(xiàn)直徑的15倍;對(duì)于特種導(dǎo)線(xiàn)、鋁包鋼絞線(xiàn)或OPGW，不宜小于導(dǎo)線(xiàn)直徑的20倍，且最小彎曲半徑不小于300mm。導(dǎo)線(xiàn)用盤(pán)具筒體直徑應(yīng)考慮導(dǎo)線(xiàn)允許最小彎曲半徑的要求。普通導(dǎo)線(xiàn)用盤(pán)具筒體直徑以不小于導(dǎo)線(xiàn)直徑的30倍、特種導(dǎo)線(xiàn)用盤(pán)具筒徑以不小于導(dǎo)線(xiàn)直徑的35倍為宜。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析和計(jì)算，說(shuō)明了架空導(dǎo)線(xiàn)的節(jié)徑比對(duì)單線(xiàn)性能的影響，對(duì)現(xiàn)行的鋼絲或鋁包鋼線(xiàn)絞制的OPGW的節(jié)徑比提出更改建議，指出了架空導(dǎo)線(xiàn)的優(yōu)選節(jié)徑比及彎曲半徑和使用盤(pán)具筒徑的要求。

［1］GB/T 1179—2008 圓線(xiàn)同心絞架空導(dǎo)線(xiàn)［S］

［2］GB/T 20141—2006 型線(xiàn)同心絞架空導(dǎo)線(xiàn)［S］

［3］ASTMB 232—01 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum Conductors，Coated-Steel Reinforced(ACSR)［S］

［4］ASTM B416—98 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum-Clad Steel Conductors［S］

［5］王春江主編.電線(xiàn)電纜手冊(cè)第1冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［6］GB/T 12706—2008 額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件［S］