金具對大截面導(dǎo)線握力的影響因素

萬建成，劉勝春，劉臻，孫寶東，牛海軍

(中國電力科學(xué)研究院，北京市，102401)

0 引言

應(yīng)用大截面導(dǎo)線從而降低電流密度，是長距離、大容量輸電線路節(jié)能降耗的有效手段［1］，因此錦屏—蘇南±800 kV特高壓直流線路工程中在平地、丘陵、10 mm及以下冰區(qū)采用了JL/G3A－900/40－72/7型導(dǎo)線;在山地、高山大嶺、15～20 mm冰區(qū)采用了JL/ G2A－900/75－84/7型導(dǎo)線［2］。特高壓直流線路的平均耐張段長度約為4 km，而導(dǎo)線盤長為2.5或2.9 km，因此需要對導(dǎo)線在放線前采取中間接續(xù);緊線后，需要通過耐張線夾將導(dǎo)線與耐張塔的絕緣子金具串相連;因此，保證導(dǎo)線與接續(xù)金具和耐張線夾的足夠握力對于工程安全運行至關(guān)重要。錦屏—蘇南±800 kV特高壓直流線路采用液壓式接續(xù)金具和耐張線夾，為保障線路安全，文獻［3－4］中規(guī)定此類金具對導(dǎo)線的握力不小于95%RTS。在此之前的國內(nèi)輸電線路中，使用的鋼芯鋁絞線的鋁股最多為3層，最大導(dǎo)電截面為720 mm2(ACSR－720/50)，而JL/G3A－900/40－72/ 7、JL/G2A－900/75－84/7型大截面鋼芯鋁絞線是4層鋁股結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此本文將重點研究導(dǎo)線的鋁股層數(shù)、鋁鋼比和單線強度對液壓式接續(xù)金具及耐張線夾握力所產(chǎn)生的影響。

1 壓接損失和壓接保留導(dǎo)線率

導(dǎo)線不僅是電流的載體，還是承力的載體，從線路安全的角度來看，后者更為重要。因此必須對導(dǎo)線的額定拉斷力進行考核，判據(jù)設(shè)定應(yīng)合理?？紤]到單線強度和人工制作導(dǎo)線終端夾頭，因此文獻［4］中規(guī)定，當(dāng)承受不小于95%RTS時，任一單線均不應(yīng)斷裂。

對導(dǎo)線進行拉斷力試驗前，導(dǎo)線的端部應(yīng)進行加工以便于與拉力機的夾持部位連接。多年實踐證明，合理的導(dǎo)線端部形式有錨頭式與壓接式，錨頭式終端是將導(dǎo)線端部與樹脂或低熔點合金澆鑄為一體，壓接式終端是將導(dǎo)線端部與耐張線夾壓接成一體。

進行導(dǎo)線拉斷力試驗的步驟如下:將一定長度的某段導(dǎo)線樣品與臥式拉力機的夾持部位相連，按文獻［4］中試驗速度將導(dǎo)線樣品拉斷并記錄該值，此值為實測的絞線拉斷力。

為比較2種導(dǎo)線終端夾頭對絞線拉斷力的影響，將JL/G1A－630/45(鋁鋼截面比為14)的大量試驗數(shù)據(jù)進行總結(jié)，以導(dǎo)線額定拉斷力為基準，將壓接與錨頭握力試驗數(shù)據(jù)與之進行對比，結(jié)果見表1。

表1中的數(shù)據(jù)表明，實測的絞線拉斷力小于單線拉斷力之和，即壓接式與錨頭式終端夾頭都會降低導(dǎo)線拉斷力。但這2種終端夾持形式對導(dǎo)線拉斷力的影響程度存在差異，并且壓接式的影響更大，考慮到工程應(yīng)用的實際情況，對導(dǎo)線的額定拉斷力的考核仍以端部采用壓接方式為宜。

因壓接式終端夾頭引起的導(dǎo)線拉斷力降低現(xiàn)象稱為壓接損失。壓接損失是客觀存在的，但由于在以往的施工中僅使用720 mm2導(dǎo)線且該導(dǎo)線只有3層鋁股，導(dǎo)線制造廠家生產(chǎn)的單線強度遠高于標(biāo)稱值，因此掩蓋了壓接損失的存在。

為了分析壓接對導(dǎo)線握力的影響，定義了累加拉斷力和壓接保留率(握力保留率)。累加拉斷力=鋁單線拉斷力之和+鋼線1%伸長應(yīng)力實測值×鋼線總面積;壓接保留率=平均握力值與累加拉斷力的百分比。

2 ACSR－720/50導(dǎo)線的壓接損失

根據(jù)《三峽至常州±500 kV直流輸電工程龍泉至政平直流線路用鋼芯鋁絞線(ACSR－720/50)工程招投標(biāo)技術(shù)要求》，導(dǎo)線的鋁單線絞前平均抗拉強度不低于160 MPa，并且要求45股的不均勻值不大于20 MPa，鋼線1%伸長應(yīng)力不低于1 280 MPa。耐張線夾對 ACSR－720/50導(dǎo)線的握力要求不低于170.6 kN［5］。ACSR－720/50(鋁鋼截面比為12)導(dǎo)線的單線性能的實測數(shù)據(jù)和壓接保留率見表2。從表2可以看出，a、e導(dǎo)線的壓接保留率相對較高，這與其均勻性較好有關(guān)，但是批量生產(chǎn)時難以保證，不能以此作為生產(chǎn)要求。剔除這2組數(shù)據(jù)后對剩下的3組數(shù)據(jù)進行平均，ACSR－720/50的壓接保留率約為91%。

3 JL/G3A－900/40導(dǎo)線的壓接保留率

3.1 金具握力與單線強度的關(guān)系

文獻［6］要求JL/G3A－900/40－72/7(鋁鋼截面比為23)導(dǎo)線的鋁單線絞前平均抗拉強度不低于165 MPa，并且72股的不均勻值不大于25 MPa，鋼線1%伸長應(yīng)力不低于1 410 MPa。文獻［3］要求耐張線夾對JL/G3A－900/40－72/7導(dǎo)線的握力應(yīng)不低于193 kN(95%RTS)。鋁單線絞后平均強度對握力影響的試驗結(jié)果如圖1所示。

表2 ACSR－720/50壓接保留率Tab.2 ACSR －720/50 crimping retention rate

圖1 鋁單線絞后平均強度與握力的關(guān)系Fig.1 Relation of aluminum wire's average strength after stranding and grip strength

從圖1中可看出:(1)當(dāng)鋁單線絞后強度平均值為160 MPa時，20個試件的握力為 181.3～195.4 kN，只有3個樣品握力滿足要求，這說明當(dāng)鋁單線絞后強度的平均值為160 MPa時，金具的握力無法得到保證。(2)隨著鋁單線絞后強度平均值的增大，金具的握力也相應(yīng)增大。

3.2 金具的優(yōu)化

耐張線夾的設(shè)計優(yōu)化可以提高對導(dǎo)線的握力［7］。將耐張線夾的拔梢長度和內(nèi)徑優(yōu)化后，在鋁單線強度相同的情況下，握力可以提高2%～3%，如圖2所示。

圖2 耐張線夾尺寸與握力的關(guān)系Fig.2 Relation of clamp size and grip strength

3.3 壓接保留率

應(yīng)用累加拉斷力和壓接保留率計算公式，對幾種鋁單線強度下壓接保留率進行計算，結(jié)果見表3。從表3可以看出，盡管單線強度變化范圍較大，但金具壓接保留率在88.0%～90.3%范圍內(nèi)，可見單線強度對金具壓接保留率影響不大，壓接保留率由導(dǎo)線結(jié)構(gòu)決定。

表3 JL/G3A－900/40－72/7導(dǎo)線配套金具壓接保留率試驗結(jié)果Tab.3 Test results of crimping retention rate of fittings for JL/G3A－900/40－72/7

若導(dǎo)線的強度僅達到技術(shù)條件的最低要求值，即鋁單線絞后平均強度為157 MPa，鋼芯1%伸長應(yīng)力為1 410 MPa，則其累加拉斷力為196.2 kN，金具壓接后握力為176.0 kN，小于193.2 kN，顯然不能滿足金具握力要求。由于4層鋁股結(jié)構(gòu)的大截面導(dǎo)線壓接損失大，若單線強度仍與3層鋁股結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線相當(dāng)，則耐張線夾對導(dǎo)線的握力難以達到95%RTS。如果仍按國標(biāo)計算RTS，為了滿足文獻［3］要求和工程需要，建議對4層鋁股結(jié)構(gòu)的大截面導(dǎo)線的單線強度適當(dāng)上調(diào)。假設(shè)導(dǎo)線絞后鋁單線平均強度為172 MPa(高出要求值15 MPa)，鍍鋅鋼線1%伸長應(yīng)力為1 550 MPa(高出要求值140 MPa，根據(jù)導(dǎo)線型式試驗統(tǒng)計結(jié)果，一般都不低于該值)，則其累加拉斷力為216.8 kN，對應(yīng)金具握力為193 kN，滿足金具握力要求。因此要求絞后鋁單線平均強度不小于172 MPa，可以保證握力試驗結(jié)果大于193 kN。

4 JL/G3A-900/75-84/7的壓接保留率

文獻［6］要求JL/G2A－900/75－84/7(鋁鋼截面比為12)的鋁單線絞前平均抗拉強度不低于165 MPa，84股的不均勻值不大于25 MPa，鋼線1%伸長應(yīng)力不低于1 170 MPa，耐張線夾對JL/G2A－900/75－84/7導(dǎo)線的握力應(yīng)不低于224.0 kN(95% RTS)。對JL/G2A－900/75－84/7進行了2個樣品的耐張線夾和接續(xù)金具握力試驗，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，盡管上述2個導(dǎo)線樣品的絞后鋁單線平均強度和鋼線1%伸長應(yīng)力差異較大，但壓接保留率差異不大，約為91.5%。若導(dǎo)線的強度僅達到技術(shù)條件最低要求值，即鋁單線絞后平均強度為157 MPa，鋼芯1%伸長應(yīng)力為1 170 MPa，則其累加拉斷力為229.1 kN，金具壓接后握力為209.6 kN，小于224.0 kN，顯然不能滿足金具握力要求。因此必須適當(dāng)提高單線的強度。

表4 JL/G3A－900/75－84/7導(dǎo)線配套金具壓接保留率試驗結(jié)果Tab.4 Test results of crimping retention rate of fittings for JL/G3A－900/75－84/7

假設(shè)導(dǎo)線絞后鋁單線平均強度為172 MPa(高出要求值 15 MPa)，鍍鋅鋼線 1%伸長應(yīng)力為1 300 MPa(高于要求值130 MPa，根據(jù)導(dǎo)線型式試驗統(tǒng)計結(jié)果，一般都不低于該值)，則其累加拉斷力為251.8 kN，金具握力為230.4 kN，大于224.0 kN，滿足金具握力要求。

試驗結(jié)果表明，JL/G2A－900/75－84/7雖然也是4層鋁股，但由于其鋁鋼截面比為12，與ACSR－720/50的相近，所以其壓接保留率約為91.5%，也與ACSR－720/50的相近。

5 提高導(dǎo)線鋁單線強度的影響

5.1 提高后的鋁單線導(dǎo)線鋁單線強度

當(dāng)鋁單線絞后平均強度提高后，鋁單線強度的其他指標(biāo)也需要作相應(yīng)調(diào)整:絞前最小值≥176 MPa;絞前平均值≥181 MPa;絞后最小值≥167 MPa;絞后平均值≥172 MPa;均勻性≥25 MPa。其余性能仍遵照文獻［8］的要求。由于鍍鋅鋼線強度在導(dǎo)線拉斷力中的比例相對較小，且鍍鋅鋼線的強度通常都能高出要求值較多，因此對鍍鋅鋼線的強度不做調(diào)整。

5.2 不同強度鋁單線的金相組織

金相組織是反映金屬金相的具體形態(tài)。利用金相可以研究外界條件或內(nèi)在因素改變對金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。外部條件就是指溫度、加工變形、澆注情況等;內(nèi)在因素主要指金屬或合金的化學(xué)成分［9］。為了研究鋁單線強度變化對鋁單線金相組織的影響，中國電力科學(xué)研究院委托國家有色金屬及電子材料分析測試中心對5組規(guī)格為φ4.21 mm的鋁單絲樣品進行了金相組織分析。樣品編號1～6的強度分別為175、180、185、190、195 MPa，這5組樣品的金相照片如圖3所示。

圖3 試樣金相照片F(xiàn)ig.3 Metallurgical structure picture of samples

分析金相照片可見，1～5號鋁單絲樣品在橫向的晶粒呈現(xiàn)逐漸細化的趨勢，縱向加工流線清晰可見，呈現(xiàn)逐漸密集的趨勢，這是由于加工變形量差異造成，變形量愈大、晶粒橫斷面愈小、縱向的流線越密集。

上述現(xiàn)象與各個試樣的抗拉強度的變化趨勢一致。1～5號鋁單線樣品的強度呈上升趨勢，但金相組織沒有顯著差異。

5.3 對電阻的影響

JL/G3A－900/40－72/7的電阻應(yīng)不大于0.031 9 Ω/km，共有30個導(dǎo)線制造廠家完成型式試驗，鋁單線絞后平均抗拉強度為175～195 MPa的占到樣本總數(shù)的93%。JL/G2A－900/75－84/7的電阻應(yīng)不大于0.032 Ω/km，共有14個導(dǎo)線制造廠家完成型式試驗，鋁單線絞后平均抗拉強度為175～195 MPa的占到樣本總數(shù)的86%。導(dǎo)線20℃直流電阻平均值與鋁單線強度的對應(yīng)關(guān)系見表5～6［10］。

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由于175 MPa以下和196 MPa以上的樣本較少，可以忽略，對比鋁單線絞后平均抗拉強度在175～184 MPa與185～195 MPa之間的導(dǎo)線20℃直流電阻平均值可見，導(dǎo)線電阻隨著鋁單線強度增加而增加。但大量的試驗表明，上述所有導(dǎo)線的20℃直流電阻滿足技術(shù)條件中的相關(guān)要求，可見鋁單線強度提高未產(chǎn)生不利影響。

5.4 對脆性的影響

鋁單線絞后平均抗拉強度提高到172 MPa后，大量的試驗表明其脆性(卷繞試驗)和疲勞性能(振動疲勞試驗)能夠滿足相關(guān)要求。

5.5 對施工的影響

參加展放試驗的8個廠家的鋁單線絞后平均抗拉強度全部達到172 MPa以上，其中有6家達到185 MPa以上。展放前導(dǎo)線結(jié)構(gòu)緊密、表面無劃痕。在展放過程中和展放后導(dǎo)線均未出現(xiàn)因質(zhì)量問題出現(xiàn)松股、跳股、翻股現(xiàn)象。因此鋁單線絞后平均抗拉強度達到172 MPa以上不會造成施工時的斷股現(xiàn)象，可以滿足放線施工要求。

5.6 小結(jié)

定性分析認為提高導(dǎo)線鋁單線絞后平均抗拉強度可能帶來一些負面影響，諸如電阻率增高、單線脆性增加。電阻率提高可能帶來的負面影響是鋁單線的電阻率不超過61.5%IACS;單線脆性增加，可能造成施工放線時發(fā)生斷股或易于引起導(dǎo)線在運行時發(fā)生疲勞斷股。為了工程運行安全，必須避免產(chǎn)生上述不利影響。

本文從金相組織、電阻統(tǒng)計、鋁單線的卷繞試驗等進行定量分析，結(jié)果表明鋁單線的絞后抗拉強度平均值提高到172 MPa，其電阻、脆性仍滿足文獻［3］的要求。

6 結(jié)論

(1)900 mm2導(dǎo)線配套的耐張線夾和接續(xù)金具設(shè)計滿足要求，金具的握力與導(dǎo)線的強度密切相關(guān)。

(2)對于900 mm2大截面導(dǎo)線，JL/G3A－900/40－72/7鋁鋼比大于JL/G2A－900/75－84/7，壓接引起的強度損失也較大。

(3)對于鋁鋼比相近的導(dǎo)線，盡管鋁股層數(shù)不同、截面不同，但其壓接保留率近似。

(4)為確保配套的耐張線夾和接續(xù)金具握力能滿足要求，須對導(dǎo)線的鋁單線強度提出要求:鋁單線絞后抗拉強度平均值不小于172 MPa，最小值不小于167 MPa，分散性不大于25 MPa。絞前抗拉強度等也要作相應(yīng)提高。

(5)鋁單線絞后平均強度提高后的導(dǎo)線樣品的金相組織不發(fā)生本質(zhì)改變。

(6)導(dǎo)線鋁單線絞后平均強度從157 MPa提高到172 MPa后，對單線的電阻和脆性不會帶來大的改變。

(7)現(xiàn)場展放試驗表明，鋁單線絞后平均抗拉強度達到172MPa以上不會造成施工時的斷股現(xiàn)象，可以滿足張力放線施工要求。

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［2］萬建成，余軍，尋凱，等.900 mm2大截面導(dǎo)線在特高壓直流工程中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(15):60-65.

［3］GB/T2314—2008電力金具通用技術(shù)條件［S］.北京:中國標(biāo)準出版社，2008.

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［8］李學(xué)朝.鋁合金材料組織與金相圖譜［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2011:50-61.

［9］萬建成.900 mm2大截面導(dǎo)線在特高壓直流工程中的應(yīng)用研究報告［R］.北京:中國電力科學(xué)研究院，2009.