鋼芯鋁絞線低溫機械性能的試驗研究

劉 洋，朱學(xué)成，李 童，魏春明

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

隨著電力輸送容量和輸送距離的迅速增長，大容量、遠(yuǎn)距離的輸電線路陸續(xù)投入運行，對線路安全性的要求越來越高。其中，架空導(dǎo)線的機械性能是一個重要的性能指標(biāo)［1］。

架空導(dǎo)線長期處于戶外露天環(huán)境下，在不同的溫度下機械性能會發(fā)生變化。此外，線路在運行中還存在微風(fēng)振動、線路舞動及覆冰等復(fù)雜的工況［2－4］。而且導(dǎo)線舞動及線路斷線、倒塔、串倒等事故都與導(dǎo)線的機械性能密切相關(guān)［5］。在東北和西北等地區(qū)，四季溫差較大，導(dǎo)線的工作環(huán)境尤為惡劣。為保障輸電線路的安全可靠運行，開展低溫條件下導(dǎo)的機械性能研究非常必要。基于此，本文采用對單鋼線進(jìn)行拉斷力試驗、對單鋁線進(jìn)行扭轉(zhuǎn)卷繞試驗的方法，對架空線路的鋼芯鋁絞線低溫機械特性進(jìn)行了研究。

1 研究方法

鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線等導(dǎo)線在正常運行中主要由鋼芯承擔(dān)縱向拉力，導(dǎo)線的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1所示，其中，o、c、e為鋼芯的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，o、b、d 為鋁線的應(yīng)力 － 應(yīng)變曲線［3］。

圖1 鋼芯、鋁線應(yīng)力－應(yīng)變圖Fig.1 Steel core，aluminum wire stress strain diagram

從圖1可以看出，在縱向拉力的作用下，若發(fā)生斷線，鋁線先于鋼線斷裂，因此，鋼芯低溫下縱向拉力的研究對低溫下斷線、倒塔和串倒等［3－5］問題的分析具有參考意義;鋁線低溫下切向機械性能的研究對低溫下導(dǎo)線微風(fēng)振動斷股(小荷載)和覆冰斷股(大荷載)的分析具有參考意義。

不同規(guī)格的鋼芯絞線由根數(shù)的不同鋁線(鋁合金導(dǎo)線)和鋼線分層絞合而成，同種線徑的單鋁線和單鋼線由于根數(shù)的不同可以組成不同型號的導(dǎo)線，例如直徑同為2.72 mm的單鋁線和單鋼線，6鋁/1鋼組成標(biāo)稱截面為35/6 mm2的導(dǎo)線，12鋁/7鋼組成標(biāo)稱截面為70/40 mm2的導(dǎo)線;直徑分別為3.22 mm和2.50 mm的鋁單線和鋼單線，26鋁/7鋼組成標(biāo)稱截面為210/35 mm2的導(dǎo)線，48鋁/7鋼組成標(biāo)稱截面為400/35 mm2的導(dǎo)線［6－10］。依此類推，較少種類的單鋁線和單鋼線可以按根數(shù)的不同組合，絞制成多種型號的鋼芯絞線。

由以上分析可知，可以通過分別研究單鋼線和單鋁線低溫下的機械性能變化，來分析低溫環(huán)境下導(dǎo)線機械性能變化對斷線、斷股等的影響。

2 試驗及結(jié)果分析

選用黑龍江省內(nèi)常用的幾種導(dǎo)線型號為研究對象，如表1所示。試驗用單鋼線及單鋁線尺寸與上述導(dǎo)線相對應(yīng)。分別在 －10～－40℃，每隔10℃測量一組數(shù)據(jù)。

表1 導(dǎo)線型號Tab.1 Wire type

2.1 單鋼線低溫下拉斷試驗

試驗用單鋼線線徑尺寸分別為2.22、2.32、2.50、2.66、2.80 mm。

在外觀檢查合格的每種單鋼線樣品的一端截取12根試樣，每3根分為一組，將單鋼線試樣兩頭用夾具固定牢固后，保證試驗原始標(biāo)距為250 mm。

分別取每種試樣在－10、－20、－30、－40℃下的試驗平均值。5種單鋼線低溫下拉斷力變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著溫度的降低，單鋼線的拉斷力有所增加，5種試樣的變化趨勢總體相同，符合金屬隨著溫度降低材料變脆的現(xiàn)象。為了進(jìn)一步分析鋼絲拉斷力在不同溫度下的差異情況，需求取各種試樣4種溫度下的平均拉斷力，然后再計算不同溫度下拉斷力與平均拉斷力的不一致系數(shù) (不一致系數(shù) =(Ft－ FˉN)/FˉN× 100%)。5種試樣差異曲線如圖3所示。

圖2 單鋼線低溫下拉斷力變化曲線Fig.2 Curve of single steel wire temperature drop off force

圖3 單鋼線不同低溫下拉斷力不一致系數(shù)曲線Fig.3 Different temperature drop off force inconsistent coefficient curve of single steel wire

2.2 絞制前單鋁線低溫下扭轉(zhuǎn)試驗

試驗用絞制前的單鋁線共有4種尺寸，分別為2.98、3.22、3.60、3.99 mm。

分別將每種試樣在－10、－20、－30、－40℃下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗，扭轉(zhuǎn)速度保持為60 r/min，導(dǎo)線扭斷情況如圖4所示。

圖4 單鋁線扭轉(zhuǎn)斷裂Fig.4 Single aluminum wire torsion fracture

圖5 單鋁線低溫下扭轉(zhuǎn)特性曲線Fig.5 Torsion characteristic curve of single wire under low temperature

4種單鋁線絲在低溫情況下的扭轉(zhuǎn)特性變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，單鋁線的扭轉(zhuǎn)特性隨著溫度的降低而降低，溫度從－10℃降低到－40℃時，直徑為4.00 mm的導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)特性降低11.1%，直徑為3.60 mm的導(dǎo)線降低2.4%，直徑為3.24 mm的導(dǎo)線降低4.3%，直徑為2.98 mm的導(dǎo)線降低8.0%。

2.3 絞制前單鋁線低溫下卷繞試驗

卷繞試驗用單鋁線與扭轉(zhuǎn)試驗用的相同，試驗要求為:在試樣的自由端施加不超過額定拉斷力5%的拉力，卡具頭側(cè)以不超過10 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，緊密卷繞8圈，退繞6圈后，再重新緊密卷繞。在上述過程中，導(dǎo)線沒發(fā)生斷裂，視為合格，卷繞后的試樣如圖6所示。

圖6 卷繞后試樣Fig.6 Single aluminum wire sample after winding

3 結(jié)論

1)單鋼線的拉斷力隨著溫度的降低有所增加;鋁線的扭轉(zhuǎn)性能隨著溫度的下降而降低;它們的卷繞特性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)由于鋁線扭轉(zhuǎn)特性隨著溫度的降低而下降，在低溫氣候下，對大跨越線路及海拔較高的山上架設(shè)的線路，宜加強線路的巡視工作和采取相應(yīng)措施，防止導(dǎo)線斷股，必要時增加導(dǎo)線溫度及微風(fēng)振動等在線監(jiān)測裝置。

3)導(dǎo)線在低溫下抗拉性能有所增加，溫度的降低會引起導(dǎo)線縱向尺寸減小，導(dǎo)致導(dǎo)線縱向張力增大。但兩者綜合作用對導(dǎo)線抗拉強度的影響，還有待進(jìn)一步論證。

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