鋁-鎂-硅系合金絞線技術(shù)指標(biāo)分析

彭旺全，單風(fēng)娥，彭旺根，楊 浩

(1.河南華星電線電纜有限公司，河南 鞏義 451252；2.安慶皖江中等專業(yè)學(xué)校，安徽 安慶 246200)

0 引 言

目前在GB/T 1179—2017《圓線同心絞架空導(dǎo)線》[1]產(chǎn)品中鋼芯鋁絞線(ACSR)使用量最大，但隨著技術(shù)進(jìn)步及電力行業(yè)發(fā)展的需求，早在1950年代開始，日本和美國的圓線同心絞架空導(dǎo)線50%以上采用鋁-鎂-硅系合金絞線，法國高達(dá)80%以上。中國1960年初開始研制鋁-鎂-硅系合金絞線，初期曾在部分地區(qū)進(jìn)行小批量試用。由于當(dāng)時(shí)設(shè)備的制約，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致在試用期間發(fā)生斷股現(xiàn)象，使該產(chǎn)品在國內(nèi)市場受到嚴(yán)重影響。1990年以后，隨著中國工業(yè)化水平提高，鋁-鎂-硅系合金絞線的生產(chǎn)工藝的完善提高及設(shè)備的革新，中國產(chǎn)品質(zhì)量有質(zhì)的飛躍，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超越相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，并大量出口，為中國大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。鋁-鎂-硅系合金導(dǎo)線主要產(chǎn)品有全鋁合金絞線(AAAC)、鋁合金芯鋁絞線(ACAR)、鋼芯鋁合金絞線(AACSR)等。

基于鋁-鎂-硅系合金單線及全鋁合金絞線產(chǎn)品在國內(nèi)和國外常見標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析研究，將絞線的技術(shù)指標(biāo)公式化。

1 應(yīng)用市場前景

鋁-鎂-硅系合金絞線與鋼芯鋁絞線相比，其具有如下特點(diǎn)：其抗拉強(qiáng)度大、弧重性能好、表面硬度高、耐磨耐壓、施工敷設(shè)簡單易行，且無鋼芯，裸導(dǎo)線在交流電壓下，無磁滯和渦流損耗，無材料之間的電化學(xué)腐蝕，可以大大延長導(dǎo)線使用壽命。故使用合金絞線降耗明顯，不僅滿足工程使用要求，還能達(dá)到節(jié)能、降耗、環(huán)保的目的，而且具有明顯經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?？偠灾?，鋁-鎂-硅系合金絞線是鋼芯鋁絞線完美的替代品，技術(shù)經(jīng)濟(jì)具有較大優(yōu)勢。目前鋁-鎂-硅系合金絞線大量用于線路改造和新建的城區(qū)線路，市場前景較好。

2 鋁-鎂-硅系合金圓線性能分析

1921年開始，各國開始研制高強(qiáng)度鋁合金圓線，相續(xù)出現(xiàn)不同的合金牌號(hào)，但總體來說，這些高強(qiáng)度鋁合金圓線其化學(xué)成分均屬于可人工時(shí)效處理的鋁-鎂-硅系列合金，即其牌號(hào)為6201和6101,其化學(xué)成分詳見表1。各國標(biāo)準(zhǔn)對鋁-鎂-硅系合金的要求雖有差異，但基本一致，其技術(shù)指標(biāo)與IEC 60104：1987《Al-Mg-Si alloy wire for overhead line conductors》[2]大同小異。中國早期鋁-鎂-硅系合金的標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8134—1997《架空絞線用鋁-鎂-硅系合金圓線》，2009年3月19日發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23308—2009《架空絞線用鋁-鎂-硅系合金圓線》[3]，其性能詳見表2。2014年10月15日國家能源局發(fā)布NB/T 42042—2014《架空絞線用中強(qiáng)度鋁合金線》[4]，其性能詳見表3。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定標(biāo)準(zhǔn)ASTM B398/B398M-15《Specification for Aluminum-Alloy 6201-T81 and 6201-T83 Wire for Electrical Purposes》[5]，其性能詳見表4。6系鋁合金中，以鎂和硅為主，鎂和硅在鋁中形成Mg2Si強(qiáng)化相，其溶解度隨溫度的增加而變化。目前，6201和6101鋁合金桿拉成鋁-鎂-硅系合金圓線均需要人工時(shí)效處理，其人工時(shí)效處理溫度一般控制在160±10 ℃，時(shí)間在6～10 h，其機(jī)械性能和電性能可滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 鋁合金圓線化學(xué)成分

表2 GB/T 23308—2009中規(guī)定鋁合金圓線性能指標(biāo)

表3 NB/T 42042—2014中規(guī)定中強(qiáng)度鋁合金圓線性能指標(biāo)

表4 ASTM B398/B398M-15中規(guī)定鋁合金圓線性能指標(biāo)

3 鋁-鎂-硅系合金絞線技術(shù)指標(biāo)

鋁-鎂-硅系合金絞線相對鋼芯鋁絞線載流量在《全鋁合金絞線與鋼芯鋁絞線載流能力研究》[6]中已給出明確分析。2017年11月1日國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布GB/T 1179—2017《圓線同心絞架空導(dǎo)線》，及美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定標(biāo)準(zhǔn)ASTM B399/B399M-04(2015)《Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum-Alloy 6201-T81 Conductors》[7]，鋁合金絞線部分技術(shù)指標(biāo)以25 mm2為例，其技術(shù)指標(biāo)詳見表5。

表5 鋁合金絞線部分技術(shù)指標(biāo)

4 鋁合金絞線技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算方法

4.1 導(dǎo)線額定拉斷力

在GB/T 1179—2017中明確規(guī)定導(dǎo)線額定拉斷力(RTS)為所有鋁合金單線最小拉斷力之和；對單線根數(shù)為91根及以上的導(dǎo)線額定拉斷力(RTS)為所有鋁合金單線最小拉斷力之和的95%，詳見式(1)。ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規(guī)定導(dǎo)線額定拉斷力(RTS)為所有鋁合金單線最小拉斷力之和乘以額定系數(shù)，詳見計(jì)算式(1)。

(1)

式中：RTS為鋁合金絞線額定拉斷力，kN；d為鋁合金單線直徑，mm；n為鋁合金單線根數(shù)，根；m為鋁合金單線最小抗拉強(qiáng)度，MPa；k為鋁合金絞線額定系數(shù)，詳見表6。

將表5中鋁合金單線直徑、單線根數(shù)、單線最小抗拉強(qiáng)度及表6鋁合金絞線額定系數(shù)的數(shù)據(jù)代入計(jì)算式(1)，可得出表5中鋁合金絞線額定拉斷力。

表6 鋁合金絞線額定系數(shù)

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規(guī)定，進(jìn)行導(dǎo)線額定拉斷力試驗(yàn)，導(dǎo)線應(yīng)承受不小于RTS的95%，且任一單線均不應(yīng)斷裂；絞后單線抗拉強(qiáng)度均不得小于絞前最小抗拉強(qiáng)度的95%。

4.2 線密度—單位長度質(zhì)量

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規(guī)定，單位長度質(zhì)量計(jì)算方案詳見計(jì)算式(2)，即：

W=d2×n×0.785 4×ρ×K

(2)

式中：W為鋁合金絞線單位長度質(zhì)量，kg/km；d為鋁合金單線直徑，mm；n為鋁合金單線根數(shù)，根；ρ為鋁合金圓線密度，詳見表2至表4，g/cm3；K為鋁合金絞線絞制增量，詳見表7。

表7 鋁合金絞線絞制增量

將表5中鋁合金單線直徑、單線根數(shù)、密度(詳見表2至表4)及表7鋁合金絞線絞制增量的數(shù)據(jù)代入式(2)，可得出表5中鋁合金絞線單位長度質(zhì)量。

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規(guī)定線密度，單位長度質(zhì)量公差為標(biāo)稱值的±2%。

4.3 直流電阻

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規(guī)定20 ℃時(shí)直流電阻計(jì)算方案詳見計(jì)算式(3)，即：

(3)

式中：R20為鋁合金絞線20 ℃時(shí)最大直流電阻，Ω/km；d為鋁合金單線直徑，mm；n為鋁合金單線根數(shù)，根；ρ20為鋁合金單線電阻率，Ω·mm2/m，詳見表5；K為鋁合金絞線絞制增量，詳見其表7。

將表5中鋁合金單線直徑、單線根數(shù)、單線電阻率及表7鋁合金絞線絞制增量的數(shù)據(jù)代入式(3)，可得出表5中鋁合金絞線20 ℃時(shí)最大直流電阻。

5 標(biāo)準(zhǔn)對比

上述計(jì)算式的核算結(jié)果均與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中鋁-鎂-硅系合金絞線的技術(shù)指標(biāo)相同，此計(jì)算式是正確有效的。通過上述鋁-鎂-硅系合金絞線技術(shù)指標(biāo)及其計(jì)算公對比分析研究，GB/T 1179—2017與ASTM B399/B399M-04(2015)的差異如下。

5.1 國標(biāo)與美標(biāo)的鋁-鎂-硅系合金絞線技術(shù)指標(biāo)差異

1)鋁-鎂-硅系合金絞線直流電阻：19根及以下的美標(biāo)大于國標(biāo)的要求，其他根數(shù)則反之；

2)鋁-鎂-硅系合金絞線線密度：7根及以下的美標(biāo)大于國標(biāo)的要求，其他根數(shù)則反之；

3)鋁-鎂-硅系合金絞線額定拉斷力：相同電阻率材料，國標(biāo)高于美標(biāo)的要求.

5.2 國標(biāo)與美標(biāo)的鋁-鎂-硅系合金圓線技術(shù)指標(biāo)差異

1)密度：差異較小，國標(biāo)大于美標(biāo)的要求；

2)電阻率：差異較小，相同導(dǎo)電率的材料電阻率國標(biāo)小于美標(biāo)的要求，國標(biāo)更好，分類更加細(xì)化；

3)物理性能：52.5%IACS導(dǎo)電率的單絲的直徑不大于3.25 mm時(shí)，美標(biāo)高于國標(biāo)的要求；其直徑大于3.25 mm且不大于3.50 mm時(shí)，美標(biāo)低于國標(biāo)的要求；其他直徑要求一致；其他國標(biāo)的電阻率的機(jī)械性能分類更加細(xì)化。

6 結(jié) 語

根據(jù)鋁-鎂-硅系合金絞線的單線機(jī)械物理性能技術(shù)指標(biāo)，選用合金桿原材料均考慮絞線的單線直徑，6201-T81、LHA1和LHA2型號(hào)建議選用的是6201牌號(hào)鋁-鎂-硅系合金桿；6201-T83、LHA3和LHA4型號(hào)建議選用的是6101牌號(hào)鋁-鎂-硅系合金桿。美標(biāo)ASTM B398/B398M-15中6201-T83性能高于中國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 42042—2014中LHA3的要求，兩者存在一定差距。但河南華星電線電纜有限公司通過合理選材和人工時(shí)效處理，單線性能指標(biāo)均滿足6201-T83和LHA3的要求，已得到國內(nèi)外市場認(rèn)可。