鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力影響因素研究

王文輝， 王 玉， 康小龍， 周 聰， 蔡炎烽， 尤新祥

（1.江蘇中天科技股份有限公司，南通 226463； 2.中天電力光纜有限公司，南通 226463）

0 引 言

鋁包鋼線是采用雙金屬同步拉拔變形工藝制備的一種復合材料［1］，鋼芯保證線材具有較好的機械性能，而外層包覆的鋁層賦予線材較好的電氣性能［2］。 同時由于鋁層的存在，保證了線材具備較好的耐腐蝕性能［3］。 采用鋁及鋁合金線與鋁包線同步絞合生產(chǎn)的鋁包鋼芯鋁絞線主要應用于架空導線［4］，它廣泛適用于各種電壓等級和防腐要求較高的各類架空輸電線路中，尤其是在沿海地區(qū)、鹽堿灘和三、四級工業(yè)污染區(qū)的輸電線路中應用更為廣泛［5?6］。

對于架空導線而言，拉斷力是保證線路安全運行的關鍵技術指標［7?10］。 而實際生產(chǎn)檢驗及施工驗收時經(jīng)常會遇到拉斷力實測值低于理論設計值的不合格現(xiàn)象，但追溯原材料各項力學性能時均合格，這一問題一直困擾著整個行業(yè)。 本工作針對這一問題進行深入分析，對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響因素進行討論，確定影響鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力實測值的關鍵因素，對鋁包鋼芯鋁絞線的生產(chǎn)、檢驗和驗收提供參考和指導。 以確保鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力能夠滿足國家標準及行業(yè)標準的要求，并預留一定的安全富余度。

1 鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力標準要求及潛在影響因素

以國家標準GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導線》［11］為例，5.7.2 條款規(guī)定：鋁包鋼芯鋁絞線的額定拉斷力（RTS）為鋁或鋁合金部分的拉斷力與對應鋁（鋁合金）部分在斷裂負荷下鋼或鋁包鋼部分伸長時的拉力的總和。 在理論計算時，鋁包鋼線部分對導線拉斷力的貢獻按其1%伸長時的應力來確定（250 mm 標距樣品）。

當鋁或鋁合金單線的絞合層數(shù)為4 層時，導線的額定拉斷力按計算值乘以0.95 來確定。 當導線的任意1 根或多根單線出現(xiàn)斷裂時，其對應的載荷確定為導線的實測拉斷力，但當單線斷裂位置距離端頭小于1 cm 且拉斷力小于額定拉斷力時，可以重新測試。

通過分析標準中對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的計算及測試結(jié)果的判定依據(jù)可知，影響其拉斷力實測值的主要因素包括：單線的抗拉強度、單線的1%伸長的應力、單線的伸長率、配套接續(xù)金具的匹配性等。 本工作結(jié)合實際試驗，從上述3 個方面分析驗證各因素對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響。

2 試驗內(nèi)容及試驗方法

用于分析驗證拉斷力影響因素的鋁包鋼芯鋁絞線規(guī)格選用型號為 JL／LB20?400／35?48／7，由 48 根外徑3.22 mm 的L 型硬鋁線和7 根外徑2.50 mm的20.3%IACS 導電率的鋁包鋼線絞合而成。

各因素對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力影響的分析驗證試驗方案見表1。 由于鋁包鋼線的力學性能與硬鋁線存在顯著差異，僅考慮鋁包鋼線的抗拉強度、伸長率為1%時的應力和伸長率對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響，A、B、C 3 種鋼芯材料可以生產(chǎn)出不同強度等級的鋁包鋼線，相同工藝條件下，使用A、B、C 3 種鋼芯材料所生產(chǎn)的鋁包鋼線強度由高到低的順序為C、B、A。 對上述3 種同規(guī)格的鋁包鋼線分別按不同工藝生產(chǎn)，可以得到6 種具備不同伸長率等級、不同強度等級的鋁包鋼線材，將上述6 種鋁包鋼線與硬鋁線絞合制備6 種導線樣品，編號見表1。

表1 分析拉斷力影響因素的試驗驗證方案

3 結(jié)果與討論

3.1 鋁包鋼單線性能對比

6 種導線樣品分別使用壓接管和預絞絲進行拉斷力測試。

6 種鋁包鋼單線的力學性能平均值見表2。GB／T 17937—2009《電工用鋁包鋼線》中抗拉強度、1%伸長應力、斷時伸長率、斷后伸長率允許的最小值依次為 1 340 MPa，1 200 MPa，1.5%，1.0%。

表2 鋁包鋼單線力學性能平均值

對于導電率為20%IACS 的2.5 mm 外徑鋁包鋼線，標準要求抗拉強度不小于1 340 MPa，1%伸長的應力不小于1 200 MPa［12］。 采用 A 鋼芯材料生產(chǎn)的鋁包鋼線即可滿足標準要求，而采用C 鋼芯材料生產(chǎn)的該規(guī)格鋁包鋼線抗拉強度可達1 703 MPa，其1%伸長的應力值亦同步提高，對鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力貢獻值也同步增加。 采用不同生產(chǎn)工藝，3 種不同鋼芯材料鋁包鋼線的伸長率顯著提高，斷時伸長率及斷后伸長率均可達到2.0% 以上，雖然具備大伸長特性的鋁包鋼線抗拉強度有所下降，但對于B、C 兩種鋼芯材料的大伸長鋁包鋼線，其1%伸長的應力值得到提高。 按國家標準GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導線》規(guī)定的計算方法，1% 伸長的應力值越大，其對鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力貢獻值越大。

3.2 絞合后單線性能對比

按表1 所示的驗證方案生產(chǎn)編號為A?C、A?L、B?C、B?L、C?C、C?L 的鋁包鋼芯鋁絞線（JL／LB20?400／35?48／7）。 對各編號的導線樣品分別拆股，獲得絞合后的鋁包鋼單線樣品，絞后鋁包鋼單線的力學性能測試結(jié)果平均值見表3。 絞合前后力學性能變化對比見圖1、圖2。

表3 鋁包鋼單線絞合后力學性能測試平均值

圖1 絞合前后單線抗拉強度變化

圖2 絞合前后單線1%伸長的應力變化

由圖1 可知：普通伸長率等級的鋁包鋼線在絞合后抗拉強度會出現(xiàn)一定程度的下降，但大伸長率的鋁包鋼線在絞合后抗拉強度基本沒有損失。 由表3 及圖2 可知，絞合后6 種鋁包鋼線的 1% 伸長應力、斷時及斷后伸長率均有不同程度的下降。

3.3 理論拉斷力

JL／LB 20?400／35?48／7 型導線的結(jié)構示意圖見圖 3，其設計拉斷力（RTS） 為 105.7 kN［10］。 拆股后，L 型硬鋁線的絞后抗拉強度為177 MPa，絞合前抗拉強度均值為 185 MPa。 按國家標準 GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導線》規(guī)定的算法，由絞合前單線力學性能計算鋁包鋼芯鋁絞線的標準拉斷力為F標準，由絞合后單線力學性能反向推導的鋁包鋼芯鋁絞線理論拉斷力為F理論（F理論＝絞后鋁包鋼線抗拉強度均值×鋁包鋼線總截面積+絞合硬鋁線抗拉強度均值×硬鋁線總截面積），F(xiàn)理論的計算參考了FARZANEH M 等［13］在其發(fā)表的論文中提及的方法。 基于反向推導的F理論得到拉斷力的理論富余度（η），η的計算方法如下：

圖3 JL／LB20?400／35?48／7 型導線結(jié)構示意圖

F標準、F理論、η三者之間的比較關系見圖 4。

圖4 理論計算拉斷力比較

由圖 4 可知：對于 JL／LB20?400／35?48／7 型鋁包鋼芯鋁絞線的6 種樣品，由絞合前單線的1%的伸長應力值、絞合后單線的抗拉強度推算的拉斷力值均可滿足 GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導線》的要求。 采用不同力學性能的鋁包鋼線生產(chǎn)的導線樣品，按國家標準計算的標準拉斷力F標準相差不大，但由絞合后單線力學性能推算的理論拉斷力F理論相差較大，F(xiàn)理論相對于RTS的理論富余度η隨著鋁包鋼單線的抗拉強度、1%伸長的應力的增加而增加，相同鋼芯材料條件下，伸長率的差異對理論拉斷力F理論影響不大。

3.4 實測拉斷力

JL／LB20?400／35?48／7 型鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力測試時分別采用壓接管和預絞絲兩種類型的配套金具，用以比較配套金具類型對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響。 其中，預絞絲分為二層式和三層式。 配套金具與導線的匹配方式及現(xiàn)場測試裝置見圖5。

圖5 配套金具與導線的匹配方式及現(xiàn)場測試裝置

拉斷力測試結(jié)果合格與否的判斷依據(jù)為：F實測大于RTS（105.7 kN）時，測試結(jié)果合格，否則不合格。 采用拉斷力保留率（γ）來評價配套金具與導線連接方式對拉斷力實測值影響的大小。γ的計算方法見式（2）。γ越大表明因配套金具而導致的拉斷力損耗越小。

3.4.1 基于壓接式金具的拉斷力測試

采用壓接管測試6 種鋁包鋼芯鋁絞線樣品的拉斷力，每種樣品測試6 次，其平均值結(jié)果見表4、圖6。

表4 基于壓接式金具的拉斷力實測值與理論值比較

圖6 基于壓接式金具的拉斷力實測值及拉斷力保留率

由表4 可知：采用壓接管測的拉斷力多數(shù)不合格，只有 B?L 和 C?L 樣品的實測拉斷力合格（F實測＞RTS）。 該兩種樣品均是采用大伸長等級的鋁包鋼線生產(chǎn)，且其單線的抗拉強度均得到了大幅度提升，說明提升鋁包鋼單線的抗拉強度和伸長率有利于提升鋁包鋼芯鋁絞線的實測拉斷力。 這與文獻［14］、文獻［15］的研究結(jié)果一致。

由圖6 可知：基于壓接管的6 種鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力保留率γ在80% ～90%之間。 相同鋼芯材料鋁包鋼單線生產(chǎn)的導線提升其伸長率可以顯著提高拉斷力保留率γ，而其抗拉強度和1%伸長的應力的提高對拉斷力保留率的改善效果較小。

3.4.2 基于預絞絲式金具的拉斷力測試

預絞絲金具最初由美國 PLP 公司發(fā)明［16］。 預絞絲金具的特點是握力均勻，可以避免導線與金具接觸部位產(chǎn)生應力集中［17］。 為驗證預絞絲金具對導線拉斷力測試結(jié)果的影響，分別采用二層式預絞絲和三層式預絞絲金具測試6 種鋁包鋼芯鋁絞線樣品的拉斷力，每種樣品及金具的組合測試6 組，測得的拉斷力平均值見表5、圖7 所示。

表5 基于預絞絲式金具的拉斷力實測值與理論值比較

圖7 基于預絞絲式金具的拉斷力實測值及拉斷力保留率

由表5 可知：采用二層式預絞絲進行拉斷力測試時，測試結(jié)果均不理想，6 種導線樣品的實測拉斷力（圖7 中F實測?二層式預絞絲曲線對應結(jié)果）均小于RTS，拉斷力測試結(jié)果不合格（F實測＜RTS）。 采用三層預絞絲進行拉斷力測試時，6 種導線樣品的拉斷力值均大于RTS（圖7 中F實測?三層預絞絲曲線對應結(jié)果），拉斷力測試結(jié)果合格（F實測＞RTS），且其拉斷力保留率（圖7 中拉斷力保留率γ?3 層式預絞絲對應結(jié)果）均大于90%。

由圖7 可知：在導線絞合用鋁包鋼單線鋼芯材料相同、預絞絲相同的條件下，具備大伸長鋁包鋼單線的導線樣品，拉斷力測試時其拉斷力保留率γ值更大。

3.4.3 金具對拉斷力測試結(jié)果的影響

文獻［18］的研究結(jié)果指出，采用不同廠家同一規(guī)格壓接金具測試 JL／LB20A?400／35 型導線拉斷力時，其測試結(jié)果存在較大差異。 即使采用同一廠家同一規(guī)格的壓接金具，因壓接工藝的差異也會導致拉斷力測試結(jié)果的大幅度波動。 結(jié)果表明：金具與導線的配合會顯著影響導線拉斷力的實測值。 本工作分別選用壓接管和預絞絲兩種金具進行了鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力測試，測試結(jié)果表明配套金具的種類會顯著影響導線拉斷力的實測值。

采用壓接式金具測試導線拉斷力時，部分種類導線樣品實測拉斷力小于RTS，即前面所提及的、困擾行業(yè)的難題。 由圖6 的結(jié)果表明，僅提高鋁包鋼單線的抗拉強度或伸長率不足以解決拉斷力小于RTS這一問題，而同步提升鋁包鋼單線的伸長率及抗拉強度使得實測拉斷力小于RTS這一問題得到改善。

采用三層式預絞絲測試導線拉斷力時所有樣品的實測拉斷力均大于RTS，滿足GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導線》要求。 說明除鋁包鋼單線性能外，拉斷力測試時，配套金具的選擇同樣影響拉斷力的測試結(jié)果。 三層式預絞絲金具與鋁包鋼芯鋁絞線的配合更好，更能發(fā)揮其本身的抗拉水平。

4 結(jié) 論

本工作結(jié)合標準規(guī)定的拉斷力計算方法和實際測試驗證分析，研究了鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響因素，并得出了如下結(jié)論：

（1）鋁包鋼單線的抗拉強度和伸長率均會影響鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力實測值，但鋁包鋼單線伸長率的影響更大，提高鋁包鋼單線伸長率可以提升拉斷力保留率。

（2）采用壓接管金屬拉斷力測試時，需要同步提高鋁包鋼單線的抗拉強度和伸長率才能確保拉斷力實測值大于RTS。

（3）配套金具的選擇顯著影響拉斷力的測試結(jié)果，本工作采用三層預絞絲進行拉斷力測試時，可以獲得較高的拉斷力保留率（γ＞90%），測得的拉斷力較高，因此，可以保證各類樣品的拉斷力實測值均大于RTS。