架空导线的绞合节距和弯曲半径探讨

2011-03-26张光武王国忠龚欣明

电线电缆 2011年3期

张光武，王国忠，龚欣明

(1.浙江省质量技术监督检测研究院，浙江杭州310013;2.江苏通光强能输电线科技有限公司，江苏海门226100;3.远东电缆有限公司，江苏宜兴214157)

0 引言

GB/T 1179—2008《圆线同心绞架空导线》和GB/T 20141—2006/IEC 62219:2002《型线同心绞架空导线》中对各种类型的架空导线的节径比规定了范围，节径比是偏大好，还是偏小好?在这两个标准中，没有像 GB/T 12706《额定电压1kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件》对电缆安装时的最小允许弯曲半径规定那样，对架空导线的最小弯曲半径加以规定。国外一些架空导线标准，对导线的最小弯曲半径也未作规定。在中华人民共和国电力行业标准DL/T 832—2003《光纤复合架空地线》第10.1.2条中规定:“缆盘的筒体直径应不小于OPGW外径的25倍”;在第12条中规定:“安装架设时放线导轮直径不得小于OPGW直径的40倍，且最小直径不得小于600mm”。也即规定OPGW的静态弯曲半径应不小于OPGW外径的12.5倍;动态允许弯曲半径不得小于OPGW外径的20倍，且最小弯曲半径不得小于300mm。《电线电缆手册》第1册第114页中对裸电线及裸导体制品用包装规定:“线盘的筒径D2应至少30倍于导线直径。对单层铝线的导线，此倍数应适当大些。”架空导线的最小弯曲半径究竟多少合适?本文就架空导线的绞合节距最佳值和弯曲半径进行探讨。

1 分析和计算

1.1 绞合时单线的弯曲

架空导线在绞合时，单线以螺旋形围绕在基圆上，会产生弯曲和扭转。因为基圆相当于一个圆柱体，表面处处都形成弧形，单线绞合时也就随处都在弯曲。但单线在绞合过程中围绕自身轴线产生的扭转变形，不像弯曲变形那样容易看出。架空导线生产方法有“无退扭”和“退扭”两种。这两种方法绞合时，单线扭转情况不同，单线变形因而有所差异。在无退扭的绞合中，由于单线在一个节距中的自身扭转近于一周，因此，与基圆柱面接触的单线纵向表面，几乎永久与柱面接触，并在一个长度上受到压缩;而单线外缘的纵向表面，几乎永久处在绞线外缘，同时在整个长度上受到拉伸。但在采用有退扭绞合时，单线任一纵向上的表面，在一个绞合节距中基本保持原有的方位。因而，单线的某一纵向表面是按一定规律、周期性地变化着它与基圆柱面接触的位置:如果开始时是与柱面接触，在半个节距处就背离柱面，恰好处在绞线的外缘表面，单线某一纵向表面就周期性地承受压缩和拉伸。这种压缩和拉伸的交替使单线产生的内应力要比无退扭绞合的小。由于国网公司在大截面导线技术要求中明确规定了无退扭绞的630及以上的框绞机生产，且无退扭方式的生产效率高，现在导线工厂几乎全部采用无退扭绞方式生产。本文也以无退扭方式生产的导线来研究单线的弯曲变形。

绞合中单线的弯曲变形如同圆柱上螺旋线的变形，单线轴线即为空间螺旋线，单线所在绞层的节圆即为螺旋线围绕的圆柱面。

按数学概念，螺旋线的弯曲程度以曲率或曲率半径(又称弯曲半径)表示，两者互为倒数。曲率愈大，弯曲程度愈大，曲率半径愈小。

单线绞合时的弯曲半径ρ为:

式中，h为螺旋节距，即绞合节距;R0为螺旋线半径，即基圆中心到绞合单线中心(轴线)的距离。

为了说明问题，本文以GB 1179—1983标准的LGJ-10/2、LGJ-70/10两个规格来计算，说明单线弯曲变形量的大小与单线的直径、绞线的节距大小的关系。这两个规格的导线结构为中心1根钢线，外面绞合6根铝线，如图1所示。图中，D为钢丝直径，d为外层铝线直径。线径参数见表1。铝线轴线、最外侧的螺旋线半径分别用R0轴和R0外表示。

图1 1+6钢芯铝铰线结构示意图

根据标准规定，铝芯外层绞合节径比应为10～1 4。h分别取10.5倍、13倍绞合外径，同时，将(2)、式(3)分别代入式(1)，求得铝线轴线、最外侧的螺旋线的弯曲半径，分别用ρ轴、ρ外表示，见表1、表2。从表1和表2可以看出，铝线外侧的弯曲半径明显比轴线的弯曲半径小，即曲率大;节径比大时，弯曲半径大，即曲率小。以外侧的弯曲半径、轴线的弯曲半径所在平面作图，如图2。

图2 铝线轴线、外侧弯曲半径

利用余弦定律，求得铝线轴线、外侧圆弧线相交点相对应的圆心角 α外、α轴，如表1、2所示(表中角度用弧度表示)。铝线外侧弯曲弧长相对于轴线弯曲弧长的伸长率用σ表示。

由于弧长 =中心角×圆弧半径，则式(4)可变为:

表1 绞合节径比为10.5计算得到的参数

各参数代入式(5)，计算得两种规格的钢芯铝绞线分别在节径比为10.5、13时，铝线最外侧的弯曲弧长相对于铝线轴线的弯曲弧长的伸长率如表1、表2所示。由表1、表2可以看出，同种导线结构时，相对伸长率与单线线径大小无关;节径比越小，相对伸长率也越大。在节径比为10.5时，铝线最外侧的弯曲弧长相对于轴线的弯曲弧长伸长率达到了1.5627%，硬铝单线的断裂伸长率一般为1.6%，这时，对于这种结构的导线，尽管不至于使铝单线断裂，但个别薄弱处会使单线表面产生微裂纹。如果单线是铝包钢线，这么小的节径比可能造成这种结构导线的表面铝层开裂。

在实际生产中，由于考虑到用料少、电阻小、生产率高等因数，1+6结构的导线节径比都大于11，不存在这种极限的情况发生。只是在导线用户规定的技术协议中偶尔会出现节径比偏小的现象。为此，导线厂家应以解释说明。在多层绞线结构中，节径比小时，单线的弯曲变形没有这么显著，不至于造成单线的损伤。

表2 绞合节径比为13计算得到的参数

1.2 盘具的筒径大小对导线的弯曲变形

设导线的直径为d，盘具的筒体直径为D，导线第一层装于盘具的示意图如图3所示。

3 导线第一层装于盘具的示意图

导线的紧挨盘具筒体的第一层导线外缘线与导线的轴心线相比，伸长率为

分别取盘具筒体直径为导线直径的30倍、20倍，即 D分别为30 d、20 d，得 ε分别为 1.03%、1.52%。由于绞合后铝单线呈螺旋状，并且单线间有一定的间隙，根据经验，导线缠绕在盘具上后，导线外缘纵向比导线的轴心线伸长只要不大于1.5%，即只要盘具筒体直径大于导线直径的20倍时，对铝单线的变形应该是没有影响的。当然，盘具筒体直径大，对缠绕的绞合导线结构影响就小，所以盘具筒体直径以不小于导线直径的30倍为宜。

2 建议

通过分析和计算，对架空导线的节径比和弯曲半径建议如下:

(1)绞合节径比:导线节径比应符合GB 1179—2008要求，参照美国标准 ASTM B 232-01 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum Conductors，Coated-Steel Reinforced(ACSR)(钢芯铝绞线)和ASTM B416—98 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum-Clad Steel Conductors(铝包钢丝同心绞线)，应采用优选节径比，见表3。在DL/T 832—2003《光纤复合架空地线》应补充:钢及铝包钢线绞制的OPGW外层节径比取10 ～16，优选节径比为13.5。

表3 导线绞合节径比

(2)架空导线的弯曲半径:对于普通导线，应不小于导线直径的15倍;对于特种导线、铝包钢绞线或OPGW，不宜小于导线直径的20倍，且最小弯曲半径不小于300mm。导线用盘具筒体直径应考虑导线允许最小弯曲半径的要求。普通导线用盘具筒体直径以不小于导线直径的30倍、特种导线用盘具筒径以不小于导线直径的35倍为宜。