金具对大截面导线握力的影响因素

2012-03-28万建成刘胜春刘臻孙宝东牛海军

电力建设 2012年6期

万建成，刘胜春，刘臻，孙宝东，牛海军

(中国电力科学研究院，北京市，102401)

0 引言

应用大截面导线从而降低电流密度，是长距离、大容量输电线路节能降耗的有效手段［1］，因此锦屏—苏南±800 kV特高压直流线路工程中在平地、丘陵、10 mm及以下冰区采用了JL/G3A－900/40－72/7型导线;在山地、高山大岭、15～20 mm冰区采用了JL/ G2A－900/75－84/7型导线［2］。特高压直流线路的平均耐张段长度约为4 km，而导线盘长为2.5或2.9 km，因此需要对导线在放线前采取中间接续;紧线后，需要通过耐张线夹将导线与耐张塔的绝缘子金具串相连;因此，保证导线与接续金具和耐张线夹的足够握力对于工程安全运行至关重要。锦屏—苏南±800 kV特高压直流线路采用液压式接续金具和耐张线夹，为保障线路安全，文献［3－4］中规定此类金具对导线的握力不小于95%RTS。在此之前的国内输电线路中，使用的钢芯铝绞线的铝股最多为3层，最大导电截面为720 mm2(ACSR－720/50)，而JL/G3A－900/40－72/ 7、JL/G2A－900/75－84/7型大截面钢芯铝绞线是4层铝股结构，导线结构复杂，因此本文将重点研究导线的铝股层数、铝钢比和单线强度对液压式接续金具及耐张线夹握力所产生的影响。

1 压接损失和压接保留导线率

导线不仅是电流的载体，还是承力的载体，从线路安全的角度来看，后者更为重要。因此必须对导线的额定拉断力进行考核，判据设定应合理。考虑到单线强度和人工制作导线终端夹头，因此文献［4］中规定，当承受不小于95%RTS时，任一单线均不应断裂。

对导线进行拉断力试验前，导线的端部应进行加工以便于与拉力机的夹持部位连接。多年实践证明，合理的导线端部形式有锚头式与压接式，锚头式终端是将导线端部与树脂或低熔点合金浇铸为一体，压接式终端是将导线端部与耐张线夹压接成一体。

进行导线拉断力试验的步骤如下:将一定长度的某段导线样品与卧式拉力机的夹持部位相连，按文献［4］中试验速度将导线样品拉断并记录该值，此值为实测的绞线拉断力。

为比较2种导线终端夹头对绞线拉断力的影响，将JL/G1A－630/45(铝钢截面比为14)的大量试验数据进行总结，以导线额定拉断力为基准，将压接与锚头握力试验数据与之进行对比，结果见表1。

表1中的数据表明，实测的绞线拉断力小于单线拉断力之和，即压接式与锚头式终端夹头都会降低导线拉断力。但这2种终端夹持形式对导线拉断力的影响程度存在差异，并且压接式的影响更大，考虑到工程应用的实际情况，对导线的额定拉断力的考核仍以端部采用压接方式为宜。

因压接式终端夹头引起的导线拉断力降低现象称为压接损失。压接损失是客观存在的，但由于在以往的施工中仅使用720 mm2导线且该导线只有3层铝股，导线制造厂家生产的单线强度远高于标称值，因此掩盖了压接损失的存在。

为了分析压接对导线握力的影响，定义了累加拉断力和压接保留率(握力保留率)。累加拉断力=铝单线拉断力之和+钢线1%伸长应力实测值×钢线总面积;压接保留率=平均握力值与累加拉断力的百分比。

2 ACSR－720/50导线的压接损失

根据《三峡至常州±500 kV直流输电工程龙泉至政平直流线路用钢芯铝绞线(ACSR－720/50)工程招投标技术要求》，导线的铝单线绞前平均抗拉强度不低于160 MPa，并且要求45股的不均匀值不大于20 MPa，钢线1%伸长应力不低于1 280 MPa。耐张线夹对 ACSR－720/50导线的握力要求不低于170.6 kN［5］。ACSR－720/50(铝钢截面比为12)导线的单线性能的实测数据和压接保留率见表2。从表2可以看出，a、e导线的压接保留率相对较高，这与其均匀性较好有关，但是批量生产时难以保证，不能以此作为生产要求。剔除这2组数据后对剩下的3组数据进行平均，ACSR－720/50的压接保留率约为91%。

3 JL/G3A－900/40导线的压接保留率

3.1 金具握力与单线强度的关系

文献［6］要求JL/G3A－900/40－72/7(铝钢截面比为23)导线的铝单线绞前平均抗拉强度不低于165 MPa，并且72股的不均匀值不大于25 MPa，钢线1%伸长应力不低于1 410 MPa。文献［3］要求耐张线夹对JL/G3A－900/40－72/7导线的握力应不低于193 kN(95%RTS)。铝单线绞后平均强度对握力影响的试验结果如图1所示。

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

图1 铝单线绞后平均强度与握力的关系Fig.1 Relation of aluminum wire's average strength after stranding and grip strength

从图1中可看出:(1)当铝单线绞后强度平均值为160 MPa时，20个试件的握力为 181.3～195.4 kN，只有3个样品握力满足要求，这说明当铝单线绞后强度的平均值为160 MPa时，金具的握力无法得到保证。(2)随着铝单线绞后强度平均值的增大，金具的握力也相应增大。

3.2 金具的优化

耐张线夹的设计优化可以提高对导线的握力［7］。将耐张线夹的拔梢长度和内径优化后，在铝单线强度相同的情况下，握力可以提高2%～3%，如图2所示。

图2 耐张线夹尺寸与握力的关系Fig.2 Relation of clamp size and grip strength

3.3 压接保留率

应用累加拉断力和压接保留率计算公式，对几种铝单线强度下压接保留率进行计算，结果见表3。从表3可以看出，尽管单线强度变化范围较大，但金具压接保留率在88.0%～90.3%范围内，可见单线强度对金具压接保留率影响不大，压接保留率由导线结构决定。

表3 JL/G3A－900/40－72/7导线配套金具压接保留率试验结果Tab.3 Test results of crimping retention rate of fittings for JL/G3A－900/40－72/7

若导线的强度仅达到技术条件的最低要求值，即铝单线绞后平均强度为157 MPa，钢芯1%伸长应力为1 410 MPa，则其累加拉断力为196.2 kN，金具压接后握力为176.0 kN，小于193.2 kN，显然不能满足金具握力要求。由于4层铝股结构的大截面导线压接损失大，若单线强度仍与3层铝股结构的导线相当，则耐张线夹对导线的握力难以达到95%RTS。如果仍按国标计算RTS，为了满足文献［3］要求和工程需要，建议对4层铝股结构的大截面导线的单线强度适当上调。假设导线绞后铝单线平均强度为172 MPa(高出要求值15 MPa)，镀锌钢线1%伸长应力为1 550 MPa(高出要求值140 MPa，根据导线型式试验统计结果，一般都不低于该值)，则其累加拉断力为216.8 kN，对应金具握力为193 kN，满足金具握力要求。因此要求绞后铝单线平均强度不小于172 MPa，可以保证握力试验结果大于193 kN。

4 JL/G3A-900/75-84/7的压接保留率

文献［6］要求JL/G2A－900/75－84/7(铝钢截面比为12)的铝单线绞前平均抗拉强度不低于165 MPa，84股的不均匀值不大于25 MPa，钢线1%伸长应力不低于1 170 MPa，耐张线夹对JL/G2A－900/75－84/7导线的握力应不低于224.0 kN(95% RTS)。对JL/G2A－900/75－84/7进行了2个样品的耐张线夹和接续金具握力试验，结果见表4。

从表4可以看出，尽管上述2个导线样品的绞后铝单线平均强度和钢线1%伸长应力差异较大，但压接保留率差异不大，约为91.5%。若导线的强度仅达到技术条件最低要求值，即铝单线绞后平均强度为157 MPa，钢芯1%伸长应力为1 170 MPa，则其累加拉断力为229.1 kN，金具压接后握力为209.6 kN，小于224.0 kN，显然不能满足金具握力要求。因此必须适当提高单线的强度。

表4 JL/G3A－900/75－84/7导线配套金具压接保留率试验结果Tab.4 Test results of crimping retention rate of fittings for JL/G3A－900/75－84/7

假设导线绞后铝单线平均强度为172 MPa(高出要求值 15 MPa)，镀锌钢线 1%伸长应力为1 300 MPa(高于要求值130 MPa，根据导线型式试验统计结果，一般都不低于该值)，则其累加拉断力为251.8 kN，金具握力为230.4 kN，大于224.0 kN，满足金具握力要求。

试验结果表明，JL/G2A－900/75－84/7虽然也是4层铝股，但由于其铝钢截面比为12，与ACSR－720/50的相近，所以其压接保留率约为91.5%，也与ACSR－720/50的相近。

5 提高导线铝单线强度的影响

5.1 提高后的铝单线导线铝单线强度

当铝单线绞后平均强度提高后，铝单线强度的其他指标也需要作相应调整:绞前最小值≥176 MPa;绞前平均值≥181 MPa;绞后最小值≥167 MPa;绞后平均值≥172 MPa;均匀性≥25 MPa。其余性能仍遵照文献［8］的要求。由于镀锌钢线强度在导线拉断力中的比例相对较小，且镀锌钢线的强度通常都能高出要求值较多，因此对镀锌钢线的强度不做调整。

5.2 不同强度铝单线的金相组织

金相组织是反映金属金相的具体形态。利用金相可以研究外界条件或内在因素改变对金属或合金内部结构的影响。外部条件就是指温度、加工变形、浇注情况等;内在因素主要指金属或合金的化学成分［9］。为了研究铝单线强度变化对铝单线金相组织的影响，中国电力科学研究院委托国家有色金属及电子材料分析测试中心对5组规格为φ4.21 mm的铝单丝样品进行了金相组织分析。样品编号1～6的强度分别为175、180、185、190、195 MPa，这5组样品的金相照片如图3所示。

图3 试样金相照片Fig.3 Metallurgical structure picture of samples

分析金相照片可见，1～5号铝单丝样品在横向的晶粒呈现逐渐细化的趋势，纵向加工流线清晰可见，呈现逐渐密集的趋势，这是由于加工变形量差异造成，变形量愈大、晶粒横断面愈小、纵向的流线越密集。

上述现象与各个试样的抗拉强度的变化趋势一致。1～5号铝单线样品的强度呈上升趋势，但金相组织没有显著差异。

5.3 对电阻的影响

JL/G3A－900/40－72/7的电阻应不大于0.031 9 Ω/km，共有30个导线制造厂家完成型式试验，铝单线绞后平均抗拉强度为175～195 MPa的占到样本总数的93%。JL/G2A－900/75－84/7的电阻应不大于0.032 Ω/km，共有14个导线制造厂家完成型式试验，铝单线绞后平均抗拉强度为175～195 MPa的占到样本总数的86%。导线20℃直流电阻平均值与铝单线强度的对应关系见表5～6［10］。

由于175 MPa以下和196 MPa以上的样本较少，可以忽略，对比铝单线绞后平均抗拉强度在175～184 MPa与185～195 MPa之间的导线20℃直流电阻平均值可见，导线电阻随着铝单线强度增加而增加。但大量的试验表明，上述所有导线的20℃直流电阻满足技术条件中的相关要求，可见铝单线强度提高未产生不利影响。

5.4 对脆性的影响

铝单线绞后平均抗拉强度提高到172 MPa后，大量的试验表明其脆性(卷绕试验)和疲劳性能(振动疲劳试验)能够满足相关要求。

5.5 对施工的影响

参加展放试验的8个厂家的铝单线绞后平均抗拉强度全部达到172 MPa以上，其中有6家达到185 MPa以上。展放前导线结构紧密、表面无划痕。在展放过程中和展放后导线均未出现因质量问题出现松股、跳股、翻股现象。因此铝单线绞后平均抗拉强度达到172 MPa以上不会造成施工时的断股现象，可以满足放线施工要求。