铝合金电缆的导体设计和制造

王国忠

(江苏通光强能输电线科技有限公司，江苏 海门226100)

0 引言

和铜芯电缆相比，普通铝芯电缆虽然有价格优势，但因为铝的抗蠕变性能差，随着时间的延长及导体工作温度的变化，导体接头处易松动，造成接触不良或电阻增大，致使电缆过热而出现故障。AA8000系列铝合金导体，能克服普通铝芯电缆的不足，接头长期牢靠。根据传输电流的大小，适当提高导体的规格后，传输容量达到和铜芯电缆一样，在相当多的场合可替代铜芯电缆，且与铜芯电缆相比，具有相当大的价格优势，因而，正越来越多地受到建筑开发商的青睐。

铝合金电缆主要是指的导体材料为AA8000系列铝合金。本文就AA8000系列铝合金导体的设计和制造加以叙述。

1 导体的化学成分

铝合金导体的化学成分应符合ASTM B800-05标准，见表1所示。满足表1规定的任何一种牌号合金成分要求的铝合金导体，即可认为是成分合格的AA8000系列铝合金。目前，我国使用较多的牌号是AA8030铝合金。

表1 AA8000系列铝合金化学成分

在GB/T 30552—2014《电缆导体用铝合金线》中，铝合金单线的化学成分要求与ASTM B800规定相同，只不过没有列出合金牌号，而是用序号表示。

2 导体的机械性能和电气要求

在ASTM B801-99《包覆或绝缘用8000系列铝合金同心绞合导体规范》中，明确导体是AA8000系列铝合金，合金状态代号为0、H1X或H2X。参照GB/T 16475—2008《变形铝及铝合金状态代号》(该标准修改采用ISO 2107:2007《变形铝及铝合金状态代号》)的定义，0为退火状态，适用于经完全退火后获得最后硬度的产品状态;H为硬状态，适用于通过加工硬化提高强度的产品。H1X为单纯加工硬化的状态，适用于未经热处理只经加工硬化即可获得所需强度的状态;H2X为加工硬化后不完全退火的状态，适用于加工硬化强度超过成品规定要求后，经不完全退火，使强度降低到规定指标的产品。0、H1X或H2X合金导体中单线的机械性能和20℃时电阻率要求分别见表2和表3。

表2 AA8000系列铝合金单线机械性能

表3 20℃时电阻率要求

而在GB/T 30552—2014中，铝合金状态只有两种，即软态(R)和硬态(Y)。单线机械性能和电阻率要求分别见表4和表5。

表4 电缆导体用铝合金线的机械性能

表5 电缆导体用铝合金线的电阻率

国家能源局的《额定电压0.6/1 kV铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆》送审稿(以下简称送审稿)中第5.3条规定:绞合导体中任一单线，抗拉强度应为98～159 MPa，断裂伸长率应不小于10 %。这样，采用GB/T 30552—2014规定的硬态(Y)铝合金线生产的电缆导体，在导体绞制前或绞制后，必须进行热处理，以满足送审稿中单线的机械性能和20℃时电阻率的要求。当然，如果已经是软态铝合金线，就不需要进行热处理了。

实际应用时，铝合金单线的机械性能和电阻率到底能否达到GB/T 30552标准规定呢?我们取了一批硬态的AA8030铝合金线进行试验。其化学成分检测结果见表6，单线的机械和电气性能见表7。从表6可以得知，化学成分完全符合AA8030的要求。从表7可以看出，机械性能均满足硬态铝合金线的要求，但电阻率有约50%不能满足GB/T 30552的要求。

表6 试样的化学成分检测结果

表7 铝合金线机械和电气试验数据

电阻率除了与材料的合金成分有关外，还与生产工艺有关。我们将表7中的1号试样所在批次的单线，分别在烘箱退火、退火炉退火及绞制成185 mm2导体后再退火，热处理后的性能测试结果见表8。从表8中可以看出，即使电阻率不合格的硬态铝合金线，在几种方式的热处理后，直流电阻率、抗张强度与断裂伸长率都能满足软态铝合金线的要求。

根据AA8030铝合金导体的实际生产情况，可以得出这样的结论，实际生产的导体单线性能可以达到国家能源局的送审稿要求，但硬态铝合金线的电阻率有时不能满足GB/T 30552标准。相反，在我们的试验中，电阻率不合格的硬态铝合金单线，经热处理后，机械和电气性能却可以满足软态铝合金线的要求。根据我们的实践经验，可以认为，在硬态的铝合金线生产时，只要工艺状态正常，对电阻率的要求可以脱离GB/T 30552—2008的规定。

表8 热处理后的AA8030铝合金单线电阻率和机械性能测试结果

3 导体结构设计和截面积计算

在ASTM B801-99标准中，导体的结构有圆形、紧压圆形和紧凑型导体(Compact)。圆形、紧压圆形是常见的结构，而紧凑型导体是新的名词。紧凑型结构在GB/T 3956标准中没有提到。在CSA C22.2 No.38-05第4.1.5.3指出:紧凑型导体是一种圆形导体，由一层或多层单线绕中心线芯螺旋绞合而成，且最外层由滚压、拉拔或其它方法光滑形成。紧凑型导体在GB/T 2900.10《电工术语 电缆》中也没有定义。我们理解为是由拉拔或滚压成型的型线或其它方式形成的型线绞合而成的导体。

ASTM B801-99标准中，导体的结构只有上面的三种，都为圆形结构，没有像GB/T 3956标准中规定的还有非圆形的成型结构。对于紧凑型导体结构，导体的最少单线根数要求一般都采用GB/T 3956标准中规定的成型导体的要求。好在GB/T 3956标准对紧压圆形和成型导体的最少单线根数要求都一样。我们设计了几种常用规格的紧凑型铝合金导体典型结构，见表9。

导体的结构确定后，就是导体的截面积了。GB/T 3956标准规定了各种规格铝合金导体的20℃时最大直流电阻值，导体的直流电阻主要取决于两个因素:一是导体的电阻率，即导体的材料性能;二是导体的截面积。在导体的电阻率一定时，就只取决于导体的截面积。某个规格的导体最小截面积为:

表9 常用规格的紧凑型导体典型结构

式中:A为导体截面积(mm2);ρ为导体电阻率(Ω·mm2/m)。8000系列铝合金导体的电阻率可取0.028 264Ω·mm2/m;k1为平均绞入系数。对于240 mm2及以下规格，取1.02;300 mm2及以上规格，取1.03;k2为因成缆绞合增长线芯长度所引入的系数，对于单芯电缆k2=1;对于多芯电缆k2=1.02。为便于管理，所有单芯和多芯电缆均按多芯电缆选取;k3为因考虑单线允许公差所引入的系数，对于非紧压线芯结构为单线直径，e为单线允许公差;对于紧凑型圆形结构，k3=为单线截面，E为单线截面允许公差;对于紧压结构，k3=1.01;R为在GB/T 3956—2008标准中规定的20℃时最大直流电阻(Ω/km)。

例如，对于240 mm2的紧凑型铝合金导体，20℃时最大直流电阻为0.125Ω/km，单线截面允许公差取1%，则k3=1.01，代入式(1)得:

另外，参照ASTM B801对导体的结构要求(见表10)，导体的截面积有一个简便计算方法。对于某个规格的导体，采用表10中相近的规格，利用导体的直流电阻与导体的截面积成反比的方法，可推算出理论要求导体的最小截面积。考虑到表10中给出的为标称电阻值，实际允许的最大直流电阻值可大于表10规定的+2%，而GB/T 3956规定的却是最大直流电阻值，故，应对推算的理论截面乘以1.02的系数。

表10 8000系列铝合金导体结构要求

续表10

还是以240 mm2的紧凑型铝合金导体为例，参照表中242 mm2的规格，对应的标称直流电阻值为0.119 4Ω/km，则240 mm2的铝合金导体最小控制截面为:

此值，同前面用式(1)计算的值相差仅为0.76%，可以认为这种简便计算还是相当实用的。当然，导体生产厂家应根据自身的铝合金杆或单线的性能及工艺水平，适当地调整导体的控制截面积，以使生产的铝合金电缆的电阻合格。值得一提的是，由于铝合金单线表面易形成一层致密的氧化层，在生产时，测得的导体电阻往往比导体的实际电阻大，制造厂家应充分考虑这一因素。

4 导体的制造

4.1 导体的绞向

在ASTM B801-05标准中规定，除了挤包耐候性材料的导体，即架空绝缘电缆的导体，表10中的A类，最外层绞向为右向外;其余用于电缆的导体外层均应为左向。非紧压圆形结构和紧压圆形结构，相邻绞合层绞向应相反;紧凑型圆形结构中，相邻绞合层绞向可以相反或同向。在GB/T 3956标准中，关于导体的绞向未作规定。

4.2 导体的节距

在ASTM B801-05标准中要求，37根以下单线构成的导体，各层的节距应在8～16倍的导体外径之间;37根及以上的单线构成的导体，只要求最外两层的节距在8～16倍的导体外径之间，其它层的节距除了供需合同有约定外，则由制造厂家决定。

规格为AWG 2(33.6 mm2)或更小的紧凑型导体，最大节距为导体外径的17.5倍。我们国家的导体结构一般不采用的美国线规，可以对35 mm2及以下的导体用此规定。

导体的绞合节距应严格按照以上要求。一些制造厂家不知道铝合金导体的节距规定，因为在GB/T 3956标准中也未对节距作规定，或者知道国外标准的要求，但为了提高生产效率，仍按常规电缆导体的制造方法进行，即绞合的节距比国际标准规定值大许多，这样生产的电缆弯曲半径就难以达到铝合金电缆的要求。

4.3 导体的单线接头

导体中任何绞合层中的任意单线都可以进行电阻焊、冷压焊或电阻对焊、冷镦焊接头。19根及以下单线的导体内，单线接头间距应不小于0.3 m;19根以上单线的导体，同一层内的接头间距应不小于0.3 m。

5 结束语

铝合金电缆在我国的工程应用正越来越多，如何制造出质量稳定的优质铝合金电缆，确保电缆的长期安全运行，是各电缆厂家值得研究的一道课题。本文结合国内外有关电缆用铝合金导体的标准，就导体的化学成分、单线的机械和电气性能要求作了介绍，同时，提出了铝合金导体的结构类型和截面积的计算公式及简便计算方法，指出了铝合金导体生产时的绞向、节距和单线的接头要求和注意事项。

［1］ASTM B800-05 Standard Specification for 8000 Series Aluminum Alloy Wires for Electric Purposes-Annealed and Intermediate Tempers［S］.

［2］ASTM B801-99 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Conductors of 8000 Series Aluminum Alloy for Subsequent Covering or Insulation［S］

［3］CSA C22.2 TYPE TECK 90 cable［S］.

［4］GB/T 12706—2008额定电压1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件［S］.

［5］额定电压0.6/1 kV铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆，国家能源局送审稿［S］.

［6］GB/T 3956—2008电缆的导体［S］.

［7］GB/T 30552—2014电缆导体用铝合金线［S］.

［8］GB/T 16475—2008变形铝及铝合金状态代号［S］.