国内镀锌钢绞线标准对比

2020-06-20王红梅

理化检验(物理分册) 2020年6期

王煦，王红梅

(上海国缆检测中心有限公司，上海 200093)

镀锌钢绞线是架空输电线路中应用最为广泛的地线材料，将其架设在输电线路或受保护的设备上方，当线路或设备上方出现雷暴对地放电时，闪电首先击中架空地线，然后通过接地线或金属杆塔本体将雷电引入大地，从而避免输电线路或设备直接遭受雷击，以提高输电线路和相关设备的运行安全性，架设地线是输电线路中最基本的防雷措施之一[1]。

DL 5497—2015《高压直流架空输电线路设计技术规程》要求高压直流架空输电线路应沿全线架设双地线，GB 50545—2010《110～750 kV架空输电线路设计规范》和GB 50665—2011《1 000 kV架空输电线路设计规范》要求 500 kV以上线路应全线架设双地线，GB 50545—2010还要求220～330 kV输电线路应全线架设双地线，年平均雷暴日数不超过15 d(天)的地区或运行经验证明雷电活动轻微的地区，可架设单地线，山区宜架设双地线，110 kV输电线路宜全线架设双地线，GB 50061—2010《66 kV及以下架空电力线路设计规范》要求66 kV架空电力线路在年平均雷暴日数30 d以上的地区，全线架设地线。

由上述标准或规范可知架空线路地线的用量巨大，目前国内常用的镀锌钢绞线标准主要包括YB/T 5004—2012《镀锌钢绞线》，GB/T 1179—2017《圆线同心绞架空导线》和国家电网公司企业标准Q/GDW 13236.5—2014《导、地线采购标准第5部分：镀锌钢绞线专用技术规范》。在这些标准中，因为数年前相关标准缺失，电力行业无架空地线标准可用，所以YB/T 5004—2012被当做架空地线标准，应用范围广泛。Q/GDW 13236.5—2014对YB/T 5004—2012进行了一些修改，并糅合了GB/T 1179—2008的部分技术内容，成为国家电网公司招标采购的技术规范；GB/T 1179—2017根据国内实际情况，对GB/T 1179—2008(修改采用IEC 61089：1991+A1：1997 《圆线同心架空绞线导线》)中的镀锌钢绞线相关内容进行了修正，使之更加符合国情，应用范围更加广泛。笔者对以上3项标准进行了分析比较，旨在为各相关方提供合理的标准选用建议。

1 主要技术内容比较

镀锌钢绞线的主要技术内容包括：绞线结构、绞向和绞线节径比、绞制增量、绞线单位长度质量、绞线直流电阻、绞线综合拉断力等，其中绞线结构和绞线节径比决定了绞线的绞制增量、绞线单位长度质量、绞线直流电阻及绞线综合拉断力的计算方法。因此，笔者从绞线结构和绞线节径比入手来比较各相关量的计算方法。

1.1 绞线结构

对于用作架空地线的镀锌钢绞线，目前各种标准中其构型均为圆线同心绞合结构，除YB/T 5004—2012中允许有3根单线同心绞合结构外，其余3种同心绞合结构(7根绞、19根绞和37根绞)在3项标准中的要求均一致，即所有单丝直径应均匀一致。因3根绞结构的镀锌钢绞线标称截面积普遍较小，无法满足将瞬时大电流导入地下的要求，故输电线路领域几乎没有相关应用，因此笔者不进行相关分析讨论。

1.2 绞向和绞线节径比

绞线的绞向决定了施工时放线机的布置方式，错误的绞向会导致放线过程中绞线散股。从离开观察者的运动方向，顺时针为右向，逆时针为左向。亦可将绞线垂直放置，观察单线方向，当单线符合英文字母Z的中间部位的方向时，即为右向，当单线符合英文字母S的中间部位的方向时，即为左向。3项标准中对于绞向的表述基本一致，即最外层绞向应为右向，相邻层绞向相反，如有特殊需求，需在订货时特别说明。

表1 3项标准对绞线节径比的要求Tab. 1 Requirements of three standards for lay ratio of the stranded conductor

3项标准对于绞线节径比的规定如表1所示，可知YB/T 5004—2012仅规定了绞线节径比的上限，另外两项标准不仅规定了绞线节径比的上限和下限，且规定了各层节径比之间的大小关系。

1.3 绞制增量

绞线的圆线同心绞合结构确定了绞线参数的算法，影响绞线诸多性能参数的绞制增量，由绞线节径比决定，其算法如下所示[2]

(1)

式中：ai为第为i层的绞制增量；Pi为第i层的节径比；Di为第i层的外径；d为单丝直径。

(2)

式中：∑a为绞线的总绞制增量；ni为第i层的根数。

由式(1)和式(2)可知，绞制增量取决于绞线各绞层的节径比。对3项标准的理论绞制增量进行计算，计算结果如表2所示。由于YB/T 5004—2012未规定节径比下限，无法取值计算。另外两项标准中，取相应绞层的平均节径比，即对Q/GDW 13236.5—2014规定的钢绞线按照每层节径比为12进行计算，对GB/T 1179—2017规定的钢绞线按照每层节径比为13进行计算。

表2 绞线在理论节径比下的理论绞制增量Tab. 2 Theoretical stranding increment of stranded conductors under theoretical lay ratio

对于绞线单位长度质量，可按照下式进行计算

M=ρS·(1+a)

(3)

式中：M为钢绞线单位长度质量；ρ为钢绞线密度，取7.78 g·cm-3；S为钢绞线头名称截面积；a为绞制增量。

由式(3)可反推绞线的绞制增量公式

(4)

根据式(4)分别计算3项标准中相同结构绞线的绞制增量，计算结果如表3所示。可知3项标准中，YB/T 5004—2012的绞线规格最多，GB/T 1179—2017中仅删除了截面较小的非常用规格，Q/GDW 13236.5—2014标准中的绞线规格最少。3项标准中，具有相同结构的绞线，单位长度质量各不相同，由此反算各自绞制增量亦不相同；YB/T 5004—2012中具有相同结构的绞线，绞制增量各不相同；Q/GDW 13236.5—2014中具有相同结构的绞线，绞制增量各不相同，且与理论绞制增量差异较大；GB/T 1179—2017中具有相同结构的绞线，绞制增量基本一致，且与理论绞制增量基本一致。

表3 3项标准中相同结构绞线的绞制增量计算值Tab. 3 The calculated value of the stranding increment of the same structure stranded conductors in the three standards

注：—表示标准中无相应规格参数。

1.4 绞线直流电阻

对于架空地线，其核心作用是在遭受雷击时将瞬时大电流及时导入地下，因此绞线直流电阻也是线路设计所需的重要参数。在YB/T 5004—2012中未提及绞线直流电阻的任何信息，使用者在设计时将缺失理论依据。Q/GDW 13236.1—2014中指出，绞线其他参数应符合GB/T 1179的要求。该标准发布时，GB/T 1179的版本为GB/T 1179—2008，而GB/T 1179—2008中的钢绞线参数源自IEC 61089:1991+A1:1997，与Q/GDW 13236.5—2014中绞线参数差异较大，因此亦无法从该标准中找出可用于设计计算的绞线电阻值。

GB/T 1179—2017根据国内实际情况，增加了常用规格，删除了小截面规格和不常用规格，删除了B级镀层的钢线，增加了钢线的强度等级种类，并对每个规格分别列出绞线直流电阻，为各使用方提供了丰富的选择空间，为线路设计计算提供了理论依据。

1.5 绞线综合拉断力

综合拉断力是绞线的核心性能指标之一，线路设计、施工、运行时均需要用到该参数。YB/T 5004—2012标准中规定的绞线综合拉断力算法如下

RTS=k·∑(Ti)

(5)

式中：RTS为绞线综合拉断力；k为换算系数；Ti为每根钢丝的拉断力。

对比Q/GDW 13236.5—2014和YB/T 5004—2012标准中相同型号规格的绞线参数发现，二者拉断力一致。

GB/T 1179—2017规定的钢绞线综合拉断力为所有单线最小拉断力的总和，与式(5)相比，未对所有单线最小拉断力的总和乘以换算系数。此外，GB/T 3428—2012 《架空绞线用镀锌钢线》中任一强度等级的单线抗拉强度均高于YB/T 5004—2012的对应等级。以上两因素导致对于相同规格和结构的绞线而言，GB/T 1179—2017中绞线拉断力总是高于YB/T 5004—2012中对应强度等级的绞线拉断力。

2 主要技术参数分析

由以上主要技术内容对比可知，3项标准中主要的技术参数差异体现在几个方面，即绞线节径比要求不同，绞线单位长度质量不同，绞线综合拉断力不同，绞线20 ℃时直流电阻不同。

2.1 绞线节径比和绞线单位长度质量

以上技术差异中，绞线节径比要求不同，必然导致相应的绞制增量不同，亦必然引起绞线单位长度质量不同。故上文所述3项标准的主要差异中的前两条可合二为一。根据圆线同心绞合的理论模型，具有相同结构和节径比的绞线应具有相同的绞制增量，不同结构的绞线绞制增量自然不同。但是，由表3可见，YB/T 5004—2012和Q/GDW 13236.5—2014中具有相同结构的绞线，绞制增量各不相同，Q/GDW 13236.5—2014的绞制增量与表2所示的理论绞制增量差异较大。

按照式(1)和表3中的相应绞制增量，反算各绞线的节径比，以单丝根数为7根，单丝直径为3.00 mm的绞线为例，计算得到绞线的平均节径比仅为5.1，该绞线在YB/T 5004—2012和Q/GDW 13236.5—2014中，单位长度质量的数值一致。Q/GDW 13236.5—2014中单丝根数为19根，绞制增量为7.00%的绞线，反算其平均节径比仅为6.1，与该标准规定的节径比(10～14)相矛盾。

在YB/T 5004—2012中，因其未规定绞线节径比下限，而且单线直径允许偏差范围较大，在生产过程中也许可以通过增大单丝外径，调整绞线节径比的方法，来达到规定的单位长度质量；此外该标准并未对单位长度质量偏差进行规定，即无需考核单位长度质量。

在Q/GDW 13236.5—2014中，绞线标称单位长度质量偏离理论值较多，且该标准严格规定了绞线节径比下限和单位长度质量偏差要求，则按照该标准规定的参数生产时，无论采用何种手段，绞线都不可能达到规定的单位长度质量要求。这对于招标技术文件而言，任何投标者若按照该文件规定的节径比和单丝直径进行生产、检测投标，则必然造成投标者产品单位长度质量“不合格”。可见Q/GDW 13236.5—2014中的绞线，仅有4种规格的绞线参数符合逻辑，能够投入生产和应用，其余规格则无法生产。

上述分析表明，YB/T 5004—2012在计算绞线单位长度质量时，除去某些疏漏，仍存在逻辑混乱的问题，但是尚可通过技术手段达到标准自身要求，能够形成自洽的闭环。而Q/GDW 13236.5—2014存在大量规格绞线的节径比和单位长度质量自相矛盾现象，标准内容本身无法自洽，亦更无法正确指导生产和采购。

GB/T 1179—2017中不同结构的绞线绞制增量不同，相同结构的绞线增量不会因规格改变而改变，其逻辑清晰合理。

2.2 绞线综合拉断力

3项标准中，Q/GDW 13236.5—2014和YB/T 5004—2012中相同型号规格的绞线综合拉断力数据一致，均低于GB/T 1179—2017中相应规格对应强度等级的绞线。这表明，采用相同结构和规格的绞线，GB/T 1179—2017中的镀锌钢绞线能提供更优的拉重比，这对于线路弧垂控制有利[3]。