架空導線的絞合節距和彎曲半徑探討

張光武，王國忠，龔欣明

(1.浙江省質量技術監督檢測研究院，浙江杭州310013;2.江蘇通光強能輸電線科技有限公司，江蘇海門226100;3.遠東電纜有限公司，江蘇宜興214157)

0 引言

GB/T 1179—2008《圓線同心絞架空導線》和GB/T 20141—2006/IEC 62219:2002《型線同心絞架空導線》中對各種類型的架空導線的節徑比規定了范圍，節徑比是偏大好，還是偏小好?在這兩個標準中，沒有像 GB/T 12706《額定電壓1kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件》對電纜安裝時的最小允許彎曲半徑規定那樣，對架空導線的最小彎曲半徑加以規定。國外一些架空導線標準，對導線的最小彎曲半徑也未作規定。在中華人民共和國電力行業標準DL/T 832—2003《光纖復合架空地線》第10.1.2條中規定:“纜盤的筒體直徑應不小于OPGW外徑的25倍”;在第12條中規定:“安裝架設時放線導輪直徑不得小于OPGW直徑的40倍，且最小直徑不得小于600mm”。也即規定OPGW的靜態彎曲半徑應不小于OPGW外徑的12.5倍;動態允許彎曲半徑不得小于OPGW外徑的20倍，且最小彎曲半徑不得小于300mm。《電線電纜手冊》第1冊第114頁中對裸電線及裸導體制品用包裝規定:“線盤的筒徑D2應至少30倍于導線直徑。對單層鋁線的導線，此倍數應適當大些。”架空導線的最小彎曲半徑究竟多少合適?本文就架空導線的絞合節距最佳值和彎曲半徑進行探討。

1 分析和計算

1.1 絞合時單線的彎曲

架空導線在絞合時，單線以螺旋形圍繞在基圓上，會產生彎曲和扭轉。因為基圓相當于一個圓柱體，表面處處都形成弧形，單線絞合時也就隨處都在彎曲。但單線在絞合過程中圍繞自身軸線產生的扭轉變形，不像彎曲變形那樣容易看出。架空導線生產方法有“無退扭”和“退扭”兩種。這兩種方法絞合時，單線扭轉情況不同，單線變形因而有所差異。在無退扭的絞合中，由于單線在一個節距中的自身扭轉近于一周，因此，與基圓柱面接觸的單線縱向表面，幾乎永久與柱面接觸，并在一個長度上受到壓縮;而單線外緣的縱向表面，幾乎永久處在絞線外緣，同時在整個長度上受到拉伸。但在采用有退扭絞合時，單線任一縱向上的表面，在一個絞合節距中基本保持原有的方位。因而，單線的某一縱向表面是按一定規律、周期性地變化著它與基圓柱面接觸的位置:如果開始時是與柱面接觸，在半個節距處就背離柱面，恰好處在絞線的外緣表面，單線某一縱向表面就周期性地承受壓縮和拉伸。這種壓縮和拉伸的交替使單線產生的內應力要比無退扭絞合的小。由于國網公司在大截面導線技術要求中明確規定了無退扭絞的630及以上的框絞機生產，且無退扭方式的生產效率高，現在導線工廠幾乎全部采用無退扭絞方式生產。本文也以無退扭方式生產的導線來研究單線的彎曲變形。

絞合中單線的彎曲變形如同圓柱上螺旋線的變形，單線軸線即為空間螺旋線，單線所在絞層的節圓即為螺旋線圍繞的圓柱面。

按數學概念，螺旋線的彎曲程度以曲率或曲率半徑(又稱彎曲半徑)表示，兩者互為倒數。曲率愈大，彎曲程度愈大，曲率半徑愈小。

單線絞合時的彎曲半徑ρ為:

式中，h為螺旋節距，即絞合節距;R0為螺旋線半徑，即基圓中心到絞合單線中心(軸線)的距離。

為了說明問題，本文以GB 1179—1983標準的LGJ-10/2、LGJ-70/10兩個規格來計算，說明單線彎曲變形量的大小與單線的直徑、絞線的節距大小的關系。這兩個規格的導線結構為中心1根鋼線，外面絞合6根鋁線，如圖1所示。圖中，D為鋼絲直徑，d為外層鋁線直徑。線徑參數見表1。鋁線軸線、最外側的螺旋線半徑分別用R0軸和R0外表示。

圖1 1+6鋼芯鋁鉸線結構示意圖

根據標準規定，鋁芯外層絞合節徑比應為10～1 4。h分別取10.5倍、13倍絞合外徑，同時，將(2)、式(3)分別代入式(1)，求得鋁線軸線、最外側的螺旋線的彎曲半徑，分別用ρ軸、ρ外表示，見表1、表2。從表1和表2可以看出，鋁線外側的彎曲半徑明顯比軸線的彎曲半徑小，即曲率大;節徑比大時，彎曲半徑大，即曲率小。以外側的彎曲半徑、軸線的彎曲半徑所在平面作圖，如圖2。

圖2 鋁線軸線、外側彎曲半徑

利用余弦定律，求得鋁線軸線、外側圓弧線相交點相對應的圓心角 α外、α軸，如表1、2所示(表中角度用弧度表示)。鋁線外側彎曲弧長相對于軸線彎曲弧長的伸長率用σ表示。

由于弧長 =中心角×圓弧半徑，則式(4)可變為:

表1 絞合節徑比為10.5計算得到的參數

各參數代入式(5)，計算得兩種規格的鋼芯鋁絞線分別在節徑比為10.5、13時，鋁線最外側的彎曲弧長相對于鋁線軸線的彎曲弧長的伸長率如表1、表2所示。由表1、表2可以看出，同種導線結構時，相對伸長率與單線線徑大小無關;節徑比越小，相對伸長率也越大。在節徑比為10.5時，鋁線最外側的彎曲弧長相對于軸線的彎曲弧長伸長率達到了1.5627%，硬鋁單線的斷裂伸長率一般為1.6%，這時，對于這種結構的導線，盡管不至于使鋁單線斷裂，但個別薄弱處會使單線表面產生微裂紋。如果單線是鋁包鋼線，這么小的節徑比可能造成這種結構導線的表面鋁層開裂。

在實際生產中，由于考慮到用料少、電阻小、生產率高等因數，1+6結構的導線節徑比都大于11，不存在這種極限的情況發生。只是在導線用戶規定的技術協議中偶爾會出現節徑比偏小的現象。為此，導線廠家應以解釋說明。在多層絞線結構中，節徑比小時，單線的彎曲變形沒有這么顯著，不至于造成單線的損傷。

表2 絞合節徑比為13計算得到的參數

1.2 盤具的筒徑大小對導線的彎曲變形

設導線的直徑為d，盤具的筒體直徑為D，導線第一層裝于盤具的示意圖如圖3所示。

3 導線第一層裝于盤具的示意圖

導線的緊挨盤具筒體的第一層導線外緣線與導線的軸心線相比，伸長率為

分別取盤具筒體直徑為導線直徑的30倍、20倍，即 D分別為30 d、20 d，得 ε分別為 1.03%、1.52%。由于絞合后鋁單線呈螺旋狀，并且單線間有一定的間隙，根據經驗，導線纏繞在盤具上后，導線外緣縱向比導線的軸心線伸長只要不大于1.5%，即只要盤具筒體直徑大于導線直徑的20倍時，對鋁單線的變形應該是沒有影響的。當然，盤具筒體直徑大，對纏繞的絞合導線結構影響就小，所以盤具筒體直徑以不小于導線直徑的30倍為宜。

2 建議

通過分析和計算，對架空導線的節徑比和彎曲半徑建議如下:

(1)絞合節徑比:導線節徑比應符合GB 1179—2008要求，參照美國標準 ASTM B 232-01 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum Conductors，Coated-Steel Reinforced(ACSR)(鋼芯鋁絞線)和ASTM B416—98 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum-Clad Steel Conductors(鋁包鋼絲同心絞線)，應采用優選節徑比，見表3。在DL/T 832—2003《光纖復合架空地線》應補充:鋼及鋁包鋼線絞制的OPGW外層節徑比取10 ～16，優選節徑比為13.5。

表3 導線絞合節徑比

(2)架空導線的彎曲半徑:對于普通導線，應不小于導線直徑的15倍;對于特種導線、鋁包鋼絞線或OPGW，不宜小于導線直徑的20倍，且最小彎曲半徑不小于300mm。導線用盤具筒體直徑應考慮導線允許最小彎曲半徑的要求。普通導線用盤具筒體直徑以不小于導線直徑的30倍、特種導線用盤具筒徑以不小于導線直徑的35倍為宜。

3 結束語

本文通過分析和計算，說明了架空導線的節徑比對單線性能的影響，對現行的鋼絲或鋁包鋼線絞制的OPGW的節徑比提出更改建議，指出了架空導線的優選節徑比及彎曲半徑和使用盤具筒徑的要求。

［1］GB/T 1179—2008 圓線同心絞架空導線［S］

［2］GB/T 20141—2006 型線同心絞架空導線［S］

［3］ASTMB 232—01 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum Conductors，Coated-Steel Reinforced(ACSR)［S］

［4］ASTM B416—98 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum-Clad Steel Conductors［S］

［5］王春江主編.電線電纜手冊第1冊［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［6］GB/T 12706—2008 額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件［S］