鋼芯鋁絞線低溫機械性能的試驗研究

劉 洋，朱學成，李 童，魏春明

(黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱 150030)

隨著電力輸送容量和輸送距離的迅速增長，大容量、遠距離的輸電線路陸續投入運行，對線路安全性的要求越來越高。其中，架空導線的機械性能是一個重要的性能指標［1］。

架空導線長期處于戶外露天環境下，在不同的溫度下機械性能會發生變化。此外，線路在運行中還存在微風振動、線路舞動及覆冰等復雜的工況［2－4］。而且導線舞動及線路斷線、倒塔、串倒等事故都與導線的機械性能密切相關［5］。在東北和西北等地區，四季溫差較大，導線的工作環境尤為惡劣。為保障輸電線路的安全可靠運行，開展低溫條件下導的機械性能研究非常必要。基于此，本文采用對單鋼線進行拉斷力試驗、對單鋁線進行扭轉卷繞試驗的方法，對架空線路的鋼芯鋁絞線低溫機械特性進行了研究。

1 研究方法

鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線等導線在正常運行中主要由鋼芯承擔縱向拉力，導線的應力－應變曲線如圖1所示，其中，o、c、e為鋼芯的應力－應變曲線，o、b、d 為鋁線的應力 － 應變曲線［3］。

圖1 鋼芯、鋁線應力－應變圖Fig.1 Steel core，aluminum wire stress strain diagram

從圖1可以看出，在縱向拉力的作用下，若發生斷線，鋁線先于鋼線斷裂，因此，鋼芯低溫下縱向拉力的研究對低溫下斷線、倒塔和串倒等［3－5］問題的分析具有參考意義;鋁線低溫下切向機械性能的研究對低溫下導線微風振動斷股(小荷載)和覆冰斷股(大荷載)的分析具有參考意義。

不同規格的鋼芯絞線由根數的不同鋁線(鋁合金導線)和鋼線分層絞合而成，同種線徑的單鋁線和單鋼線由于根數的不同可以組成不同型號的導線，例如直徑同為2.72 mm的單鋁線和單鋼線，6鋁/1鋼組成標稱截面為35/6 mm2的導線，12鋁/7鋼組成標稱截面為70/40 mm2的導線;直徑分別為3.22 mm和2.50 mm的鋁單線和鋼單線，26鋁/7鋼組成標稱截面為210/35 mm2的導線，48鋁/7鋼組成標稱截面為400/35 mm2的導線［6－10］。依此類推，較少種類的單鋁線和單鋼線可以按根數的不同組合，絞制成多種型號的鋼芯絞線。

由以上分析可知，可以通過分別研究單鋼線和單鋁線低溫下的機械性能變化，來分析低溫環境下導線機械性能變化對斷線、斷股等的影響。

2 試驗及結果分析

選用黑龍江省內常用的幾種導線型號為研究對象，如表1所示。試驗用單鋼線及單鋁線尺寸與上述導線相對應。分別在 －10～－40℃，每隔10℃測量一組數據。

表1 導線型號Tab.1 Wire type

2.1 單鋼線低溫下拉斷試驗

試驗用單鋼線線徑尺寸分別為2.22、2.32、2.50、2.66、2.80 mm。

在外觀檢查合格的每種單鋼線樣品的一端截取12根試樣，每3根分為一組，將單鋼線試樣兩頭用夾具固定牢固后，保證試驗原始標距為250 mm。

分別取每種試樣在－10、－20、－30、－40℃下的試驗平均值。5種單鋼線低溫下拉斷力變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著溫度的降低，單鋼線的拉斷力有所增加，5種試樣的變化趨勢總體相同，符合金屬隨著溫度降低材料變脆的現象。為了進一步分析鋼絲拉斷力在不同溫度下的差異情況，需求取各種試樣4種溫度下的平均拉斷力，然后再計算不同溫度下拉斷力與平均拉斷力的不一致系數 (不一致系數 =(Ft－ FˉN)/FˉN× 100%)。5種試樣差異曲線如圖3所示。

圖2 單鋼線低溫下拉斷力變化曲線Fig.2 Curve of single steel wire temperature drop off force

圖3 單鋼線不同低溫下拉斷力不一致系數曲線Fig.3 Different temperature drop off force inconsistent coefficient curve of single steel wire

2.2 絞制前單鋁線低溫下扭轉試驗

試驗用絞制前的單鋁線共有4種尺寸，分別為2.98、3.22、3.60、3.99 mm。

分別將每種試樣在－10、－20、－30、－40℃下進行扭轉試驗，扭轉速度保持為60 r/min，導線扭斷情況如圖4所示。

圖4 單鋁線扭轉斷裂Fig.4 Single aluminum wire torsion fracture

圖5 單鋁線低溫下扭轉特性曲線Fig.5 Torsion characteristic curve of single wire under low temperature

4種單鋁線絲在低溫情況下的扭轉特性變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，單鋁線的扭轉特性隨著溫度的降低而降低，溫度從－10℃降低到－40℃時，直徑為4.00 mm的導線扭轉特性降低11.1%，直徑為3.60 mm的導線降低2.4%，直徑為3.24 mm的導線降低4.3%，直徑為2.98 mm的導線降低8.0%。

2.3 絞制前單鋁線低溫下卷繞試驗

卷繞試驗用單鋁線與扭轉試驗用的相同，試驗要求為:在試樣的自由端施加不超過額定拉斷力5%的拉力，卡具頭側以不超過10 r/min的轉速轉動，緊密卷繞8圈，退繞6圈后，再重新緊密卷繞。在上述過程中，導線沒發生斷裂，視為合格，卷繞后的試樣如圖6所示。

圖6 卷繞后試樣Fig.6 Single aluminum wire sample after winding

3 結論

1)單鋼線的拉斷力隨著溫度的降低有所增加;鋁線的扭轉性能隨著溫度的下降而降低;它們的卷繞特性符合標準要求。

2)由于鋁線扭轉特性隨著溫度的降低而下降，在低溫氣候下，對大跨越線路及海拔較高的山上架設的線路，宜加強線路的巡視工作和采取相應措施，防止導線斷股，必要時增加導線溫度及微風振動等在線監測裝置。

3)導線在低溫下抗拉性能有所增加，溫度的降低會引起導線縱向尺寸減小，導致導線縱向張力增大。但兩者綜合作用對導線抗拉強度的影響，還有待進一步論證。

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