中强度铝合金绞线拉断力试验研究.docx

中国电机工程学会输电线路专委会特种导线/电力金具技术交流研讨会中强度铝合金绞线拉断力试验研究吴明埝1，徐志磊2,缪小林1,孔德春2（1 江苏中天科技股份有限公司江苏南通 226463；2江东金具设备有限公司江苏南通226463）Dvelopment and Research of Drag Reduced ConductorWU Ming-nian1,XUZhi-lei 2,MIAOXiao-lin1,KONGDe-chun2(1 Jiangsu Zhongtian Technology CO .,LTD ,Jiangsu Nantong,226463;2 Jiangdong Fittings Equipment CO .,LTD ,Jiangsu Nantong,226463)ABSTRACT: In the field of transmission line, the moderate-strength all aluminum alloy conductor has the good characteristics of saving energy, excellent tension-sag and corrosion resistance comparing with the aluminum conductor steel reinforced,and it has been used in china.But it is difficult to reach the designing requirements of rated tensile strengthin its application.In the text,the rated tensile strength is solved byoptimizing the strand technology of moderate-strength all aluminum alloy conductor and the structure of tension clamp,and it will promote the wide application of moderate-strength all aluminum alloy conductorKEY WORDS: moderate-strength all aluminum alloy conductor ;tension clamp;rated tensile strength摘要:在架空输电线领域，中强度铝合金绞线与钢芯铝绞线相比具有节能降耗、良好张力弧垂、耐腐蚀等特性，已经在国内试点应用。但在应用过程中中强度铝合金绞线与耐张金具配套拉断力试验难以满足设计要求。本文通过中强度铝合金绞线工艺技术优化和配套耐张金具的结构设计优化研究，解决了配套拉断力试验难题，将促进节能型中强度铝合金绞线的广泛应用。关键词:中强度铝合金绞线；耐张金具；拉断力0引言中强度铝合金绞线具有损耗低、拉重比大、良好张力弧垂特性、架设维护方便、传输容量大等优异特性，已经在国外得到广泛的应用，并取得较好的运行经验。我国已经开始试点应用，但在初期示范工程应用中，中强度铝合金绞线与耐张金具配套拉断力试验难以满足设计要求。中强度铝合金绞线和配套耐张金具的研究成为一个颇受关注的课题。1中强度铝合金绞线技术特征中强度铝合金绞线是一种全部由铝合金线材绞合而成的新型架空输电线，它是通过改变铝材料的化学成份，使之具有节能降耗的功能。1.1节能降耗我国规定中强度铝合金线导电率为59%IACS，比高强度铝镁硅合金53%IACS高出6%。中强度铝合金绞线与等直径的普通钢芯铝绞线相比，直流电阻要小3.4%。在输送相同负荷的条件下，因电阻较低，无铁磁损耗，能够减少输电线路损耗。虽然中强度铝合金线的电阻率比硬铝线约高4.3%，但由于等直径时，中强度铝合金绞线的导电截面积较钢芯铝绞线大，所以20直流电阻要稍低于钢芯铝绞线。1.2良好的弧垂特性中强度铝合金绞线与等直径条件下的普通钢芯铝绞线相比，重量轻，抗拉强度大，拉重比大，弧垂特性要比普通钢芯铝绞线好。1.3耐腐蚀特性中强度合金绞线采用中强度铝合金线一种材质绞合而成，与铝、钢两种材质的钢芯铝绞线相比不会产生双金属电化腐蚀，具有耐腐蚀功能，故对大气腐蚀具有天然抵抗能力，而且又避免了铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀，使绞线运行寿命延长。1.4伸长率大中强度铝合金线伸长率标准值2%-3%，是硬铝线的伸长率1%-1.5%的2倍，因而中强度铝合金绞线具有优良的过载能力及疲劳特性。2中强度铝合金绞线拉断力与结构特性分析绞线工艺学中，影响绞线整体拉断力的因素比较多，主要表现在单线绞合强度损失率、单线伸长率、单线抗拉强度、绞合节距等。2.1单线绞合强度损失率单线在绞合过程中会发生一定幅度的自身扭转塑性变形，随着塑性变形使得单线的抗拉强度变形能力下降，加速断裂。举例说明，3.13mm的中强度铝合金线绞前、绞后强度比较如表1所示。表1 3.13mm中强度铝合金单线绞合强度损失率参数绞前绞后损失率抗拉强度(MPa)均值：260(254268)均值：255(242264)2.0%线径(mm)均值：3.13(3.133.13)均值：3.12(3.123.13)0.3%由表1可以看出，中强度铝合金单线在绞合过程中，由于扭转产生塑性变形使得其抗拉强度损失率达到2.0%。足以说明绞线绞合过程单线抗拉强度会发生损失。由于绞合性能与节距、直径均有相关性，考虑其对绞线整体拉断力影响比较小，本文不对其进行深入分析。2.2单线伸长率理论上分析，不同的材质，直接决定了它们的伸长特性。不同伸长率的材料组合，理论上会影响绞线的整体拉断力。由于本文中采用的是全铝合金绞线属于同种材料，伸长率基本一致。因此中强度铝合金绞线中铝合金单线的伸长率对绞线整体拉断力的影响可以忽略不计。2.3单线抗拉强度理论上分析，单线的抗拉强度直接影响到绞线整体拉断力。在节距、直径一致的情况下，绞线整体拉断力与绞线中单线的平均抗拉强度成正比。单线平均抗拉强度越高，绞线整体拉断力就越高。中强度铝合金绞线JLHA3-280-37的拉断力和单线抗拉强度如表2所示。表2 单线抗拉强度与绞线拉断力参数规格型号JLHA3-280-37编号单线参数绞线参数线径(mm)抗拉强度(MPa)拉断力(kN)拉断力均值(kN)试样1均值3.12均值24364.664.6664.8964.7试样2均值3.12均值25668.2868.0867.9468.022.4绞合节距各层节距是否合理对绞线的整体拉断力及断裂情况有轻微的影响，通过绞合工艺调整，同一组线采用不同的节径比绞制，绞线的拉断力试验以及绞后单线参数如表3所示。表3 JLHA3-280-37拉断力及绞后单线技术参数分析表3试验结果可以看出绞合节距对绞线整体拉断力的有一定的影响，但其影响小于0.2%，与测试误差基本相同，因此实际生产和设计计算中均可以忽略不计。2.5绞线强度保留率由于绞线是单线绞合而成，在绞合过程中受到切变应力和轴向拉应力的作用，使得单线的抗拉强度变形能力下降，加速断裂，使得中强度铝合金绞线整体拉断力降低。例如表4所示。综上所述：由于绞线在绞合过程中各单线由于塑性变形产生的抗拉强度损失及受到切变应力和轴向拉应力的作用，使得单线的抗拉强度变形能力下降，加速断裂，使得中强度铝合金绞线整体拉断力降低。要使绞线本身实际抗拉强度达到国家电网公司企业标准Q/GDW 1816-2012中规定拉断力的95%100%，即需要在原单线设计的基础上绞前单线抗拉强度提高2%6%。表4 绞线强度保留率参数表规格型号JLHA3-280-37编号绞后单线参数绞线参数保留率线径(mm)抗拉强度(MPa)拉断力(kN)试样1均值3.12均值25768.3468. 193.6%67.9468.03试样2均值3.12均值25668.0868.0893.9%68.1867.94试样3均值3.12均值25567.7167.8594.06%68.0667.78备注绞线拉断力试验采用预绞丝耐张金具连接。3中强度铝合金绞线配套耐张金具研究中强度铝合金绞线的绞线综合强度损失率达到6%，所以绞前单线提高2%6%的抗拉强度以保证绞线的整体抗拉强度达到绞线计算拉断力的95%以上，而若要求绞线与耐张金具的配套试验达到标准要求，耐张金具的压接损失必须控制在绞线整体抗拉强度的5%以内，即耐张线夹、接续管与绞线的配合试验必须达到绞线整体抗拉强度的95%以上，才能保证试验结果达到绞线设计值95%。中强度铝合金绞线耐张线夹由铝压接管(铝管)和钢锚两部分组成，铝压接管与绞线采用一次压接，承受绞线的全张力，钢锚与铝管进行压接。大量试验研究认为，对于中强度铝合金绞线，合适的铝管内外径组合、合理的压缩比才能使绞线与金具的配合发挥最佳的性能。压缩比是压接铝管对绞线压力大小的表现，压缩比过小则铝管握不住绞线，造成绞线滑移，达不到标准规定的要求；压缩比过大则对绞线造成压伤，造成绞线有效截面下降，强度不够。在标准压模、压接工艺的前提下，压缩比的大小由压接铝管的内外直径决定，压缩比的计算公式如下：（1）（2）（3）式中：S1-压前铝管截面积；S2-压后铝管截面积；D-铝管外径；d-铝管内径；f-压后铝管内径变形系数；K-压缩比。中强度铝合金绞线压后铝管内径变形系数不能按照所有铝线股都压密实计算，铝线压得越密实，压缩比越大，压接处与非压接处过渡处的绞线压伤越大，强度越薄弱，绞线均在铝管拔稍处断线或断股，因此对于中强度铝合金绞线，设定f=1，即在中强度铝合金绞线线径变形量最小的情况下寻求铝管的最佳压缩比。参考国内金具手册，铝合金绞线的压缩比一般控制在20%左右，具体见表5：表5 (2009)标准JLHA1铝合金绞线用耐张线夹规范型号外径(mm)D(mm)d(mm)压缩比NY-250LH22.14023.520.05%NY-315LH24.84526.320.65%NY-400LH28.05029.521.18%NY-450LH29.75231.221.62%NY-500LH31.35533.021.29%中强度铝合金绞线参考JLHA1铝合金绞线耐张线夹、接续管的压缩比，设计压缩比为18.64%，试验数据如表6所示。表6 绞线的拉断力试验(压缩比为18.64%)序号压缩比试验数据试验现象判定118.64%93.63%RTS绞线未整体断，外层单丝断股不合格292.81%RTS绞线未整体断，外层单丝断股不合格393.12%RTS绞线未整体断，外层单丝断股不合格将设计压缩比降低到12.23%，试验数据如表7。将设计压缩比再次降低到9.32%，试验数据如表8。分析表6表8可知，中强度铝合金绞线的拉断力与铝管的压缩比有关，不能单纯借鉴国内铝合金绞线、铝绞线耐张线夹、接续管的设计经验20%左右的压缩比。经过多次试验证明，中强度铝合金绞线的耐张线夹、接续管的压缩比应控制在9%-12%之间，才能保证绞线的拉断力达到设计值的95%100%。表7 绞线的拉断力试验(压缩比为12.23%)序号压缩比试验数据试验现象判定112.23%96.38%RTS绞线未整体断，外层单丝断股合格296.37%RTS绞线未整体断，外层单丝断股合格395.49%RTS绞线未整体断，外层单丝断股合格表8 绞线的拉断力试验(压缩比为9.32%)序号压缩比试验数据试验现象判定19.32%96.67%RTS绞线整体断合格297.05%RTS绞线未整体断，外层单丝断股合格396.58%RTS绞线整体断合格参考国家电网公司企业标准Q/GDW 1816-2012，降低压缩比就需要扩大耐张线夹、接续管的铝管内径，会造成铝管内腔增大，在线路运行中可能有水气进入，造成耐张线夹冻坏。为防止运行中潮气侵入和滞留，通过优化耐张线夹、接续管管口拔稍的角度，确保中强度铝合金绞线压接完成后铝管出口内腔与绞线贴合。4结束语尽管中强度铝合金绞线与预绞式耐张线夹配合拉断力试验较容易满足设计要求，但中强度铝合金绞线与压缩型耐张金具配套使用保证抗拉强度达到设计拉断力的95%100%时，需要通过下述两种途径