王國忠

(江蘇通光強能輸電線科技有限公司，江蘇 海門226100)

0 引言

和銅芯電纜相比，普通鋁芯電纜雖然有價格優(yōu)勢，但因為鋁的抗蠕變性能差，隨著時間的延長及導體工作溫度的變化，導體接頭處易松動，造成接觸不良或電阻增大，致使電纜過熱而出現(xiàn)故障。AA8000系列鋁合金導體，能克服普通鋁芯電纜的不足，接頭長期牢靠。根據(jù)傳輸電流的大小，適當提高導體的規(guī)格后，傳輸容量達到和銅芯電纜一樣，在相當多的場合可替代銅芯電纜，且與銅芯電纜相比，具有相當大的價格優(yōu)勢，因而，正越來越多地受到建筑開發(fā)商的青睞。

鋁合金電纜主要是指的導體材料為AA8000系列鋁合金。本文就AA8000系列鋁合金導體的設(shè)計和制造加以敘述。

1 導體的化學成分

鋁合金導體的化學成分應符合ASTM B800-05標準，見表1所示。滿足表1規(guī)定的任何一種牌號合金成分要求的鋁合金導體，即可認為是成分合格的AA8000系列鋁合金。目前，我國使用較多的牌號是AA8030鋁合金。

表1 AA8000系列鋁合金化學成分

在GB/T 30552—2014《電纜導體用鋁合金線》中，鋁合金單線的化學成分要求與ASTM B800規(guī)定相同，只不過沒有列出合金牌號，而是用序號表示。

2 導體的機械性能和電氣要求

在ASTM B801-99《包覆或絕緣用8000系列鋁合金同心絞合導體規(guī)范》中，明確導體是AA8000系列鋁合金，合金狀態(tài)代號為0、H1X或H2X。參照GB/T 16475—2008《變形鋁及鋁合金狀態(tài)代號》(該標準修改采用ISO 2107:2007《變形鋁及鋁合金狀態(tài)代號》)的定義，0為退火狀態(tài)，適用于經(jīng)完全退火后獲得最后硬度的產(chǎn)品狀態(tài);H為硬狀態(tài)，適用于通過加工硬化提高強度的產(chǎn)品。H1X為單純加工硬化的狀態(tài)，適用于未經(jīng)熱處理只經(jīng)加工硬化即可獲得所需強度的狀態(tài);H2X為加工硬化后不完全退火的狀態(tài)，適用于加工硬化強度超過成品規(guī)定要求后，經(jīng)不完全退火，使強度降低到規(guī)定指標的產(chǎn)品。0、H1X或H2X合金導體中單線的機械性能和20℃時電阻率要求分別見表2和表3。

表2 AA8000系列鋁合金單線機械性能

表3 20℃時電阻率要求

而在GB/T 30552—2014中，鋁合金狀態(tài)只有兩種，即軟態(tài)(R)和硬態(tài)(Y)。單線機械性能和電阻率要求分別見表4和表5。

表4 電纜導體用鋁合金線的機械性能

表5 電纜導體用鋁合金線的電阻率

國家能源局的《額定電壓0.6/1 kV鋁合金導體交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜》送審稿(以下簡稱送審稿)中第5.3條規(guī)定:絞合導體中任一單線，抗拉強度應為98～159 MPa，斷裂伸長率應不小于10 %。這樣，采用GB/T 30552—2014規(guī)定的硬態(tài)(Y)鋁合金線生產(chǎn)的電纜導體，在導體絞制前或絞制后，必須進行熱處理，以滿足送審稿中單線的機械性能和20℃時電阻率的要求。當然，如果已經(jīng)是軟態(tài)鋁合金線，就不需要進行熱處理了。

實際應用時，鋁合金單線的機械性能和電阻率到底能否達到GB/T 30552標準規(guī)定呢?我們?nèi)×艘慌矐B(tài)的AA8030鋁合金線進行試驗。其化學成分檢測結(jié)果見表6，單線的機械和電氣性能見表7。從表6可以得知，化學成分完全符合AA8030的要求。從表7可以看出，機械性能均滿足硬態(tài)鋁合金線的要求，但電阻率有約50%不能滿足GB/T 30552的要求。

表6 試樣的化學成分檢測結(jié)果

表7 鋁合金線機械和電氣試驗數(shù)據(jù)

電阻率除了與材料的合金成分有關(guān)外，還與生產(chǎn)工藝有關(guān)。我們將表7中的1號試樣所在批次的單線，分別在烘箱退火、退火爐退火及絞制成185 mm2導體后再退火，熱處理后的性能測試結(jié)果見表8。從表8中可以看出，即使電阻率不合格的硬態(tài)鋁合金線，在幾種方式的熱處理后，直流電阻率、抗張強度與斷裂伸長率都能滿足軟態(tài)鋁合金線的要求。

根據(jù)AA8030鋁合金導體的實際生產(chǎn)情況，可以得出這樣的結(jié)論，實際生產(chǎn)的導體單線性能可以達到國家能源局的送審稿要求，但硬態(tài)鋁合金線的電阻率有時不能滿足GB/T 30552標準。相反，在我們的試驗中，電阻率不合格的硬態(tài)鋁合金單線，經(jīng)熱處理后，機械和電氣性能卻可以滿足軟態(tài)鋁合金線的要求。根據(jù)我們的實踐經(jīng)驗，可以認為，在硬態(tài)的鋁合金線生產(chǎn)時，只要工藝狀態(tài)正常，對電阻率的要求可以脫離GB/T 30552—2008的規(guī)定。

表8 熱處理后的AA8030鋁合金單線電阻率和機械性能測試結(jié)果

3 導體結(jié)構(gòu)設(shè)計和截面積計算

在ASTM B801-99標準中，導體的結(jié)構(gòu)有圓形、緊壓圓形和緊湊型導體(Compact)。圓形、緊壓圓形是常見的結(jié)構(gòu)，而緊湊型導體是新的名詞。緊湊型結(jié)構(gòu)在GB/T 3956標準中沒有提到。在CSA C22.2 No.38-05第4.1.5.3指出:緊湊型導體是一種圓形導體，由一層或多層單線繞中心線芯螺旋絞合而成，且最外層由滾壓、拉拔或其它方法光滑形成。緊湊型導體在GB/T 2900.10《電工術(shù)語 電纜》中也沒有定義。我們理解為是由拉拔或滾壓成型的型線或其它方式形成的型線絞合而成的導體。

ASTM B801-99標準中，導體的結(jié)構(gòu)只有上面的三種，都為圓形結(jié)構(gòu)，沒有像GB/T 3956標準中規(guī)定的還有非圓形的成型結(jié)構(gòu)。對于緊湊型導體結(jié)構(gòu)，導體的最少單線根數(shù)要求一般都采用GB/T 3956標準中規(guī)定的成型導體的要求。好在GB/T 3956標準對緊壓圓形和成型導體的最少單線根數(shù)要求都一樣。我們設(shè)計了幾種常用規(guī)格的緊湊型鋁合金導體典型結(jié)構(gòu)，見表9。

導體的結(jié)構(gòu)確定后，就是導體的截面積了。GB/T 3956標準規(guī)定了各種規(guī)格鋁合金導體的20℃時最大直流電阻值，導體的直流電阻主要取決于兩個因素:一是導體的電阻率，即導體的材料性能;二是導體的截面積。在導體的電阻率一定時，就只取決于導體的截面積。某個規(guī)格的導體最小截面積為:

表9 常用規(guī)格的緊湊型導體典型結(jié)構(gòu)

式中:A為導體截面積(mm2);ρ為導體電阻率(Ω·mm2/m)。8000系列鋁合金導體的電阻率可取0.028 264Ω·mm2/m;k1為平均絞入系數(shù)。對于240 mm2及以下規(guī)格，取1.02;300 mm2及以上規(guī)格，取1.03;k2為因成纜絞合增長線芯長度所引入的系數(shù)，對于單芯電纜k2=1;對于多芯電纜k2=1.02。為便于管理，所有單芯和多芯電纜均按多芯電纜選取;k3為因考慮單線允許公差所引入的系數(shù)，對于非緊壓線芯結(jié)構(gòu)為單線直徑，e為單線允許公差;對于緊湊型圓形結(jié)構(gòu)，k3=為單線截面，E為單線截面允許公差;對于緊壓結(jié)構(gòu)，k3=1.01;R為在GB/T 3956—2008標準中規(guī)定的20℃時最大直流電阻(Ω/km)。

例如，對于240 mm2的緊湊型鋁合金導體，20℃時最大直流電阻為0.125Ω/km，單線截面允許公差取1%，則k3=1.01，代入式(1)得:

另外，參照ASTM B801對導體的結(jié)構(gòu)要求(見表10)，導體的截面積有一個簡便計算方法。對于某個規(guī)格的導體，采用表10中相近的規(guī)格，利用導體的直流電阻與導體的截面積成反比的方法，可推算出理論要求導體的最小截面積。考慮到表10中給出的為標稱電阻值，實際允許的最大直流電阻值可大于表10規(guī)定的+2%，而GB/T 3956規(guī)定的卻是最大直流電阻值，故，應對推算的理論截面乘以1.02的系數(shù)。

表10 8000系列鋁合金導體結(jié)構(gòu)要求

續(xù)表10

還是以240 mm2的緊湊型鋁合金導體為例，參照表中242 mm2的規(guī)格，對應的標稱直流電阻值為0.119 4Ω/km，則240 mm2的鋁合金導體最小控制截面為:

此值，同前面用式(1)計算的值相差僅為0.76%，可以認為這種簡便計算還是相當實用的。當然，導體生產(chǎn)廠家應根據(jù)自身的鋁合金桿或單線的性能及工藝水平，適當?shù)卣{(diào)整導體的控制截面積，以使生產(chǎn)的鋁合金電纜的電阻合格。值得一提的是，由于鋁合金單線表面易形成一層致密的氧化層，在生產(chǎn)時，測得的導體電阻往往比導體的實際電阻大，制造廠家應充分考慮這一因素。

4 導體的制造

4.1 導體的絞向

在ASTM B801-05標準中規(guī)定，除了擠包耐候性材料的導體，即架空絕緣電纜的導體，表10中的A類，最外層絞向為右向外;其余用于電纜的導體外層均應為左向。非緊壓圓形結(jié)構(gòu)和緊壓圓形結(jié)構(gòu)，相鄰絞合層絞向應相反;緊湊型圓形結(jié)構(gòu)中，相鄰絞合層絞向可以相反或同向。在GB/T 3956標準中，關(guān)于導體的絞向未作規(guī)定。

4.2 導體的節(jié)距

在ASTM B801-05標準中要求，37根以下單線構(gòu)成的導體，各層的節(jié)距應在8～16倍的導體外徑之間;37根及以上的單線構(gòu)成的導體，只要求最外兩層的節(jié)距在8～16倍的導體外徑之間，其它層的節(jié)距除了供需合同有約定外，則由制造廠家決定。

規(guī)格為AWG 2(33.6 mm2)或更小的緊湊型導體，最大節(jié)距為導體外徑的17.5倍。我們國家的導體結(jié)構(gòu)一般不采用的美國線規(guī)，可以對35 mm2及以下的導體用此規(guī)定。

導體的絞合節(jié)距應嚴格按照以上要求。一些制造廠家不知道鋁合金導體的節(jié)距規(guī)定，因為在GB/T 3956標準中也未對節(jié)距作規(guī)定，或者知道國外標準的要求，但為了提高生產(chǎn)效率，仍按常規(guī)電纜導體的制造方法進行，即絞合的節(jié)距比國際標準規(guī)定值大許多，這樣生產(chǎn)的電纜彎曲半徑就難以達到鋁合金電纜的要求。

4.3 導體的單線接頭

導體中任何絞合層中的任意單線都可以進行電阻焊、冷壓焊或電阻對焊、冷鐓焊接頭。19根及以下單線的導體內(nèi)，單線接頭間距應不小于0.3 m;19根以上單線的導體，同一層內(nèi)的接頭間距應不小于0.3 m。

5 結(jié)束語

鋁合金電纜在我國的工程應用正越來越多，如何制造出質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)鋁合金電纜，確保電纜的長期安全運行，是各電纜廠家值得研究的一道課題。本文結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)電纜用鋁合金導體的標準，就導體的化學成分、單線的機械和電氣性能要求作了介紹，同時，提出了鋁合金導體的結(jié)構(gòu)類型和截面積的計算公式及簡便計算方法，指出了鋁合金導體生產(chǎn)時的絞向、節(jié)距和單線的接頭要求和注意事項。

［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］.

［5］額定電壓0.6/1 kV鋁合金導體交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，國家能源局送審稿［S］.

［6］GB/T 3956—2008電纜的導體［S］.

［7］GB/T 30552—2014電纜導體用鋁合金線［S］.

［8］GB/T 16475—2008變形鋁及鋁合金狀態(tài)代號［S］.