王文輝， 王 玉， 康小龍， 周 聰， 蔡炎烽， 尤新祥

（1.江蘇中天科技股份有限公司，南通 226463； 2.中天電力光纜有限公司，南通 226463）

0 引 言

鋁包鋼線是采用雙金屬同步拉拔變形工藝制備的一種復(fù)合材料［1］，鋼芯保證線材具有較好的機(jī)械性能，而外層包覆的鋁層賦予線材較好的電氣性能［2］。 同時(shí)由于鋁層的存在，保證了線材具備較好的耐腐蝕性能［3］。 采用鋁及鋁合金線與鋁包線同步絞合生產(chǎn)的鋁包鋼芯鋁絞線主要應(yīng)用于架空導(dǎo)線［4］，它廣泛適用于各種電壓等級和防腐要求較高的各類架空輸電線路中，尤其是在沿海地區(qū)、鹽堿灘和三、四級工業(yè)污染區(qū)的輸電線路中應(yīng)用更為廣泛［5?6］。

對于架空導(dǎo)線而言，拉斷力是保證線路安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)［7?10］。 而實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)及施工驗(yàn)收時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到拉斷力實(shí)測值低于理論設(shè)計(jì)值的不合格現(xiàn)象，但追溯原材料各項(xiàng)力學(xué)性能時(shí)均合格，這一問題一直困擾著整個(gè)行業(yè)。 本工作針對這一問題進(jìn)行深入分析，對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響因素進(jìn)行討論，確定影響鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力實(shí)測值的關(guān)鍵因素，對鋁包鋼芯鋁絞線的生產(chǎn)、檢驗(yàn)和驗(yàn)收提供參考和指導(dǎo)。 以確保鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并預(yù)留一定的安全富余度。

1 鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力標(biāo)準(zhǔn)要求及潛在影響因素

以國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導(dǎo)線》［11］為例，5.7.2 條款規(guī)定：鋁包鋼芯鋁絞線的額定拉斷力（RTS）為鋁或鋁合金部分的拉斷力與對應(yīng)鋁（鋁合金）部分在斷裂負(fù)荷下鋼或鋁包鋼部分伸長時(shí)的拉力的總和。 在理論計(jì)算時(shí)，鋁包鋼線部分對導(dǎo)線拉斷力的貢獻(xiàn)按其1%伸長時(shí)的應(yīng)力來確定（250 mm 標(biāo)距樣品）。

當(dāng)鋁或鋁合金單線的絞合層數(shù)為4 層時(shí)，導(dǎo)線的額定拉斷力按計(jì)算值乘以0.95 來確定。 當(dāng)導(dǎo)線的任意1 根或多根單線出現(xiàn)斷裂時(shí)，其對應(yīng)的載荷確定為導(dǎo)線的實(shí)測拉斷力，但當(dāng)單線斷裂位置距離端頭小于1 cm 且拉斷力小于額定拉斷力時(shí)，可以重新測試。

通過分析標(biāo)準(zhǔn)中對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的計(jì)算及測試結(jié)果的判定依據(jù)可知，影響其拉斷力實(shí)測值的主要因素包括：單線的抗拉強(qiáng)度、單線的1%伸長的應(yīng)力、單線的伸長率、配套接續(xù)金具的匹配性等。 本工作結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)，從上述3 個(gè)方面分析驗(yàn)證各因素對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)方法

用于分析驗(yàn)證拉斷力影響因素的鋁包鋼芯鋁絞線規(guī)格選用型號為 JL／LB20?400／35?48／7，由 48 根外徑3.22 mm 的L 型硬鋁線和7 根外徑2.50 mm的20.3%IACS 導(dǎo)電率的鋁包鋼線絞合而成。

各因素對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力影響的分析驗(yàn)證試驗(yàn)方案見表1。 由于鋁包鋼線的力學(xué)性能與硬鋁線存在顯著差異，僅考慮鋁包鋼線的抗拉強(qiáng)度、伸長率為1%時(shí)的應(yīng)力和伸長率對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響，A、B、C 3 種鋼芯材料可以生產(chǎn)出不同強(qiáng)度等級的鋁包鋼線，相同工藝條件下，使用A、B、C 3 種鋼芯材料所生產(chǎn)的鋁包鋼線強(qiáng)度由高到低的順序?yàn)镃、B、A。 對上述3 種同規(guī)格的鋁包鋼線分別按不同工藝生產(chǎn)，可以得到6 種具備不同伸長率等級、不同強(qiáng)度等級的鋁包鋼線材，將上述6 種鋁包鋼線與硬鋁線絞合制備6 種導(dǎo)線樣品，編號見表1。

表1 分析拉斷力影響因素的試驗(yàn)驗(yàn)證方案

3 結(jié)果與討論

3.1 鋁包鋼單線性能對比

6 種導(dǎo)線樣品分別使用壓接管和預(yù)絞絲進(jìn)行拉斷力測試。

6 種鋁包鋼單線的力學(xué)性能平均值見表2。GB／T 17937—2009《電工用鋁包鋼線》中抗拉強(qiáng)度、1%伸長應(yīng)力、斷時(shí)伸長率、斷后伸長率允許的最小值依次為 1 340 MPa，1 200 MPa，1.5%，1.0%。

表2 鋁包鋼單線力學(xué)性能平均值

對于導(dǎo)電率為20%IACS 的2.5 mm 外徑鋁包鋼線，標(biāo)準(zhǔn)要求抗拉強(qiáng)度不小于1 340 MPa，1%伸長的應(yīng)力不小于1 200 MPa［12］。 采用 A 鋼芯材料生產(chǎn)的鋁包鋼線即可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而采用C 鋼芯材料生產(chǎn)的該規(guī)格鋁包鋼線抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 703 MPa，其1%伸長的應(yīng)力值亦同步提高，對鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力貢獻(xiàn)值也同步增加。 采用不同生產(chǎn)工藝，3 種不同鋼芯材料鋁包鋼線的伸長率顯著提高，斷時(shí)伸長率及斷后伸長率均可達(dá)到2.0% 以上，雖然具備大伸長特性的鋁包鋼線抗拉強(qiáng)度有所下降，但對于B、C 兩種鋼芯材料的大伸長鋁包鋼線，其1%伸長的應(yīng)力值得到提高。 按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導(dǎo)線》規(guī)定的計(jì)算方法，1% 伸長的應(yīng)力值越大，其對鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力貢獻(xiàn)值越大。

3.2 絞合后單線性能對比

按表1 所示的驗(yàn)證方案生產(chǎn)編號為A?C、A?L、B?C、B?L、C?C、C?L 的鋁包鋼芯鋁絞線（JL／LB20?400／35?48／7）。 對各編號的導(dǎo)線樣品分別拆股，獲得絞合后的鋁包鋼單線樣品，絞后鋁包鋼單線的力學(xué)性能測試結(jié)果平均值見表3。 絞合前后力學(xué)性能變化對比見圖1、圖2。

表3 鋁包鋼單線絞合后力學(xué)性能測試平均值

圖1 絞合前后單線抗拉強(qiáng)度變化

圖2 絞合前后單線1%伸長的應(yīng)力變化

由圖1 可知：普通伸長率等級的鋁包鋼線在絞合后抗拉強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，但大伸長率的鋁包鋼線在絞合后抗拉強(qiáng)度基本沒有損失。 由表3 及圖2 可知，絞合后6 種鋁包鋼線的 1% 伸長應(yīng)力、斷時(shí)及斷后伸長率均有不同程度的下降。

3.3 理論拉斷力

JL／LB 20?400／35?48／7 型導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)示意圖見圖 3，其設(shè)計(jì)拉斷力（RTS） 為 105.7 kN［10］。 拆股后，L 型硬鋁線的絞后抗拉強(qiáng)度為177 MPa，絞合前抗拉強(qiáng)度均值為 185 MPa。 按國家標(biāo)準(zhǔn) GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導(dǎo)線》規(guī)定的算法，由絞合前單線力學(xué)性能計(jì)算鋁包鋼芯鋁絞線的標(biāo)準(zhǔn)拉斷力為F標(biāo)準(zhǔn)，由絞合后單線力學(xué)性能反向推導(dǎo)的鋁包鋼芯鋁絞線理論拉斷力為F理論（F理論＝絞后鋁包鋼線抗拉強(qiáng)度均值×鋁包鋼線總截面積+絞合硬鋁線抗拉強(qiáng)度均值×硬鋁線總截面積），F(xiàn)理論的計(jì)算參考了FARZANEH M 等［13］在其發(fā)表的論文中提及的方法。 基于反向推導(dǎo)的F理論得到拉斷力的理論富余度（η），η的計(jì)算方法如下：

圖3 JL／LB20?400／35?48／7 型導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

F標(biāo)準(zhǔn)、F理論、η三者之間的比較關(guān)系見圖 4。

圖4 理論計(jì)算拉斷力比較

由圖 4 可知：對于 JL／LB20?400／35?48／7 型鋁包鋼芯鋁絞線的6 種樣品，由絞合前單線的1%的伸長應(yīng)力值、絞合后單線的抗拉強(qiáng)度推算的拉斷力值均可滿足 GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導(dǎo)線》的要求。 采用不同力學(xué)性能的鋁包鋼線生產(chǎn)的導(dǎo)線樣品，按國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)拉斷力F標(biāo)準(zhǔn)相差不大，但由絞合后單線力學(xué)性能推算的理論拉斷力F理論相差較大，F(xiàn)理論相對于RTS的理論富余度η隨著鋁包鋼單線的抗拉強(qiáng)度、1%伸長的應(yīng)力的增加而增加，相同鋼芯材料條件下，伸長率的差異對理論拉斷力F理論影響不大。

3.4 實(shí)測拉斷力

JL／LB20?400／35?48／7 型鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力測試時(shí)分別采用壓接管和預(yù)絞絲兩種類型的配套金具，用以比較配套金具類型對鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響。 其中，預(yù)絞絲分為二層式和三層式。 配套金具與導(dǎo)線的匹配方式及現(xiàn)場測試裝置見圖5。

圖5 配套金具與導(dǎo)線的匹配方式及現(xiàn)場測試裝置

拉斷力測試結(jié)果合格與否的判斷依據(jù)為：F實(shí)測大于RTS（105.7 kN）時(shí)，測試結(jié)果合格，否則不合格。 采用拉斷力保留率（γ）來評價(jià)配套金具與導(dǎo)線連接方式對拉斷力實(shí)測值影響的大小。γ的計(jì)算方法見式（2）。γ越大表明因配套金具而導(dǎo)致的拉斷力損耗越小。

3.4.1 基于壓接式金具的拉斷力測試

采用壓接管測試6 種鋁包鋼芯鋁絞線樣品的拉斷力，每種樣品測試6 次，其平均值結(jié)果見表4、圖6。

表4 基于壓接式金具的拉斷力實(shí)測值與理論值比較

圖6 基于壓接式金具的拉斷力實(shí)測值及拉斷力保留率

由表4 可知：采用壓接管測的拉斷力多數(shù)不合格，只有 B?L 和 C?L 樣品的實(shí)測拉斷力合格（F實(shí)測＞RTS）。 該兩種樣品均是采用大伸長等級的鋁包鋼線生產(chǎn)，且其單線的抗拉強(qiáng)度均得到了大幅度提升，說明提升鋁包鋼單線的抗拉強(qiáng)度和伸長率有利于提升鋁包鋼芯鋁絞線的實(shí)測拉斷力。 這與文獻(xiàn)［14］、文獻(xiàn)［15］的研究結(jié)果一致。

由圖6 可知：基于壓接管的6 種鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力保留率γ在80% ～90%之間。 相同鋼芯材料鋁包鋼單線生產(chǎn)的導(dǎo)線提升其伸長率可以顯著提高拉斷力保留率γ，而其抗拉強(qiáng)度和1%伸長的應(yīng)力的提高對拉斷力保留率的改善效果較小。

3.4.2 基于預(yù)絞絲式金具的拉斷力測試

預(yù)絞絲金具最初由美國 PLP 公司發(fā)明［16］。 預(yù)絞絲金具的特點(diǎn)是握力均勻，可以避免導(dǎo)線與金具接觸部位產(chǎn)生應(yīng)力集中［17］。 為驗(yàn)證預(yù)絞絲金具對導(dǎo)線拉斷力測試結(jié)果的影響，分別采用二層式預(yù)絞絲和三層式預(yù)絞絲金具測試6 種鋁包鋼芯鋁絞線樣品的拉斷力，每種樣品及金具的組合測試6 組，測得的拉斷力平均值見表5、圖7 所示。

表5 基于預(yù)絞絲式金具的拉斷力實(shí)測值與理論值比較

圖7 基于預(yù)絞絲式金具的拉斷力實(shí)測值及拉斷力保留率

由表5 可知：采用二層式預(yù)絞絲進(jìn)行拉斷力測試時(shí)，測試結(jié)果均不理想，6 種導(dǎo)線樣品的實(shí)測拉斷力（圖7 中F實(shí)測?二層式預(yù)絞絲曲線對應(yīng)結(jié)果）均小于RTS，拉斷力測試結(jié)果不合格（F實(shí)測＜RTS）。 采用三層預(yù)絞絲進(jìn)行拉斷力測試時(shí)，6 種導(dǎo)線樣品的拉斷力值均大于RTS（圖7 中F實(shí)測?三層預(yù)絞絲曲線對應(yīng)結(jié)果），拉斷力測試結(jié)果合格（F實(shí)測＞RTS），且其拉斷力保留率（圖7 中拉斷力保留率γ?3 層式預(yù)絞絲對應(yīng)結(jié)果）均大于90%。

由圖7 可知：在導(dǎo)線絞合用鋁包鋼單線鋼芯材料相同、預(yù)絞絲相同的條件下，具備大伸長鋁包鋼單線的導(dǎo)線樣品，拉斷力測試時(shí)其拉斷力保留率γ值更大。

3.4.3 金具對拉斷力測試結(jié)果的影響

文獻(xiàn)［18］的研究結(jié)果指出，采用不同廠家同一規(guī)格壓接金具測試 JL／LB20A?400／35 型導(dǎo)線拉斷力時(shí)，其測試結(jié)果存在較大差異。 即使采用同一廠家同一規(guī)格的壓接金具，因壓接工藝的差異也會(huì)導(dǎo)致拉斷力測試結(jié)果的大幅度波動(dòng)。 結(jié)果表明：金具與導(dǎo)線的配合會(huì)顯著影響導(dǎo)線拉斷力的實(shí)測值。 本工作分別選用壓接管和預(yù)絞絲兩種金具進(jìn)行了鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力測試，測試結(jié)果表明配套金具的種類會(huì)顯著影響導(dǎo)線拉斷力的實(shí)測值。

采用壓接式金具測試導(dǎo)線拉斷力時(shí)，部分種類導(dǎo)線樣品實(shí)測拉斷力小于RTS，即前面所提及的、困擾行業(yè)的難題。 由圖6 的結(jié)果表明，僅提高鋁包鋼單線的抗拉強(qiáng)度或伸長率不足以解決拉斷力小于RTS這一問題，而同步提升鋁包鋼單線的伸長率及抗拉強(qiáng)度使得實(shí)測拉斷力小于RTS這一問題得到改善。

采用三層式預(yù)絞絲測試導(dǎo)線拉斷力時(shí)所有樣品的實(shí)測拉斷力均大于RTS，滿足GB／T 1179—2017《圓線同心絞架空導(dǎo)線》要求。 說明除鋁包鋼單線性能外，拉斷力測試時(shí)，配套金具的選擇同樣影響拉斷力的測試結(jié)果。 三層式預(yù)絞絲金具與鋁包鋼芯鋁絞線的配合更好，更能發(fā)揮其本身的抗拉水平。

4 結(jié) 論

本工作結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉斷力計(jì)算方法和實(shí)際測試驗(yàn)證分析，研究了鋁包鋼芯鋁絞線拉斷力的影響因素，并得出了如下結(jié)論：

（1）鋁包鋼單線的抗拉強(qiáng)度和伸長率均會(huì)影響鋁包鋼芯鋁絞線的拉斷力實(shí)測值，但鋁包鋼單線伸長率的影響更大，提高鋁包鋼單線伸長率可以提升拉斷力保留率。

（2）采用壓接管金屬拉斷力測試時(shí)，需要同步提高鋁包鋼單線的抗拉強(qiáng)度和伸長率才能確保拉斷力實(shí)測值大于RTS。

（3）配套金具的選擇顯著影響拉斷力的測試結(jié)果，本工作采用三層預(yù)絞絲進(jìn)行拉斷力測試時(shí)，可以獲得較高的拉斷力保留率（γ＞90%），測得的拉斷力較高，因此，可以保證各類樣品的拉斷力實(shí)測值均大于RTS。