摘 要:為保障輸電線路導(dǎo)線在高溫(８０~１５０ ℃)條件下正常運行,研究了導(dǎo)線單線在不同溫 度及持續(xù)時間條件下抗拉強度的變化規(guī)律,圍繞溫度、時間和單線直徑３個因素開展了鍍鋅鋼線和 硬鋁線高溫試驗.利用高溫烘箱模擬高溫環(huán)境,微機控制電子萬能材料試驗機測試單線抗拉強度, 采用正交試驗法分析單線抗拉強度損失率的顯著影響因素.結(jié)果表明:鍍 鋅 鋼 線 在 溫 度 低 于 １５０ ℃,加熱時間小于１０００h時,抗拉強度損失率較小;硬鋁線的加熱溫度越高,加熱時間越長,抗 拉強度損失率越大,其中溫度是影響抗拉強度損失率的顯著因素,時間是次顯著因素,單線直徑對 抗拉強度損失率的影響最小. 

關(guān)鍵詞:輸電線路;鍍鋅鋼線;硬鋁線;抗拉強度;強度損失;高溫試驗 

中圖分類號:TM２０６ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６２１Ｇ０５

架空導(dǎo)線是電能輸送的載體,其最高運行溫度 一般不超過７０ ℃ [１Ｇ２].有研究表明,將導(dǎo)線的運行 溫度從７０ ℃提高到８０ ℃,其電能輸送容量可以增 加２５％ [３],然而溫度升高對導(dǎo)線材料力學(xué)性能的影 響卻是不容忽視的.因此,研究導(dǎo)線單線在高溫運 行條件下強度損失的情況,了解其在不同溫度及持 續(xù)時間條件下強度變化的情況,可以為輸電線路的 日常維護提供參考.

國網(wǎng) 電 力 建 設(shè) 研 究 院 研 究 了 線 材 經(jīng) 過 ７０~ １００ ℃持續(xù)加熱１０００h后強度損失的情況,認為硬 鋁線隨著其直徑的減小,強度損失率逐漸增大;而鍍 鋅鋼線的強度沒有損失[４].上海電纜研究所對導(dǎo)線 單線在持續(xù)升溫條件下抗拉強度的變化情況進行了研究,認為隨著保溫時間的延長,硬鋁線的抗拉強度 降低,且隨著保溫溫度的升高,抗拉強度降低的幅度 增加;而對于鍍鋅鋼線,隨著保溫時間的延長和保溫 溫度的升高,抗拉強度略有增大[５].可以看出,單線 直徑、加熱溫度和加熱時間是影響導(dǎo)線單線抗拉強 度的主要因素.但上述研究都是從影響抗拉強度的 單一因素方面入手,并沒有綜合分析各影響因素的 顯著水平,同時未考慮試驗誤差對結(jié)果的影響.為 此,筆者采用正交試驗法對抗拉強度的影響因素進 行了綜合分析,并對產(chǎn)生這些影響的原因進行了詳 細剖析,同時對抗拉強度進行了測量不確定度評定, 以了解測量結(jié)果的誤差,進而掌握更為準確的抗拉 強度變化情況. 

１ 試驗方法 

１．１ 力學(xué)性能測試 

溫度、時間、單線直徑３個因素水平的選取如表 １所示.以抗拉強度損失率作為評價指標,其計算 方法為經(jīng)過高溫處理后單線抗拉強度降低值與常溫 條件下抗拉強度的比值乘以１００％,基于此設(shè)計了 一組常溫試驗用于計算抗拉強度損失率.

針對鍍鋅鋼線和硬鋁線分別設(shè)計了３因素４水 平正交試驗,選取 L１６ (４５)正交表研究各因素的主 次順序及顯著水平. 

為了更接近于導(dǎo)線實際運行狀態(tài),選取絞后單 線作為試樣.在同一單線的連續(xù)長度上取樣,以保 證試樣的一致性,每根試樣長度為４００mm,每個測 試點?。蹈嚇?

高溫試驗在４臺相同型號的烘箱中進行.高溫 處理后的試樣在室溫條件下放置不少于２４h,依據(jù) GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗 第１部分:室 溫試驗方法»,用計算機控制電子萬能試驗機進行拉 伸試驗,測試抗拉強度.鍍鋅鋼線的拉伸速率設(shè)為 １００mm??min－１,鋁單線依據(jù) GB/T１１７９－２０１７«圓線 同心絞架空導(dǎo)線»設(shè)定拉伸速率為５０mm??min－１.試驗結(jié)果取５根試樣抗拉強度的平均值.

１．２ 不確定度評定 

測量不確定度的主要來源有重復(fù)測量引入的不 確定度、試樣尺寸測量引入的不確定度、測力系統(tǒng)示 值誤差引入的不確定度、數(shù)值修約引入的不確定度 等,此外,如有需要還應(yīng)考慮材料均勻性、試樣夾持 方法、試驗速率、施力的軸向性等因素引入的不確定 度.該試驗僅考慮主要來源,試驗溫度為室溫,評定 過程如下[６].

(１)抗拉強度 A 類不確定度評定

一組試樣重復(fù)性測量的標準不確定度采用 A 類方法進行評定,試驗標準偏差 Si 按貝塞爾公式 計算

式中:n 為測量次數(shù);X?? 為平均值. 

式中:Rm 為抗拉強度;Fm 為最大載荷;S０ 為原始橫 截面積. 

B類合成不確定度ucrelB(Rm)為

式中:urel(off)為修約的相對標準不確定度分項. 影響最大載荷的主要因素是試驗機測力系統(tǒng) 示值誤差帶 來 的 不 確 定 度,其 次 是 標 準 測 力 儀 的 不確 定 度 和 計 算 機 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 帶 來 的 不 確 定度. 

由于鋁單線的斷裂載荷較低,選用１０kN 拉伸 試驗機作為試驗設(shè)備,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的載荷值準確 度為０．５級,載荷示值誤差為±０．５％,因此鋁單線 抗拉強度測試用拉伸試驗機系統(tǒng)示值誤差帶來的標準不確定度urel(F１Ｇ１)為

鍍鋅鋼線的斷裂載荷較大,選用３０kN 拉伸試 驗機作為試驗設(shè)備,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的載荷值準確度 為１級,載荷示值誤差為±１％,因此鍍鋅鋼線抗拉 強度測試用拉伸試驗機系統(tǒng)示值誤差帶來的標準不 確定度urel(F１Ｇ２)為

上述兩臺拉伸試驗機借助０．３級標準測力儀進 行校準,校準源的不確定度為０．３％,其置信因子為 ２,則其相對標準不確定度urel(F２)為

根據(jù)JJF１１０３－２００３«萬能試驗機計算機數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)評定»中計量技術(shù)規(guī)范 B３給出的結(jié)果,得 到計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所引入的 B 類相對標準不 確定度urel(F３)為

最大載荷的相對標準不確定度分項為

(３)原始橫截面積S０ 的相對標準不確定度分 項評定. 

原始橫截面積的計算公式為

式中:d 為單線直徑.

根據(jù) GB/T２２８．１－２０１０標準,測定原始橫截 面積 時 應(yīng) 準 確 到 ±０．５％,橫 截 面 積 測 量 誤 差 為 ±１％,按照均勻分布考慮,由JJF１０５９．１－２０１２«測 量不確定度評定與表示»的表３可知,橫截面積的相 對標準不確定urel(S０)為

根據(jù) GB/T２２８．１－２０１０標準,數(shù)據(jù)修約間隔 為１MPa.在抗拉強度水平,按均勻分布,修約的相 對標準不確定度分項urel(off)為

抗拉強度的合成相對標準不確定度ucrel(Rm)為

取置信概率p＝９５％,kp ＝２,抗拉強度的相對 擴展不確定度Urel(Rm)為

根據(jù)上述公式計算出鍍鋅鋼線抗拉強度的相對 擴展不確定度為３％,硬鋁單線抗拉強度的相對擴 展不確定度為２．８％.

２ 試驗結(jié)果與分析 

２．１ 鍍鋅鋼線抗拉強度損失率分析 

２．１．１ 曲線法 

圖１為鍍鋅鋼線在不同溫度、不同加熱時間條 件下其抗拉強度損失率的變化曲線,可見在各加熱 時間條件下,強度損失率沒有明顯增加,其變化范圍 小于３％.結(jié)合３０kN 拉伸試驗機測試系統(tǒng)抗拉強 度測試結(jié)果的相對擴展不確定度為３％,可知抗拉 強度損失率的變化范圍均在抗拉強度相對擴展不確 定度范圍內(nèi).另外從圖１還可以看出部分加熱溫度 和時間條件下,鍍鋅鋼線的抗拉強度略有增加,但增 幅較小,且抗拉強度損失率曲線無明顯變化規(guī)律,因 此考慮是由試驗誤差引起抗拉強度的變化.

２．１．２ 極差法 

根據(jù)正交試驗方案表 L１６(４５),采用極差法對 鍍鋅鋼線抗拉強度影響因素進行分析,結(jié)果如表２ 所示,可見時間、溫度、直徑３個因素的極差相差不 大,極差值較小,說明在該試驗條件范圍內(nèi),這３個 因素對試驗結(jié)果的影響沒有主次順序.

２．２ 硬鋁線抗拉強度損失率分析 

２．２．１ 曲線法

圖２為硬 鋁 線 在 不 同 溫 度、不 同 加 熱 時 間 條 件下其抗拉 強 度 損 失 率 的 變 化 曲 線,可 以 看 出 加 熱溫度越高,硬鋁線的抗拉強度損失率越大,當(dāng)加 熱 溫 度 為 １５０ ℃,加 熱 時 間 為 １０ h,直 徑 為 ２．８５mm 和３．６mm的 單 線 強 度 損 失 率 達 到 了 １０％;加熱時間大 于 １００h,全 部 單 線 的 強 度 損 失 率均超過１０％. 

圖３為直徑２．８５ mm 單線的抗拉強度損失率 隨加熱時間的變化曲線,可以看出在相同的加熱溫 度條件下,加熱時間越長,抗拉強度損失率越大.

２．２．２ 極差法 

根據(jù)正交試驗方案表 L１６(４５),采用極差法分 析了各因素對抗拉強度的影響如表３所示,影響硬 鋁線抗拉強度因素的主次順序為 B(溫度)、A(時 間)、C(直徑),通過各因素水平的y??i 值可以看出, 加熱溫度越高,抗拉強度損失率越大;加熱時間越 長,抗拉強度損失率越大.

２．２．３ 方差法 

硬鋁線正交試驗方差分析結(jié)果如表４所示.經(jīng) 計算得到 C(直徑)因素的 FC 值為１．５２,查表得到 F０．２５(３,７３)＝２．４７,Fc＜F０．２５(３,７３),表明 C因素對試驗指標影響較小,為不顯著因素,因此將SC 歸入 誤差中.B(溫度)因素的顯著水平為０．０５,為最大 顯著因素.A(時間)因素的顯著水平為０．２５,為次 要顯著水平. 

３ 綜合分析 

文獻[４]認為隨著保溫時間的延長和保溫溫度 的升高,鍍鋅鋼線的抗拉強度略有升高,但是總體變 化不大,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是由于高溫條件促使材 料外 層 的 ηＧZn 向 金 屬 間 化 合 物 FeZn７ 層 遷 移, FeZn７層厚度增加使得鍍鋅鋼線的強度略有提高.

上述試驗通過對鍍鋅鋼線抗拉強度不確定度的 評定,并結(jié)合抗拉強度損失率曲線以及正交試驗分 析,得出其抗拉強度變化范圍在抗拉強度相對擴展 不確定度范圍內(nèi),溫度、時間和單線直徑３個因素對 鍍鋅鋼線抗拉強度損失率的影響沒有主次順次,溫 度不是影響鍍鋅鋼線抗拉強度的優(yōu)先因素,這樣就 不能確定是加熱溫度間接導(dǎo)致抗拉強度的升高,此次試驗中鍍鋅鋼線的抗拉強度損失率變化較小,可 以認為其在試驗誤差范圍內(nèi).

由于硬鋁線在拉制過程中不斷變硬、變脆,抗拉 強度增加,硬化后的單線經(jīng)過一定的高溫處理,相當(dāng) 于經(jīng)歷了一次退火處理,其抗拉強度會出現(xiàn)明顯下 降.很多文獻都表明硬鋁線的起始再結(jié)晶溫度與鋁 中的雜質(zhì)元素含量有關(guān),約為１８５ ℃ [７].

此次試驗的最高加熱溫度為１５０ ℃,未到達鋁 的再結(jié)晶溫度,因此硬鋁線強度降低的主要原因是 回復(fù)現(xiàn)象.當(dāng)加熱溫度不高時,金屬原子短距離擴 散,使位錯密度有所降低,晶格畸變減少,但晶粒形 狀和大小不變,纖維組織仍然存在,回復(fù)使金屬的強 度和硬度略有下降,塑性略有升高,內(nèi)應(yīng)力顯著降 低,電阻降低. 

４ 結(jié)論 

(１)鍍 鋅 鋼 線 在 １５０ ℃ 及 以 下,加 熱 時 間 在 １０００h以內(nèi),其抗拉強度損失率較小,可以在低于 １５０ ℃的條件下長時間使用,正交試驗極差結(jié)果表 明溫度、時間和單線直徑３個因素對抗拉強度損失 率的影響沒有主次順序. 

(２)硬鋁線的加熱溫度越高,抗拉強度損失率 越大;加熱時間越長,抗拉強度損失率越大. 

(３)溫度是影響硬鋁線抗拉強度損失率的顯著 因素,時間是次顯著因素,直徑的影響最小. 

參考文獻: 

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文章來源——材料與測試網(wǎng)