摘 要:為保障輸電線路導線在高溫(８０~１５０ ℃)條件下正常運行,研究了導線單線在不同溫 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],然而溫度升高對導線材料力學性能的影 響卻是不容忽視的.因此,研究導線單線在高溫運 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 電 力 建 設 研 究 院 研 究 了 線 材 經 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 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為 １００mm??min－１,鋁單線依據 GB/T１１７９－２０１７«圓線 同心絞架空導線»設定拉伸速率為５０mm??min－１.試驗結果?。蹈嚇涌估瓘姸鹊钠骄?

１．２ 不確定度評定

測量不確定度的主要來源有重復測量引入的不 確定度、試樣尺寸測量引入的不確定度、測力系統示 值誤差引入的不確定度、數值修約引入的不確定度 等,此外,如有需要還應考慮材料均勻性、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;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 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 據 采 集 系 統 帶 來 的 不 確 定度.

由于鋁單線的斷裂載荷較低,選用１０kN 拉伸 試驗機作為試驗設備,數據采集系統的載荷值準確 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 驗機作為試驗設備,數據采集系統的載荷值準確度 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JJF１１０３－２００３«萬能試驗機計算機數據 采集系統評定»中計量技術規(guī)范 B３給出的結果,得 到計算機數據采集系統所引入的 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 GB/T２２８．１－２０１０標準,測定原始橫截 面積 時 應 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 GB/T２２８．１－２０１０標準,數據修約間隔 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％.結合３０kN 拉伸試驗機測試系統抗拉強 度測試結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.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,這３個 因素對試驗結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果如表４所示.經 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,產生該現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,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.

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

此次試驗的最高加熱溫度為１５０ ℃,未到達鋁 的再結晶溫度,因此硬鋁線強度降低的主要原因是 回復現象.當加熱溫度不高時,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,回復使金屬的強 度和硬度略有下降,塑性略有升高,內應力顯著降 低,電阻降低.

４ 結論

(１)鍍 鋅 鋼 線 在 １５０ ℃ 及 以 下,加 熱 時 間 在 １０００h以內,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:

[１] 中國電力企業(yè)聯合會．１１０kV~７５０kV 架空輸電線 路設計 規(guī) 范:GB５０５４５－２０１０[S]．北 京:人 民 出 版 社,２０１０．

[２] 周靜波,許宏偉,李志翔,等．輸電導線斷裂原因分析 [J]．理化檢驗(物理分冊),２０１８,５４(５):３４３Ｇ３４７．

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[７] 劉東雨,李文杰,韓鈺,等．高電導率耐熱鋁合金導體 材料的合金設計[J]．材料熱處理學報,２０１４,３５(z１):

文章來源——材料與測試網