输电导线在短时过负荷下力学特性研究邱秋辉

输电导线在短时过负荷下力学特性研究邱秋辉

邱秋辉

（广东电网有限责任公司东莞供电局广东省东莞市523000）

摘要：为模拟短时过负荷对架空导线的影响，将绞后铝线、铝包钢线和镀锌钢线分别置于室温和不同温度的烘箱内，经一定时长保温后，测试各单线的力学性能，并对各保温时段、温度的单线的组织结构进行金相分析。试验结果表明：铝线由于其组织结构特点，经回复退火，随保温温度升高，保温时间增加，铝线抗拉强度降低；随线径增加，抗拉强度损失率降低。铝包钢线和镀锌钢线随保温温度升高，时间增加，抗拉强度强度略有升高。

关键词：架空导线；短时过负荷；回复退火；抗拉强度

ResearchonMechanicsCharacteristicofTransmissionconductorunderShort-timeOverload

Abstract：Inordertosimulatetheinfluenceofshort-timeoverloadtotheoverheadconductors,thestrandedaluminumwires,aluminum-cladsteelwiresandgalvanizedsteelwiresremovedfromtheconductorswereputintotheovenswithdifferenttemperatureandroomtemperature,aftercertainhoursheatpreservation,tomeasurethemechanicalpropertiesofthewires,andtestthemicrostructureofthewiresindifferenttimes,differenttemperaturethroughmetallographicanalysis.Theresultsshowthatwiththeincreasingofannealingtemperatureandtime,thetensilestrengthofthealuminumwiresreduced,buttothealuminum-cladsteelwiresandgalvanizedsteelwires,thetensilestrengthofthemslightlyincreased.Besides,thetensilestrengthlossrateofthealuminumwiresreducedwiththeincreasingoftheirdiameters.

Keywords：overheadconductor,short-timeoverload,recoveryannealing,tensilestrength

1引言

目前我国电网实行的安全稳定控制原则是：架空线路的输送容量是按“N－1”控制[1,2]。因此在正常运行情况下，线路的输送能力没有超过其长期允许载流量的50%，利用效率很低[3]。随着社会经济的发展，全社会对电力需求日益增长，这就出现一对矛盾：一方面架空线路设备利用率很低，另一方面负荷高峰期结构性限电问题突出。因此对于电力运行部门而言，如何在保证电网安全的前提下充分利用线路的安全裕度显得尤为重要。

为解决这一矛盾，现实的方法是提高导线的运行温度，有研究表明：将导线的运行温度从70℃提高到80℃，可以增加25%的输送容量[3]。但是，在这种条件下，温升对导体材料性能的影响不可忽视。

国电电力建设研究院研究了未绞合单丝持续在升温条件下，硬铝线、铝镁硅合金线及镀锌钢线强度的变化情况，结果表明：铝线随线径减小，温度升高，强度损失率增加；而镀锌钢线和铝镁硅合金线，强度损失为0。对于绞线，上世纪80年代，苏联学者研究发现：钢芯铝绞线在短时间受热90~150℃时，强度不降反升；而日本学者研究发现，钢芯铝绞线的强度在90℃时会有所下降，但仍然不低于计算拉断力[4]。

上述研究都从宏观上揭示了温升对导线材料力学性能的影响，但并未指出温升是如何影响导线材料的力学性能。此外，上述研究中所用单丝是绞前单丝，与导线的绞后单丝有一定差异。因此，本文将以绞后单丝为研究对象，探究温升对材料纤维组织结构的影响，从而揭示温升对材料力学性能的影响的原因。

2试验方案

2.1单线力学性能

选取国内常用的导线规格JL/G1A-240/30、JL/LB1A-720/50的绞后硬铝线、镀锌钢线和铝包钢线，其硬铝线的直径分别为：3.60mm，4.44mm，镀锌钢线直径为2.40mm，铝包钢线直径为2.96mm[5]。为保证试验样品的均匀性，取样规则及方式如图1所示：在同一单线的连续长度上截取，每段长度400mm的试样。

图1单线取样方式示意图

样品编号后放置在室温，80℃、90℃、100℃、110℃、120℃温度的烘箱，在加热一定时间（200h、400h、1000h）后，取出样品在室温条件下自然冷却，并放置不小于24h后，用CMT5105型微机控制电子万能试验机测试单线的抗拉强度，绘制单线抗拉强度与时间和温度曲线。

2.2热处理后后单线显微分析

从原始态，热处理后的铝线、镀锌钢线、铝包钢线中按照温度、时间分组，每组中随机取小段，沿其径向和轴向用酚醛树脂镶嵌。研磨、抛光后，对铝线试样用0.5%HF溶液浸蚀，对镀锌钢线试样用4%硝酸酒精浸蚀，对铝包钢线试样用50%HF溶液浸蚀。浸蚀后的样品用ZEISSAX10型金相显微镜观察材料组织结构变化情况，用HXS-1000A型维氏硬度计测量材料的显微硬度。

3试验结果与分析

3.1单线力学性能变化

3.1.1硬铝线力学性能变化曲线

图2A,B为线径为3.60mm的铝线强度变化曲线，由图2A可见，随保温时间增加，铝线的抗拉强度降低；且随保温温度升高，铝线强度降低幅度增加。图2B可见，随保温温度升高，铝线的抗拉强度显著降低；且随保温时间增加，铝线强度降低幅度增加。

铝的熔点为Tm铝=660.4℃，有色金属的高温回复温度为0.3Tm铝（198℃），本试验所用温度对材料起到了低温回复和中温回复的作用。回复的本质是点缺陷的运动和位错运动的重新组合，其驱动力是变形储存能。在此过程中组织结构没有明显变化，仍保持纤维状组织[8]，如图5B、C、D、E、F。但其力学性能，如强度、硬度在回复阶段都略有下降，如图2A、B和表1所示，相应的材料的延伸率会有所提高。

由于工业纯铝的热处理不强化特性，硬铝线的抗拉强度随随线径减小而增加，这是因为小线径铝线在生产过程中的变形率更大，材料内部的点缺陷和位错更多，加工硬化效果更为明显。本研究中，对不同线径的铝线进行回复退火，在相同温度和时间内，小线径的铝线退火效果更为显著，其强度损失率更大，如图2c所示。

3.4镀锌钢线及铝包钢线金相分析

由图7A可见，铝包钢线因其生产工艺[9]，铝层和钢芯之间并非紧密结合，只是机械接触。因此在受力过程中，由于铝层的弹性模量及伸长率均小于钢芯，会在钢芯仍处于伸长阶段时就发生断裂，铝层断裂后，整个铝包钢线的受力面积迅速减小，钢线随即发生断裂。在本研究中，通过对铝包钢线长时间保温处理，铝层因受到回复退火作用，延伸率得到提高（见前文）。在受力过程中，能够与钢芯变形保持一致，甚至晚于钢芯发生断裂，因此整个铝包钢线的强度得到较大提高，见图3。

而镀锌钢线，锌层与钢线之间形成了金属间化合物FeZn7层[10]，锌层与钢线之间的结合更为紧密，见图7B。在受力过程中，镀锌层和钢芯变形基本一致。本研究中的保温温度对钢芯而言，尚达不到低温退火温度，但是由于锌的熔点较低（Tm锌=419.5℃），此温度能使外层η锌向金属间化合物FeZn7层迁移[11]。FeZn7层的性质与钢芯基本一致，较厚的FeZn7层一定程度上增加了受力过程中的钢芯的承载面积，从而导致随保温温度升高，保温时间增加，钢线的抗拉强度小幅增加，如图4所示。

4结论

4.1由于回复退火作用，经长时保温处理的铝线强度降低显著，延伸率有所提高，但显微组织并未发生明显变化。

4.2铝线线径越小，生产过程中的加工强化效果越明显，回复退火后铝线的强度损失率越高。

4.2对铝包钢线而言，其外部铝包层受到回复退火作用，延伸率的提高有利于钢线强度的充分发挥，因此强度显著提高。

4.3镀锌钢线由于保温处理促使外层η锌向金属间化合物FeZn7层迁移，FeZn7层厚度的增加，使得镀锌钢线强度有所提高。

参考文献

[1]彭向阳，周华敏.架空输电线路应急状态下短时过负荷运行的可行性研究[J].广东电力，2012，25（6）：24-29.

[2]叶鸿声，龚大卫，黄伟中，赵君虎，周丹羽，沈潜,周康，袁志磊.提高导线允许温度的可行性研究和工程实施[J].电力建设，2004，25（9）：1-7.

[3]叶鸿声，龚大卫，黄伟中.提高导线允许温度增加线路输送容量的研究及在500kV线路上的应用[J].华东电力，2006，34（8）：43-46.

[4]张启平，钱之银.输电线路增容技术[M].北京：中国电力出版社，2010：80-81.

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[7]李炯辉等.金属材料金相图谱[M].北京：机械工业出版社，2006：1638-1648.

[8]崔振铎，刘华山.金属材料及热处理[M].长沙：中南大学出版社，2010：131-135.

[9]段国权，王金麟，邓良，汪捷刚，季汉中.铝包钢线的生产技术及其在架空输电线路中的应用[J].电线电缆，2005，1：3-7.

[10]朱立.钢材热镀锌[M].北京：化学工业出版社，2006：6.

[11]邵大伟，贺志荣，张永宏，何应.钢材热浸镀锌层的相结构及其形成机制[J].材料热处理技术，2012，41（20）：122-125.

作者简介

邱秋辉（1977.04—），男，广东省龙川县人。现为广东电网有限责任公司东莞供电局高级技师、工程师，长期从事输电线路运行与检修工作。