分享：输电线路导线单线长时高温运行条件下的强度损失

摘 要:为保障输电线路导线在高温(８０~１５０ ℃)条件下正常运行,研究了导线单线在不同温 度及持续时间条件下抗拉强度的变化规律,围绕温度、时间和单线直径３个因素开展了镀锌钢线和 硬铝线高温试验.利用高温烘箱模拟高温环境,微机控制电子万能材料试验机测试单线抗拉强度, 采用正交试验法分析单线抗拉强度损失率的显著影响因素.结果表明:镀 锌 钢 线 在 温 度 低 于 １５０ ℃,加热时间小于１０００h时,抗拉强度损失率较小;硬铝线的加热温度越高,加热时间越长,抗 拉强度损失率越大,其中温度是影响抗拉强度损失率的显著因素,时间是次显著因素,单线直径对 抗拉强度损失率的影响最小. 

关键词:输电线路;镀锌钢线;硬铝线;抗拉强度;强度损失;高温试验 

中图分类号:TM２０６ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６２１Ｇ０５

架空导线是电能输送的载体,其最高运行温度 一般不超过７０ ℃ [１Ｇ２].有研究表明,将导线的运行 温度从７０ ℃提高到８０ ℃,其电能输送容量可以增 加２５％ [３],然而温度升高对导线材料力学性能的影 响却是不容忽视的.因此,研究导线单线在高温运 行条件下强度损失的情况,了解其在不同温度及持 续时间条件下强度变化的情况,可以为输电线路的 日常维护提供参考.

国网 电 力 建 设 研 究 院 研 究 了 线 材 经 过 ７０~ １００ ℃持续加热１０００h后强度损失的情况,认为硬 铝线随着其直径的减小,强度损失率逐渐增大;而镀 锌钢线的强度没有损失[４].上海电缆研究所对导线 单线在持续升温条件下抗拉强度的变化情况进行了研究,认为随着保温时间的延长,硬铝线的抗拉强度 降低,且随着保温温度的升高,抗拉强度降低的幅度 增加;而对于镀锌钢线,随着保温时间的延长和保温 温度的升高,抗拉强度略有增大[５].可以看出,单线 直径、加热温度和加热时间是影响导线单线抗拉强 度的主要因素.但上述研究都是从影响抗拉强度的 单一因素方面入手,并没有综合分析各影响因素的 显著水平,同时未考虑试验误差对结果的影响.为 此,笔者采用正交试验法对抗拉强度的影响因素进 行了综合分析,并对产生这些影响的原因进行了详 细剖析,同时对抗拉强度进行了测量不确定度评定, 以了解测量结果的误差,进而掌握更为准确的抗拉 强度变化情况. 

１ 试验方法 

１．１ 力学性能测试 

温度、时间、单线直径３个因素水平的选取如表 １所示.以抗拉强度损失率作为评价指标,其计算 方法为经过高温处理后单线抗拉强度降低值与常温 条件下抗拉强度的比值乘以１００％,基于此设计了 一组常温试验用于计算抗拉强度损失率.

针对镀锌钢线和硬铝线分别设计了３因素４水 平正交试验,选取 L１６ (４５)正交表研究各因素的主 次顺序及显著水平. 

为了更接近于导线实际运行状态,选取绞后单 线作为试样.在同一单线的连续长度上取样,以保 证试样的一致性,每根试样长度为４００mm,每个测 试点取５根试样.

高温试验在４台相同型号的烘箱中进行.高温 处理后的试样在室温条件下放置不少于２４h,依据 GB/T２２８．１－２０１０«金属材料 拉伸试验 第１部分:室 温试验方法»,用计算机控制电子万能试验机进行拉 伸试验,测试抗拉强度.镀锌钢线的拉伸速率设为 １００mm??min－１,铝单线依据 GB/T１１７９－２０１７«圆线 同心绞架空导线»设定拉伸速率为５０mm??min－１.试验结果取５根试样抗拉强度的平均值.

１．２ 不确定度评定 

测量不确定度的主要来源有重复测量引入的不 确定度、试样尺寸测量引入的不确定度、测力系统示 值误差引入的不确定度、数值修约引入的不确定度 等,此外,如有需要还应考虑材料均匀性、试样夹持 方法、试验速率、施力的轴向性等因素引入的不确定 度.该试验仅考虑主要来源,试验温度为室温,评定 过程如下[６].

(１)抗拉强度 A 类不确定度评定

一组试样重复性测量的标准不确定度采用 A 类方法进行评定,试验标准偏差 Si 按贝塞尔公式 计算

式中:n 为测量次数;X?? 为平均值. 

式中:Rm 为抗拉强度;Fm 为最大载荷;S０ 为原始横 截面积. 

B类合成不确定度ucrelB(Rm)为

式中:urel(off)为修约的相对标准不确定度分项. 影响最大载荷的主要因素是试验机测力系统 示值误差带 来 的 不 确 定 度,其 次 是 标 准 测 力 仪 的 不确 定 度 和 计 算 机 数 据 采 集 系 统 带 来 的 不 确 定度. 

由于铝单线的断裂载荷较低,选用１０kN 拉伸 试验机作为试验设备,数据采集系统的载荷值准确 度为０．５级,载荷示值误差为±０．５％,因此铝单线 抗拉强度测试用拉伸试验机系统示值误差带来的标准不确定度urel(F１Ｇ１)为

镀锌钢线的断裂载荷较大,选用３０kN 拉伸试 验机作为试验设备,数据采集系统的载荷值准确度 为１级,载荷示值误差为±１％,因此镀锌钢线抗拉 强度测试用拉伸试验机系统示值误差带来的标准不 确定度urel(F１Ｇ２)为

上述两台拉伸试验机借助０．３级标准测力仪进 行校准,校准源的不确定度为０．３％,其置信因子为 ２,则其相对标准不确定度urel(F２)为

根据JJF１１０３－２００３«万能试验机计算机数据 采集系统评定»中计量技术规范 B３给出的结果,得 到计算机数据采集系统所引入的 B 类相对标准不 确定度urel(F３)为

最大载荷的相对标准不确定度分项为

(３)原始横截面积S０ 的相对标准不确定度分 项评定. 

原始横截面积的计算公式为

式中:d 为单线直径.

根据 GB/T２２８．１－２０１０标准,测定原始横截 面积 时 应 准 确 到 ±０．５％,横 截 面 积 测 量 误 差 为 ±１％,按照均匀分布考虑,由JJF１０５９．１－２０１２«测 量不确定度评定与表示»的表３可知,横截面积的相 对标准不确定urel(S０)为

根据 GB/T２２８．１－２０１０标准,数据修约间隔 为１MPa.在抗拉强度水平,按均匀分布,修约的相 对标准不确定度分项urel(off)为

抗拉强度的合成相对标准不确定度ucrel(Rm)为

取置信概率p＝９５％,kp ＝２,抗拉强度的相对 扩展不确定度Urel(Rm)为

根据上述公式计算出镀锌钢线抗拉强度的相对 扩展不确定度为３％,硬铝单线抗拉强度的相对扩 展不确定度为２．８％.

２ 试验结果与分析 

２．１ 镀锌钢线抗拉强度损失率分析 

２．１．１ 曲线法 

图１为镀锌钢线在不同温度、不同加热时间条 件下其抗拉强度损失率的变化曲线,可见在各加热 时间条件下,强度损失率没有明显增加,其变化范围 小于３％.结合３０kN 拉伸试验机测试系统抗拉强 度测试结果的相对扩展不确定度为３％,可知抗拉 强度损失率的变化范围均在抗拉强度相对扩展不确 定度范围内.另外从图１还可以看出部分加热温度 和时间条件下,镀锌钢线的抗拉强度略有增加,但增 幅较小,且抗拉强度损失率曲线无明显变化规律,因 此考虑是由试验误差引起抗拉强度的变化.

２．１．２ 极差法 

根据正交试验方案表 L１６(４５),采用极差法对 镀锌钢线抗拉强度影响因素进行分析,结果如表２ 所示,可见时间、温度、直径３个因素的极差相差不 大,极差值较小,说明在该试验条件范围内,这３个 因素对试验结果的影响没有主次顺序.

２．２ 硬铝线抗拉强度损失率分析 

２．２．１ 曲线法

图２为硬 铝 线 在 不 同 温 度、不 同 加 热 时 间 条 件下其抗拉 强 度 损 失 率 的 变 化 曲 线,可 以 看 出 加 热温度越高,硬铝线的抗拉强度损失率越大,当加 热 温 度 为 １５０ ℃,加 热 时 间 为 １０ h,直 径 为 ２．８５mm 和３．６mm的 单 线 强 度 损 失 率 达 到 了 １０％;加热时间大 于 １００h,全 部 单 线 的 强 度 损 失 率均超过１０％. 

图３为直径２．８５ mm 单线的抗拉强度损失率 随加热时间的变化曲线,可以看出在相同的加热温 度条件下,加热时间越长,抗拉强度损失率越大.

２．２．２ 极差法 

根据正交试验方案表 L１６(４５),采用极差法分 析了各因素对抗拉强度的影响如表３所示,影响硬 铝线抗拉强度因素的主次顺序为 B(温度)、A(时 间)、C(直径),通过各因素水平的y??i 值可以看出, 加热温度越高,抗拉强度损失率越大;加热时间越 长,抗拉强度损失率越大.

２．２．３ 方差法 

硬铝线正交试验方差分析结果如表４所示.经 计算得到 C(直径)因素的 FC 值为１．５２,查表得到 F０．２５(３,７３)＝２．４７,Fc＜F０．２５(３,７３),表明 C因素对试验指标影响较小,为不显著因素,因此将SC 归入 误差中.B(温度)因素的显著水平为０．０５,为最大 显著因素.A(时间)因素的显著水平为０．２５,为次 要显著水平. 

３ 综合分析 

文献[４]认为随着保温时间的延长和保温温度 的升高,镀锌钢线的抗拉强度略有升高,但是总体变 化不大,产生该现象的原因是由于高温条件促使材 料外 层 的 ηＧZn 向 金 属 间 化 合 物 FeZn７ 层 迁 移, FeZn７层厚度增加使得镀锌钢线的强度略有提高.

上述试验通过对镀锌钢线抗拉强度不确定度的 评定,并结合抗拉强度损失率曲线以及正交试验分 析,得出其抗拉强度变化范围在抗拉强度相对扩展 不确定度范围内,温度、时间和单线直径３个因素对 镀锌钢线抗拉强度损失率的影响没有主次顺次,温 度不是影响镀锌钢线抗拉强度的优先因素,这样就 不能确定是加热温度间接导致抗拉强度的升高,此次试验中镀锌钢线的抗拉强度损失率变化较小,可 以认为其在试验误差范围内.

由于硬铝线在拉制过程中不断变硬、变脆,抗拉 强度增加,硬化后的单线经过一定的高温处理,相当 于经历了一次退火处理,其抗拉强度会出现明显下 降.很多文献都表明硬铝线的起始再结晶温度与铝 中的杂质元素含量有关,约为１８５ ℃ [７].

此次试验的最高加热温度为１５０ ℃,未到达铝 的再结晶温度,因此硬铝线强度降低的主要原因是 回复现象.当加热温度不高时,金属原子短距离扩 散,使位错密度有所降低,晶格畸变减少,但晶粒形 状和大小不变,纤维组织仍然存在,回复使金属的强 度和硬度略有下降,塑性略有升高,内应力显著降 低,电阻降低. 

４ 结论 

(１)镀 锌 钢 线 在 １５０ ℃ 及 以 下,加 热 时 间 在 １０００h以内,其抗拉强度损失率较小,可以在低于 １５０ ℃的条件下长时间使用,正交试验极差结果表 明温度、时间和单线直径３个因素对抗拉强度损失 率的影响没有主次顺序. 

(２)硬铝线的加热温度越高,抗拉强度损失率 越大;加热时间越长,抗拉强度损失率越大. 

(３)温度是影响硬铝线抗拉强度损失率的显著 因素,时间是次显著因素,直径的影响最小. 

参考文献: 

[１] 中国电力企业联合会．１１０kV~７５０kV 架空输电线 路设计 规 范:GB５０５４５－２０１０[S]．北 京:人 民 出 版 社,２０１０． 

[２] 周静波,许宏伟,李志翔,等．输电导线断裂原因分析 [J]．理化检验(物理分册),２０１８,５４(５):３４３Ｇ３４７． 

[３] 叶鸿声,龚大卫,黄伟中,等．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):１Ｇ７． 

[４] 刘长青,刘胜春,陈永虓,等．提高导线发热允许温度 的试验研究[J]．电力建设,２００３,２４(８):２４Ｇ２６． 

[５] 黄健华,王煦,黄国飞,等．短时过负荷对架空导线单 线力学性能的影响[J]．理化检验(物理分册),２０１４, ５０(８):５５８Ｇ５６２． 

[６] 赵永锋,林小刚,陈杰,等．金属材料室温拉伸试验测 量不确定度的评定[J]．理化检验(物理分册),２０１８, ５４(９):６５７Ｇ６６１． 

[７] 刘东雨,李文杰,韩钰,等．高电导率耐热铝合金导体 材料的合金设计[J]．材料热处理学报,２０１４,３５(z１):

文章来源——材料与测试网