經噴砂處理后亞光架空導線的鋁單線性能

鄭 秋， 張傳省， 王詩勇， 趙文明， 劉 斌， 黨 朋， 沈建華

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.無錫江南電纜有限公司，江蘇宜興214251)

0 引言

隨著城市的發展和公共設施的完善，光污染已日漸成為一些特殊場合周邊環境條件的重要影響因素。例如機場周邊的光污染會對飛行員駕駛和飛機安全起降產生嚴重影響。為有效降低機場周邊設施的反射光對飛行員駕駛的影響，從而避免由此帶來的安全隱患，相關部門對機場周邊設施的表面反射度提出了一定要求。這些設施就包括機場周圍的架空輸電線路。傳統的架空導線表面呈光亮的鏡面，而對于機場附近，有必要采用表面反射度低的亞光架空導線。在不影響輸電線路正常運行的前提下，以最大限度地減少導線表面反射的太陽光，從而降低光污染。在歐美一些國家，相關部門要求在機場等特殊場合下必須使用亞光架空導線，并對導線表面反射度提出了嚴格要求。

本文介紹了四種鋁表面的亞光處理方法，并重點對噴砂處理前后架空導線的鋁單線性能進行了對比分析。

1 鋁表面的亞光處理方法

架空導線以鋁或鋁合金作為導體來傳輸電能，鋁的表面處理有化學法、電化學法和物理方法。為使鋁制品表面呈現亞光狀態，目前普遍采用的是氧化和著色，氧化主要包括化學氧化和陽極氧化。另外，對于鋁表面的亞光處理，還包括亞光電泳涂漆和噴砂處理，其中僅噴砂處理屬于物理方法。

1.1 化學及電化學處理法

1.1.1 化學氧化處理

化學氧化中的化學消光和酸蝕亞光處理，均為鋁材表面因發生均勻腐蝕而變得無光，其利用溶液中起活化作用的氟離子或其它鹵族元素的離子，具有強大的穿透能力，能有效溶解鋁制品表面的氧化膜，進而侵蝕基體金屬，使之出現許多高度均勻、高密度分布的腐蝕點。同樣在含有鹵族元素離子的溶液中進行電解也是基于這個原因，使鋁材表面呈現無光澤狀態，類似的還有堿蝕亞光處理，但其鋁耗損量是酸蝕的5倍以上。二者都對環境造成嚴重的污染:酸蝕工藝將產生氟化氫等有毒氣體污染、含氟離子廢水和氟鋁酸鹽廢渣等;堿蝕工藝將產生堿霧污染、含堿鋁離子廢水、氫氧化鋁廢渣。

1.1.2 陽極氧化處理及氧化膜著色

陽極氧化時陽極電位較高，由于電解質是強酸性的，故陽極反應首先是水的電解，產生初生態的氧原子。氧原子立即在陽極對鋁件表面發生化學氧化反應，生成氧化鋁，即薄而致密的陽極氧化膜。陽極氧化種類很多，常用的有硫酸法、草酸法、鉻酸法、硬質厚膜法、瓷質法等。

試驗表明，鋁單線經20 min陽極氧化處理后，其表面由光亮鏡面變為略灰色亞光表面，效果明顯。但利用陽極氧化得到理想的亞光表面，需要很長的反應時間，嚴重影響導線生產效率，不適用于實際生產。

陽極氧化膜的電解著色是，首先將鋁制件在硫酸電解液中制出潔凈的透明多孔的陽極氧化膜，再轉移到酸性的金屬鹽溶液中施以交流電電解處理，將金屬微粒不可逆地沉積在氧化膜孔隙底部。采用陽極氧化－著色處理的鋁制品，其最后工序還需進行封孔處理。

1.1.3 亞光電泳涂漆

亞光電泳涂料的亞光程度可通過高光漆和消光漆比例變化進行凋整，消光漆涂料產生亞光效果。制作消光電泳漆有三種原理:(1)在涂料中分散超細二氧化硅來達到降低光澤，但超細二氧化硅耐化學藥品性，特別是耐堿性差，不能獲得良好透明性的涂膜，對于涂裝施工復雜的被涂物，超細二氧化硅會在被涂物上沉積，因而在其部分區域會產生光澤差別等缺點。(2)將比重小的有機微粒子分散在涂料中，該方法對溶劑型噴涂用涂料或浸漬型涂裝用涂料是實用的，但對于電泳用涂料要考慮該有機微粒子的電泳性，即通電后的恒定速率泳動特性，水洗時不會造成有機微粒子脫落。(3)在電泳涂料用樹脂中形成不溶性的粒子內微凝膠［1］。

1.2 噴砂處理法及其優點

1.2.1 噴砂處理法

噴砂處理屬于機械物理方法，與化學方法(如堿蝕亞光處理)相比，不但降低了生產成本，而且大大減少了使用化學處理方法所帶來的大量廢水、廢氣污染，可以稱之為“綠色工藝”。

傳統堿蝕方法生產鋁材亞光表面時，由于槽液同鋁金屬發生反應，所以導致約5%的鋁金屬溶解在堿槽內，造成鋁損。在噴砂處理中，依靠沙粒高速沖擊鋁導體表面，留下無數細小的凹坑而形成亞光表面。整個加工過程中，鋁導體表面受到的幾乎只是擠壓，并無明顯鋁損。本文對噴砂處理前后亞光架空導線鋁單線單位長度質量的對比正說明了這一點。

1.2.2 噴砂處理法在實際生產應用中的優勢

上述四種鋁表面處理方法原理上均可使鋁表面呈現亞光狀態，但考慮到架空導線實際生產的特點，化學方法和電化學方法需要的時間過長，在不影響導線生產前期絞制工序的前提下，很難與架空導線的絞制生產結合起來，而且需要對廠房進行較大改造。故化學氧化處理、陽極氧化處理和亞光電泳涂漆不適用于線纜行業產品需連續生產的特點。

噴砂處理是物理方法，且噴砂設備結構簡單，占地面積小，只要尺寸設計合理，完全可以與導線絞制生產線結合起來，實現在線噴砂處理:即絞線在絞制完成后，直接進入噴砂室;在噴砂處理中，僅對絞線最外層鋁單線的部分外表面進行處理，依靠沙粒高速沖擊絞線最外層鋁導體表面，留下無數細小的凹坑而形成漫反射面即亞光表面;完成噴砂后絞線直接進入收線裝置。上海電纜研究所針對導線絞制生產線的實際場地條件來設計噴砂沒備的結構、尺寸，將其安裝于絞線機牽引輪與收線裝置之間，與絞線機、收線機實現聯動，使導線在絞制后經噴砂機多頭均勻噴砂，直接得到符合工程應用要求的亞光架空導線。

本文試驗中，利用上述噴砂設備生產的亞光架空導線，取樣后對其絞線表面反射度、絞線外觀進行觀測比較，并對噴砂處理前后鋁單線的電性能、機械性能和鋁損進行對比。

2 試驗方法

2.1 試樣的制備

本試驗取截面積為800/100 mm2、54/19結構的鋼芯鋁絞線，長度為3 m，其一半長度表面經亞光處理。測定絞線表面的反射度后，將對應的外層鋁單線進行編號，在亞光處理和未處理分界處將絞線切斷并拆分外層鋁單線作為試驗對象。由此得到經亞光處理和未處理的兩組各24根鋁單線樣品。

2.2 試驗步驟

(1)利用PHOTOVOLT-577反射度測定儀對經噴砂處理后的導線表面進行反射度測量。

(2)將取得的兩組鋁單線退扭校直，并在20℃恒溫室保溫18 h后，對兩組試樣進行直流電阻測量。

(3)對測量直流電阻后的兩組試樣，在其電橋夾具鉗口印記處截取，為1 m長度，用千分尺測量每根試樣的外徑后，平分為三段，進行力學性能試驗。

(4)力學性能試驗后，測量屬于同一根1 m長試樣的三根斷后拉伸試樣的質量總和，用于計算各根1 m鋁單線試樣的外徑。

3 試驗結果

3.1 外觀比較

在噴砂處理中，僅對架空絞線最外層鋁單線的部分外表面進行處理，依靠沙粒高速沖擊絞線最外層鋁導體表面，留下無數細小的凹坑而形成亞光表面。由圖1對比照片可以看出，未處理導線表面呈光亮的鏡面，而經噴砂處理后的導線表面為灰色的亞光表面。經PHOTOVOLT-577反射度測定儀測量，噴砂處理后導線表面反射度為28%，符合美國鋁業協會標準AAAAC 7.69—1996中規定的導線表面反射度≤32%的要求。

圖1 經噴砂處理和未處理導線外觀對比

3.2 電性能比較

試驗結果顯示，未處理鋁單線的平均20℃直流電阻率為 0.027901 Ω·mm2/m(61.79%IACS)，經噴砂處理后鋁單線的平均20℃直流電阻率為0.027950 Ω·mm2/m(61.69%IACS)，平均 20℃ 直流電阻率的增幅僅為0.18%，電阻率變化很小，符合工程應用要求。各對應編號的試樣經噴砂處理與未處理鋁單線20℃直流電阻率對比如圖2所示。

3.3 機械性能比較

圖2 噴砂處理與未處理鋁單線20℃直流電阻率對比

試驗結果顯示，未處理鋁單線的平均抗拉強度為184.11 MPa，經噴砂處理后鋁單線的平均抗拉強度為182.58 MPa，降幅為0.83%。架空導線經噴砂處理在鋁單線的部分表面留下細小的凹坑，相當于在鋁單線表面留下微損傷，難免會對其抗拉強度造成影響，但通過試驗證明其影響很小，抗拉強度降幅僅為0.83%，可忽略不計。各對應編號的試樣經噴砂處理與未處理鋁單線的抗拉強度對比如圖3所示。

圖3 噴砂處理與未處理鋁單線抗拉強度對比

試驗結果顯示，未處理鋁單線的平均伸長率為2.2%，經噴砂處理后鋁單線的平均伸長率為2.3%。噴砂前后鋁單線的伸長率還有微小增幅，但考慮到伸長率試驗存在測量誤差，可以認為本試驗中噴砂前后鋁單線的伸長率無變化。各對應編號的試樣經噴砂處理與未處理鋁單線的伸長率對比如圖4所示。

3.4 鋁損情況

試驗結果顯示，未處理鋁單線的平均單位長度質量為40.1919 g，經噴砂處理后鋁單線的平均單位長度質量為40.1757 g，質量損耗為0.04%。對比傳統堿蝕處理等化學方法加工后的約5%的鋁損，采用噴砂處理前后的鋁損可忽略不計。各對應編號的試樣經噴砂處理與未處理鋁單線的鋁損情況對比如圖5所示。

圖4 噴砂處理與未處理鋁單線伸長率對比

圖5 噴砂處理與未處理鋁單線單位長度質量對比

4 結束語

采用噴砂處理法對架空導線進行表面處理，可以得到效果良好的亞光表面。上海電纜研究所設計研發的亞光架空導線噴砂設備，已成功應用在無錫江南電纜有限公司絞線生產線上，配合相應的噴砂處理工藝，其生產的亞光架空導線產品外觀良好，符合美國鋁業協會標準的規定。該亞光架空導線產品已成功出口英國，導線的各項性能指標均符合英國電網公司的要求。同時，上海電纜研究所對亞光架空導線的生產工藝已申請實用新型專利，填補了國內空白。

目前，我國還沒有對機場等特殊場合的架空導線提出表面反射度的要求，但隨著我國城市建設的發展，相關部門對保證航空安全運行環境條件的關注，以及人們環保意識的增強，亞光架空導線將在更多的場合得到廣泛應用。

［1］吳錫坤主編.鋁型材加工用技術手冊［M］.武漢:中南大學出版社，2006.

［2］AA AAC 7.69—1996 Non-specular suface finish on bare overhead aluminum conductors［S］.