鋁-鎂-硅系合金絞線技術指標分析

彭旺全，單風娥，彭旺根，楊 浩

(1.河南華星電線電纜有限公司，河南 鞏義 451252；2.安慶皖江中等專業學校，安徽 安慶 246200)

0 引 言

目前在GB/T 1179—2017《圓線同心絞架空導線》[1]產品中鋼芯鋁絞線(ACSR)使用量最大，但隨著技術進步及電力行業發展的需求，早在1950年代開始，日本和美國的圓線同心絞架空導線50%以上采用鋁-鎂-硅系合金絞線，法國高達80%以上。中國1960年初開始研制鋁-鎂-硅系合金絞線，初期曾在部分地區進行小批量試用。由于當時設備的制約，產品質量不穩定，導致在試用期間發生斷股現象，使該產品在國內市場受到嚴重影響。1990年以后，隨著中國工業化水平提高，鋁-鎂-硅系合金絞線的生產工藝的完善提高及設備的革新，中國產品質量有質的飛躍，其各項指標均達到或超越相應的國際標準，并大量出口，為中國大規模應用創造了有利條件。鋁-鎂-硅系合金導線主要產品有全鋁合金絞線(AAAC)、鋁合金芯鋁絞線(ACAR)、鋼芯鋁合金絞線(AACSR)等。

基于鋁-鎂-硅系合金單線及全鋁合金絞線產品在國內和國外常見標準中技術指標進行分析研究，將絞線的技術指標公式化。

1 應用市場前景

鋁-鎂-硅系合金絞線與鋼芯鋁絞線相比，其具有如下特點：其抗拉強度大、弧重性能好、表面硬度高、耐磨耐壓、施工敷設簡單易行，且無鋼芯，裸導線在交流電壓下，無磁滯和渦流損耗，無材料之間的電化學腐蝕，可以大大延長導線使用壽命。故使用合金絞線降耗明顯，不僅滿足工程使用要求，還能達到節能、降耗、環保的目的，而且具有明顯經濟效益和社會效益。總而言之，鋁-鎂-硅系合金絞線是鋼芯鋁絞線完美的替代品，技術經濟具有較大優勢。目前鋁-鎂-硅系合金絞線大量用于線路改造和新建的城區線路，市場前景較好。

2 鋁-鎂-硅系合金圓線性能分析

1921年開始，各國開始研制高強度鋁合金圓線，相續出現不同的合金牌號，但總體來說，這些高強度鋁合金圓線其化學成分均屬于可人工時效處理的鋁-鎂-硅系列合金，即其牌號為6201和6101,其化學成分詳見表1。各國標準對鋁-鎂-硅系合金的要求雖有差異，但基本一致，其技術指標與IEC 60104：1987《Al-Mg-Si alloy wire for overhead line conductors》[2]大同小異。中國早期鋁-鎂-硅系合金的標準是機械行業標準JB/T 8134—1997《架空絞線用鋁-鎂-硅系合金圓線》，2009年3月19日發布國家標準GB/T 23308—2009《架空絞線用鋁-鎂-硅系合金圓線》[3]，其性能詳見表2。2014年10月15日國家能源局發布NB/T 42042—2014《架空絞線用中強度鋁合金線》[4]，其性能詳見表3。美國材料與試驗協會制定標準ASTM B398/B398M-15《Specification for Aluminum-Alloy 6201-T81 and 6201-T83 Wire for Electrical Purposes》[5]，其性能詳見表4。6系鋁合金中，以鎂和硅為主，鎂和硅在鋁中形成Mg2Si強化相，其溶解度隨溫度的增加而變化。目前，6201和6101鋁合金桿拉成鋁-鎂-硅系合金圓線均需要人工時效處理，其人工時效處理溫度一般控制在160±10 ℃，時間在6～10 h，其機械性能和電性能可滿足標準的要求。

表1 鋁合金圓線化學成分

表2 GB/T 23308—2009中規定鋁合金圓線性能指標

表3 NB/T 42042—2014中規定中強度鋁合金圓線性能指標

表4 ASTM B398/B398M-15中規定鋁合金圓線性能指標

3 鋁-鎂-硅系合金絞線技術指標

鋁-鎂-硅系合金絞線相對鋼芯鋁絞線載流量在《全鋁合金絞線與鋼芯鋁絞線載流能力研究》[6]中已給出明確分析。2017年11月1日國家標準發布GB/T 1179—2017《圓線同心絞架空導線》，及美國材料與試驗協會制定標準ASTM B399/B399M-04(2015)《Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum-Alloy 6201-T81 Conductors》[7]，鋁合金絞線部分技術指標以25 mm2為例，其技術指標詳見表5。

表5 鋁合金絞線部分技術指標

4 鋁合金絞線技術指標的計算方法

4.1 導線額定拉斷力

在GB/T 1179—2017中明確規定導線額定拉斷力(RTS)為所有鋁合金單線最小拉斷力之和；對單線根數為91根及以上的導線額定拉斷力(RTS)為所有鋁合金單線最小拉斷力之和的95%，詳見式(1)。ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規定導線額定拉斷力(RTS)為所有鋁合金單線最小拉斷力之和乘以額定系數，詳見計算式(1)。

(1)

式中：RTS為鋁合金絞線額定拉斷力，kN；d為鋁合金單線直徑，mm；n為鋁合金單線根數，根；m為鋁合金單線最小抗拉強度，MPa；k為鋁合金絞線額定系數，詳見表6。

將表5中鋁合金單線直徑、單線根數、單線最小抗拉強度及表6鋁合金絞線額定系數的數據代入計算式(1)，可得出表5中鋁合金絞線額定拉斷力。

表6 鋁合金絞線額定系數

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規定，進行導線額定拉斷力試驗，導線應承受不小于RTS的95%，且任一單線均不應斷裂；絞后單線抗拉強度均不得小于絞前最小抗拉強度的95%。

4.2 線密度—單位長度質量

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規定，單位長度質量計算方案詳見計算式(2)，即：

W=d2×n×0.785 4×ρ×K

(2)

式中：W為鋁合金絞線單位長度質量，kg/km；d為鋁合金單線直徑，mm；n為鋁合金單線根數，根；ρ為鋁合金圓線密度，詳見表2至表4，g/cm3；K為鋁合金絞線絞制增量，詳見表7。

表7 鋁合金絞線絞制增量

將表5中鋁合金單線直徑、單線根數、密度(詳見表2至表4)及表7鋁合金絞線絞制增量的數據代入式(2)，可得出表5中鋁合金絞線單位長度質量。

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規定線密度，單位長度質量公差為標稱值的±2%。

4.3 直流電阻

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明確規定20 ℃時直流電阻計算方案詳見計算式(3)，即：

(3)

式中：R20為鋁合金絞線20 ℃時最大直流電阻，Ω/km；d為鋁合金單線直徑，mm；n為鋁合金單線根數，根；ρ20為鋁合金單線電阻率，Ω·mm2/m，詳見表5；K為鋁合金絞線絞制增量，詳見其表7。

將表5中鋁合金單線直徑、單線根數、單線電阻率及表7鋁合金絞線絞制增量的數據代入式(3)，可得出表5中鋁合金絞線20 ℃時最大直流電阻。

5 標準對比

上述計算式的核算結果均與相關標準中鋁-鎂-硅系合金絞線的技術指標相同，此計算式是正確有效的。通過上述鋁-鎂-硅系合金絞線技術指標及其計算公對比分析研究，GB/T 1179—2017與ASTM B399/B399M-04(2015)的差異如下。

5.1 國標與美標的鋁-鎂-硅系合金絞線技術指標差異

1)鋁-鎂-硅系合金絞線直流電阻：19根及以下的美標大于國標的要求，其他根數則反之；

2)鋁-鎂-硅系合金絞線線密度：7根及以下的美標大于國標的要求，其他根數則反之；

3)鋁-鎂-硅系合金絞線額定拉斷力：相同電阻率材料，國標高于美標的要求.

5.2 國標與美標的鋁-鎂-硅系合金圓線技術指標差異

1)密度：差異較小，國標大于美標的要求；

2)電阻率：差異較小，相同導電率的材料電阻率國標小于美標的要求，國標更好，分類更加細化；

3)物理性能：52.5%IACS導電率的單絲的直徑不大于3.25 mm時，美標高于國標的要求；其直徑大于3.25 mm且不大于3.50 mm時，美標低于國標的要求；其他直徑要求一致；其他國標的電阻率的機械性能分類更加細化。

6 結 語

根據鋁-鎂-硅系合金絞線的單線機械物理性能技術指標，選用合金桿原材料均考慮絞線的單線直徑，6201-T81、LHA1和LHA2型號建議選用的是6201牌號鋁-鎂-硅系合金桿；6201-T83、LHA3和LHA4型號建議選用的是6101牌號鋁-鎂-硅系合金桿。美標ASTM B398/B398M-15中6201-T83性能高于中國能源行業標準行業標準NB/T 42042—2014中LHA3的要求，兩者存在一定差距。但河南華星電線電纜有限公司通過合理選材和人工時效處理，單線性能指標均滿足6201-T83和LHA3的要求，已得到國內外市場認可。