多工位架空導線恒溫蠕變和線膨脹系數復合試驗系統研制

廖 強， 吳維翔， 李 波

(1. 四川省產品質量監督檢驗檢測院，四川 成都 610100; 2. 成都產品質量檢驗研究院有限責任公司，四川 成都 610100)

0 引 言

架空導線是輸電線路的重要組成部分，長期在受拉、高溫狀態下工作所導致的導線蠕變量及膨脹是輸電線路設計和施工的重要依據。影響導線蠕變的因素是復雜的，外部因素有環境條件、導線張力和運行溫度等，內部因素包括材料成分、金屬結構、幾何結構、生產工藝等[1]，因此，導線的蠕變伸長不能直接計算得出，而只有通過試驗研究、精確測量才能得出[2]。由于物質的不同，線膨脹系數亦不相同，導線的線膨脹系數還與組成的鋁和鋼的材質、加工方法及各材料組成導線的幾何尺寸有關[3]。

國家電網長期以來將蠕變曲線、線膨脹系數列為架空導線供應商資質能力核實標準的型式試驗報告項目，架空導線產品標準GB/T 1179—2017[4]修訂發布后，也把蠕變新增為型式試驗項目，使得架空導線蠕變、線膨脹系數試驗需求大幅度增加，對試驗精度、試驗周期和時效性提出了更高的需求。本文通過對架空導線的蠕變和線膨脹系數試驗的研究，實現了檢測機構對高效率、高精度蠕變試驗和自動化線膨脹系數試驗系統的開發，并為測試方案的集成創新和多功能化提供新思路。

1 設計原理

1.1 蠕變特性

導線蠕變試驗是在導線的彈性范圍內，在恒溫、恒拉力條件下，測量導線伸長隨時間變化的過程，以確定導線的蠕變特性。根據蠕變方程如下：

可以轉換為雙對數方程為：

式中：εc——按指數規律蠕變伸長量；

t——時間；

a和b——常數。

在時間和伸長的雙對數坐標圖上，測量的蠕變量組成的曲線接近于一條直線如圖1所示，a的對數為t=1時直線在蠕變軸上的截距，b是這條直線的斜率。因此，架空導線的蠕變曲線可以通過測量記錄各時間對應的蠕變量，利用雙對數函數線性擬合而成。由于架空導線蠕變方程與導線長度無關，所以推算導線在輸電線路中的蠕變量可以通過實驗室中測量一定載荷下標距長度試驗周期內的蠕變量，擬合該載荷條件下導線的蠕變方程，為計算該輸電線路中導線在該載荷下10年或20年的蠕變量提供依據。這也是IEC 61 395:1998《Overhead electrical conductors — Creep test procedures for stranded conductors》的試驗原理。

圖1 蠕變特性曲線

1.2 線膨脹系數

線膨脹系數是指單位長度的金屬在溫度每升高1 ℃時的長度變化值。線膨脹系數的試驗方法通常采用的標準為國家電網公司的企業標準Q/FSDYS 010—2007《架空導線試驗方法》附錄B，該方法規定的架空導線線膨脹系數是在環境溫度和導線最高允許使用溫度區間與溫度變化10 ℃相應的試樣長度變化的均值，通過測量在環境溫度恒定條件下導線從室溫階梯式加熱到導線允許最高運行溫度過程中各穩態溫度點下的伸長，再根據公下式進行線性擬合計算[5]。

線膨脹系數的計算公式為：

式中：L——標距長度；

ti——試樣溫度；

li——ti溫度下標距內相應的伸長；

n——試驗點的個數。

2 試驗方案分析

2.1 蠕變試驗

2.1.1 載荷條件

國家標準GB/T 1179—2017和國家電網公司企業標準Q/GDW 13236.1—2019《導、地線采購標準 第1部分：通用技術規范》均規定蠕變試驗按照GB/T 22077—2008實施，試驗張力采用15%、25%及35%（或40%）（國標選其一，國網要求40%）額定抗拉力。

2.1.2 溫度條件

GB/T 22077—2008規定在試驗期間，需測量標距兩端及中部的溫度，試驗應在20 ℃時進行，在標距線內導線的溫度變化應小于2 ℃，試驗期間導線的溫度變化應小于±2 ℃，溫度測量裝置的精度應為±0.5 ℃。

2.1.3 樣品條件

試樣端頭采用低熔點金屬或環氧樹脂等材料進行澆注，兩個端頭之間樣品的最小長度為100倍架空導線的外徑加上2倍端頭距標距的距離，100倍架空導線的外徑為最小標距長度，端頭距標距的距離不小于標距長度的25%或2 m，取其較小值[6-7]，按照GB/T 1179—2017中鋼芯鋁絞線最大規格JL/G1A-1440/120-84/19的外徑51.4 mm進行計算，覆蓋全部規格的最小標距長度為5 140 mm，端頭距離標距的最小長度為1 285 mm，那么兩個端頭之間樣品的最小長度為7 710 mm。

2.1.4 變形測量及試驗時間

應變測量裝置的精度和安裝應滿足測量試樣應變至5×10-6，試驗持續時間一般不小于1 000 h。

由此可見，一個架空導線樣品的蠕變試驗是在至少1 000 h下，分別加載3個規定力值，并進行一定精度要求的應變測量，再根據經驗公式和測試數據繪制蠕變伸長曲線，且樣品兩個端頭之間的最小距離大約7.8 m，導線樣品的恒溫要求為（20 ±2 ）℃，但應設置導線標距線內溫度監控措施。

2.2 線膨脹系數試驗

2.2.1 樣品條件

線膨脹系數的試驗方法標準為國家電網公司的企業標準Q/FSDYS 010—2007《架空導線試驗方法》附錄B，試樣的端頭可采用低熔點合金澆鑄、環氧樹脂錨固或壓接式的線夾，試樣的有效長度不小于5 m，標距長度應不小于1 m。

2.2.2 溫度條件

試樣放置在保溫箱中或通以大電流加熱，當導線通以大電流加熱時，應保持室溫的恒定。

2.2.3 載荷條件

在試驗過程中給試樣施加規定程序的預載荷以消除導線的初伸長的影響，然后施加 5%CUTS 的恒定負荷，將試樣拉直。

2.2.4 變形測量及試驗時間

隨后在標距兩端安裝精度不低于 0.01 mm 的測量伸長裝置。并在標距長度內至少安裝3個測量導線溫度的傳感器。再按照標準要求的階梯式加熱程序，將試樣通電加熱或通過環境加熱，每升高 10 ℃，保溫時間不少于15 min。待熱伸長穩定不變后，記錄試樣的溫度和相應的熱伸長，直至試樣溫度達到導線的最高允許使用溫度為止，最后通過公式（3）對得到的數據進行線性擬合計算出線膨脹系數。

由此可見，線膨脹系數必要的試驗條件是對有效長度不小于5 m的導線加載規定力值，并在恒定室溫下對其按規定的溫度階梯進行加熱，然后測量對應溫度下的伸長。

2.3 復合試驗系統可行性分析

對各試驗項目試驗條件的共性進行比較歸納，并對個性進行關聯分析是研制復合試驗系統的關鍵內容。上述試驗的共性為均需對一定長度的架空導線樣品加載負荷，并按照一定程序處理后測量標距的伸長，再根據相關公式繪制曲線或進行計算，試驗條件對比如表1所示。按照覆蓋最大規格的試驗能力設計需求，導線所需長度的最小值分別為7.8 m和5 m，蠕變試驗最小標距長度為450～5 140 mm，線膨脹系數試驗的標距長度僅要求不小于1 m；在應變測量的精度要求上，蠕變要求測量和安裝精度為5×10-6，根據覆蓋全部規格的最小標距長度5 140 mm，計算應變最低測量精度為0.025 7 mm，線膨脹系數試驗要求的最小精度為0.01 mm；根據加載 負 荷 需 求 為 5%CUTS、 15%RTS、 25%RTS、40%RTS，由于型式試驗樣品的型號規格通常在JL/G1A-560/70-54/19到 JL/G3A-1440/120-84/19之間，計算出加載力值在8.62～150.16 kN。此外兩項試驗均需要環境溫度恒定，蠕變試驗明確要求試驗期間環境溫度為（20 ±2） ℃，且標距線內導線的溫度變化應小于2 ℃，線膨脹系數試驗未要求具體的環境溫度恒定指標。共性條件導線長度、標距長度、負載范圍考慮滿足最大范圍的情況，環境溫度要求、應變測量精度則應考慮滿足更嚴格要求的情況。

表1 試驗條件對比表

從試驗條件的個性要求來看，差異性有試驗周期、樣品數量、樣品溫度，試驗周期條件上，由于蠕變試驗持續時間一般不小于1 000 h，因此對設備的長時穩定性特別是環境溫度的控制能力提出了較高的要求，試驗設備在試驗過程中應具備極低的故障率，加載和測控均應長時穩定，環境溫度在試驗周期內的偏差和波動能被穩定控制在標準要求的范圍內；樣品數量條件上，一項完整蠕變試驗考核一個樣品在3個載荷下的蠕變情況，試驗最小長度為7.8 m，線膨脹系數試驗考核一個樣品在1個載荷下試樣不同溫度的伸長情況，試驗最小長度為5 m，從效益上綜合考慮，試驗設備的設計應滿足至少3個試樣，試樣長度最小為7.8 m的情況；樣品溫度條件上，2項試驗均要求進行環境溫度的控制，蠕變試驗在不小于1000h的試驗周期下，環境溫度規定為20 ℃±2 ℃，且標距線內導線的溫度變化應小于2 ℃，控制要求較為嚴格，線膨脹系數試驗進一步要求以保溫箱或通大電流的方式對樣品進行階梯式加熱，并在每個加熱點上保溫15 min，在試驗設備的溫度控制條件上應考慮設置兩個測控系統，一個對象為環境溫度，目標溫度為20 ℃，另一個對象為1個試樣，目標溫度為環境溫度至100 ℃，并可采用程序控制加熱電流的大小和時間，依靠PID設置實現滿足標準要求的升溫條件。

通過對蠕變和線膨脹系數試驗的共性歸納及個性分析，表明復合試驗系統的實現是可行的。

3 試驗系統的設計

3.1 蠕變試驗系統設計

3.1.1 主機框架和載荷的設計

從技術經濟的角度考慮主體設計為三工位整體式結構。為了利于環境恒溫效果，外形尺寸在試樣長度符合標準和便于試驗操作的前提下應設計得盡量小，線膨脹系數優選大電流加熱的方式，既利用了環境溫度恒定的條件，也相比保溫箱空間更小。設計主機框架結構示意圖如圖2所示，由前端固定橫梁、尾端移動橫梁、以及中間四根承載柱組成受力框架，全部由鋼板焊接而成。中間三個加載端，按照JL/G1A-560/70-54/19到JL/G3A-1440/120-84/19分別計算蠕變載荷15%RTS、25%RTS、40%RTS，為25.86～56.31 kN、43.10～93.85 kN、68.96～150.16 kN，選擇設計10 T、15 T、30 T三種加系統。線膨脹系數的載荷范圍8.62～18.77 kN，布置在10 T加載系統上進行。設計夾頭間的最小距離為8 m，以滿足標準的試驗最小長度7.8 m的共性要求，加載框架的長度根據加載部分的長度、加載端的行程以及夾具的尺寸合理設計。圖2采用伺服電機，驅動滾珠絲杠加載，防止絲杠承受徑向載荷，在絲杠的前端安裝直線軸承與承載板，加載框架的寬度根據操作的便捷性來確定。由于試樣端頭采用低熔點金屬或環氧樹脂等材料進行澆注，夾頭設計考慮采用翻蓋式結構，螺釘軸向鎖緊，螺釘不受剪切力，內部夾塊型腔為反錐，可更換，操作簡單。

圖2 主機框架示意圖

3.1.2 測量系統的設計

設計光柵尺測量系統如圖3所示，包括引伸計固定夾、光柵尺、三角支架。在試樣標記線處把引伸計固定夾垂直試樣軸線安裝在試樣上，同時利用三角支架的穩定承托使得光柵尺與試樣平行且與引伸計固定夾保持相對靜止，光柵尺放置在相對引伸計固定夾靠固定梁一側，試驗過程中通過光柵尺與引伸計固定夾的相對距離變化來測量試樣變形[8]。相比傳統的機械式伸長儀，大標距情況下，光柵尺不直接接觸樣品，可避免長時間試驗過程中金屬部件熱脹冷縮給試驗結果造成的不利影響[9]，也能避免絞制導線樣品伸長后扭轉所帶來的長度測量誤差，提高應變測量精度至±1 μm，同時降低了試驗的安裝難度。

圖3 光柵尺測量裝置

3.1.3 中樞控制操作系統

1）蠕變部分

蠕變試驗采用基于工業以太網的分布式測控結構，如圖4所示。

圖4 加載部分示意圖

中樞控制操作系統上端設計采用工業控制計算機，通過CAN轉以太網適配器與各試驗節點通信，可以對蠕變試驗節點進行初始化、設置并下載試驗參數、回收試驗數據、工作狀態顯示，分析與處理試驗數據，生成蠕變曲線，實現試驗的集中管理與遠程監控。

試驗節點能夠實現蠕變過程的自動控制，主要包括試驗載荷和試驗環境溫度的實時測量與控制、蠕變量的實時測量、試驗數據的存儲與顯示、數據通信、故障檢測等，是一個基于數字信號處理器DSP的智能控制單元系統。

設計采用動態標定技術測控各工位的加載負荷，試驗過程中間隔特定時間，控制器自動校準負荷測量系統，防止其因溫度變化產生漂移，保證測量及控制精度，解決了蠕變試驗機長時間運行，力傳感器信號的漂移問題，保證試驗機長時間運行的精度和穩定性，操作系統參數設置界面如圖5所示，并具備蠕變-時間曲線繪制功能。

圖5 蠕變試驗系統結構

2）線膨脹系數部分

中樞控制操作系統與高溫測控系統建立通信，Modbus-RTU協議讀取和記錄溫度測量點的信息，判斷試驗各環節開始時所需的溫度、時間條件，在恒載荷試驗條件下測量各溫度點的伸長量，帶入標準規定的線膨脹系數公示計算出線膨脹系數，操作系統功能主界面如圖6所示。

圖6 線膨脹系數試驗系統結構

3.2 恒溫控制系統

設計包括恒溫室和溫度測控系統如圖7所示，溫度測控系統包括恒溫溫度傳感器和恒溫室溫度控制系統，恒溫控制系統布置安裝于恒溫室內，恒溫溫度傳感器通過固定支架懸空吊掛在試樣附近，每組試樣標記線內按距離平均分配3個恒溫溫度傳感器，監測試樣所在恒溫室的環境溫度。中樞控制操作系統與恒溫測控系統建立通信，恒溫溫度傳感器實時監測到的環境溫度反饋至中樞控制操作系統，系統根據試驗對環境的溫度要求控制恒溫測控系統調節控制恒溫室的環境溫度，在進行恒溫室通風系統的設計時充分考慮減小試樣周圍溫度的波動。

圖7 恒溫控制系統和蠕變試驗系統示意圖

3.3 高溫測控系統

設計高溫測控系統如圖8所示，包括大電流低壓變壓器、電流互感器、調壓器、電流表、連接銅排、高溫溫度傳感器，用于線膨脹系數試驗中架空導線的升溫及控制。高溫溫度傳感器與試樣緊密連接，每組試樣標記線內按距離平均分配3個高溫溫度傳感器，監測試驗過程中試樣的溫度。交流單相380V電源與所述調壓器連接，調壓器與大電流低壓變壓器連接，調壓器控制大電流低壓變壓器的輸入電壓，連接銅排穿過大電流低壓變壓器，大電流低壓變壓器通過交變電場產生并控制銅排中的電流，試樣和連接銅排形成電路回路，通過銅排的電流同時通過試樣；中樞控制操作系統與高溫測控系統建立通信，高溫溫度傳感器實時監測到的試樣溫度反饋至中樞控制操作系統，系統根據試驗條件中試樣的溫度要求，控制高溫測控系統，調壓器將調節后的電壓輸出給所述大電流低壓變壓器，大電流低壓變壓器通過輸入電壓的變化來改變輸出的電場強度從而調節連接銅排和試樣的電流大小，以此對試樣進行加熱和溫度控制，為避免大電流對系統弱電信號的干擾，信號傳輸線均應采用嚴格的屏蔽結構。

圖8 高溫測控系統示意圖

4 系統的運行

4.1 蠕變試驗

系統設計、制造并裝配完成后，采用架空導線JL/G1A-630/45-45/7進行了系統的運行測試。導線的額定拉斷力為150.2 kN，測量了 22.53 kN（15%RTS）、37.55 kN（25%RTS）、60.08 kN（40%RTS）載荷下1 000 h的蠕變曲線如圖9所示。線性擬合后得到的蠕變方程：

圖9 JL/G1A-630/45-45/7系統運行蠕變測試曲線

根據15%RTS、25%RTS、40%RTS下的蠕變方程推算出 10年（87 600 h）的蠕變量分別為363 mm/km、613 mm/km、1 072 mm/km。

4.2 線膨脹系數試驗

該運行試驗采用架空耐熱鋁合金導線NRLΗ3/LBY14-255/40-26/7，運行假設樣品的最高允許使用溫度為100 ℃，試驗環境溫度通過恒溫控制系統恒溫至20 ℃，選擇標距為4 000 mm，試驗依次經過消除導線初伸長、拉直導線、安裝溫度和位移測量裝置三個步驟后，通過高溫測控系統給導線加熱，每升高10 ℃，保溫時間為15 min，試驗過程的伸長-時間曲線如圖10所示，記錄各溫度點的溫度和相應的熱伸長，伸長-溫度曲線如圖11所示，試驗數據如表2所示，再按照公示（3）進行線性擬合算得該樣品的線膨脹系數α為13.7×10-6。

表2 NRLH3/LBY14-255/40-26/7線膨脹系數記錄表

圖10 NRLH3/LBY14-255/40-26/7線膨脹系數伸長-時間曲線

圖11 NRLH3/LBY14-255/40-26/7線膨脹系數伸長-溫度曲線

5 結束語

本文對架空導線恒溫蠕變與線膨脹系數試驗系統集成設計的可行性進行了探究，依據試驗方法和試驗能力的需求，設計并研制了一套多工位架空導線恒溫蠕變與線膨脹系數復合試驗系統，能滿足架空導線恒溫蠕變、線膨脹系數性能的測試，并采用拉力傳感器動態標定、光電位移精密測量等技術[10]，提高了測試精度。為國內架空導線的型式試驗提供了一種低成本、高穩定性、高效率的試驗系統。通過物聯網技術，賦予長時試驗時系統的遠程量值傳遞功能是該設備改良的方向[11]。