铝-镁-硅系合金绞线技术指标分析

彭旺全，单风娥，彭旺根，杨 浩

(1.河南华星电线电缆有限公司，河南 巩义 451252；2.安庆皖江中等专业学校，安徽 安庆 246200)

0 引 言

目前在GB/T 1179—2017《圆线同心绞架空导线》[1]产品中钢芯铝绞线(ACSR)使用量最大，但随着技术进步及电力行业发展的需求，早在1950年代开始，日本和美国的圆线同心绞架空导线50%以上采用铝-镁-硅系合金绞线，法国高达80%以上。中国1960年初开始研制铝-镁-硅系合金绞线，初期曾在部分地区进行小批量试用。由于当时设备的制约，产品质量不稳定，导致在试用期间发生断股现象，使该产品在国内市场受到严重影响。1990年以后，随着中国工业化水平提高，铝-镁-硅系合金绞线的生产工艺的完善提高及设备的革新，中国产品质量有质的飞跃，其各项指标均达到或超越相应的国际标准，并大量出口，为中国大规模应用创造了有利条件。铝-镁-硅系合金导线主要产品有全铝合金绞线(AAAC)、铝合金芯铝绞线(ACAR)、钢芯铝合金绞线(AACSR)等。

基于铝-镁-硅系合金单线及全铝合金绞线产品在国内和国外常见标准中技术指标进行分析研究，将绞线的技术指标公式化。

1 应用市场前景

铝-镁-硅系合金绞线与钢芯铝绞线相比，其具有如下特点：其抗拉强度大、弧重性能好、表面硬度高、耐磨耐压、施工敷设简单易行，且无钢芯，裸导线在交流电压下，无磁滞和涡流损耗，无材料之间的电化学腐蚀，可以大大延长导线使用寿命。故使用合金绞线降耗明显，不仅满足工程使用要求，还能达到节能、降耗、环保的目的，而且具有明显经济效益和社会效益。总而言之，铝-镁-硅系合金绞线是钢芯铝绞线完美的替代品，技术经济具有较大优势。目前铝-镁-硅系合金绞线大量用于线路改造和新建的城区线路，市场前景较好。

2 铝-镁-硅系合金圆线性能分析

1921年开始，各国开始研制高强度铝合金圆线，相续出现不同的合金牌号，但总体来说，这些高强度铝合金圆线其化学成分均属于可人工时效处理的铝-镁-硅系列合金，即其牌号为6201和6101,其化学成分详见表1。各国标准对铝-镁-硅系合金的要求虽有差异，但基本一致，其技术指标与IEC 60104：1987《Al-Mg-Si alloy wire for overhead line conductors》[2]大同小异。中国早期铝-镁-硅系合金的标准是机械行业标准JB/T 8134—1997《架空绞线用铝-镁-硅系合金圆线》，2009年3月19日发布国家标准GB/T 23308—2009《架空绞线用铝-镁-硅系合金圆线》[3]，其性能详见表2。2014年10月15日国家能源局发布NB/T 42042—2014《架空绞线用中强度铝合金线》[4]，其性能详见表3。美国材料与试验协会制定标准ASTM B398/B398M-15《Specification for Aluminum-Alloy 6201-T81 and 6201-T83 Wire for Electrical Purposes》[5]，其性能详见表4。6系铝合金中，以镁和硅为主，镁和硅在铝中形成Mg2Si强化相，其溶解度随温度的增加而变化。目前，6201和6101铝合金杆拉成铝-镁-硅系合金圆线均需要人工时效处理，其人工时效处理温度一般控制在160±10 ℃，时间在6～10 h，其机械性能和电性能可满足标准的要求。

表1 铝合金圆线化学成分

表2 GB/T 23308—2009中规定铝合金圆线性能指标

表3 NB/T 42042—2014中规定中强度铝合金圆线性能指标

表4 ASTM B398/B398M-15中规定铝合金圆线性能指标

3 铝-镁-硅系合金绞线技术指标

铝-镁-硅系合金绞线相对钢芯铝绞线载流量在《全铝合金绞线与钢芯铝绞线载流能力研究》[6]中已给出明确分析。2017年11月1日国家标准发布GB/T 1179—2017《圆线同心绞架空导线》，及美国材料与试验协会制定标准ASTM B399/B399M-04(2015)《Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Aluminum-Alloy 6201-T81 Conductors》[7]，铝合金绞线部分技术指标以25 mm2为例，其技术指标详见表5。

表5 铝合金绞线部分技术指标

4 铝合金绞线技术指标的计算方法

4.1 导线额定拉断力

在GB/T 1179—2017中明确规定导线额定拉断力(RTS)为所有铝合金单线最小拉断力之和；对单线根数为91根及以上的导线额定拉断力(RTS)为所有铝合金单线最小拉断力之和的95%，详见式(1)。ASTM B399/B399M-04(2015)中明确规定导线额定拉断力(RTS)为所有铝合金单线最小拉断力之和乘以额定系数，详见计算式(1)。

(1)

式中：RTS为铝合金绞线额定拉断力，kN；d为铝合金单线直径，mm；n为铝合金单线根数，根；m为铝合金单线最小抗拉强度，MPa；k为铝合金绞线额定系数，详见表6。

将表5中铝合金单线直径、单线根数、单线最小抗拉强度及表6铝合金绞线额定系数的数据代入计算式(1)，可得出表5中铝合金绞线额定拉断力。

表6 铝合金绞线额定系数

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明确规定，进行导线额定拉断力试验，导线应承受不小于RTS的95%，且任一单线均不应断裂；绞后单线抗拉强度均不得小于绞前最小抗拉强度的95%。

4.2 线密度—单位长度质量

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明确规定，单位长度质量计算方案详见计算式(2)，即：

W=d2×n×0.785 4×ρ×K

(2)

式中：W为铝合金绞线单位长度质量，kg/km；d为铝合金单线直径，mm；n为铝合金单线根数，根；ρ为铝合金圆线密度，详见表2至表4，g/cm3；K为铝合金绞线绞制增量，详见表7。

表7 铝合金绞线绞制增量

将表5中铝合金单线直径、单线根数、密度(详见表2至表4)及表7铝合金绞线绞制增量的数据代入式(2)，可得出表5中铝合金绞线单位长度质量。

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明确规定线密度，单位长度质量公差为标称值的±2%。

4.3 直流电阻

在GB/T 1179—2017和ASTM B399/B399M-04(2015)中明确规定20 ℃时直流电阻计算方案详见计算式(3)，即：

(3)

式中：R20为铝合金绞线20 ℃时最大直流电阻，Ω/km；d为铝合金单线直径，mm；n为铝合金单线根数，根；ρ20为铝合金单线电阻率，Ω·mm2/m，详见表5；K为铝合金绞线绞制增量，详见其表7。

将表5中铝合金单线直径、单线根数、单线电阻率及表7铝合金绞线绞制增量的数据代入式(3)，可得出表5中铝合金绞线20 ℃时最大直流电阻。

5 标准对比

上述计算式的核算结果均与相关标准中铝-镁-硅系合金绞线的技术指标相同，此计算式是正确有效的。通过上述铝-镁-硅系合金绞线技术指标及其计算公对比分析研究，GB/T 1179—2017与ASTM B399/B399M-04(2015)的差异如下。

5.1 国标与美标的铝-镁-硅系合金绞线技术指标差异

1)铝-镁-硅系合金绞线直流电阻：19根及以下的美标大于国标的要求，其他根数则反之；

2)铝-镁-硅系合金绞线线密度：7根及以下的美标大于国标的要求，其他根数则反之；

3)铝-镁-硅系合金绞线额定拉断力：相同电阻率材料，国标高于美标的要求.

5.2 国标与美标的铝-镁-硅系合金圆线技术指标差异

1)密度：差异较小，国标大于美标的要求；

2)电阻率：差异较小，相同导电率的材料电阻率国标小于美标的要求，国标更好，分类更加细化；

3)物理性能：52.5%IACS导电率的单丝的直径不大于3.25 mm时，美标高于国标的要求；其直径大于3.25 mm且不大于3.50 mm时，美标低于国标的要求；其他直径要求一致；其他国标的电阻率的机械性能分类更加细化。

6 结 语

根据铝-镁-硅系合金绞线的单线机械物理性能技术指标，选用合金杆原材料均考虑绞线的单线直径，6201-T81、LHA1和LHA2型号建议选用的是6201牌号铝-镁-硅系合金杆；6201-T83、LHA3和LHA4型号建议选用的是6101牌号铝-镁-硅系合金杆。美标ASTM B398/B398M-15中6201-T83性能高于中国能源行业标准行业标准NB/T 42042—2014中LHA3的要求，两者存在一定差距。但河南华星电线电缆有限公司通过合理选材和人工时效处理，单线性能指标均满足6201-T83和LHA3的要求，已得到国内外市场认可。