鋁合金電纜的導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造

王國(guó)忠

(江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司，江蘇 海門226100)

0 引言

和銅芯電纜相比，普通鋁芯電纜雖然有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)殇X的抗蠕變性能差，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)及導(dǎo)體工作溫度的變化，導(dǎo)體接頭處易松動(dòng)，造成接觸不良或電阻增大，致使電纜過(guò)熱而出現(xiàn)故障。AA8000系列鋁合金導(dǎo)體，能克服普通鋁芯電纜的不足，接頭長(zhǎng)期牢靠。根據(jù)傳輸電流的大小，適當(dāng)提高導(dǎo)體的規(guī)格后，傳輸容量達(dá)到和銅芯電纜一樣，在相當(dāng)多的場(chǎng)合可替代銅芯電纜，且與銅芯電纜相比，具有相當(dāng)大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因而，正越來(lái)越多地受到建筑開(kāi)發(fā)商的青睞。

鋁合金電纜主要是指的導(dǎo)體材料為AA8000系列鋁合金。本文就AA8000系列鋁合金導(dǎo)體的設(shè)計(jì)和制造加以敘述。

1 導(dǎo)體的化學(xué)成分

鋁合金導(dǎo)體的化學(xué)成分應(yīng)符合ASTM B800-05標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1所示。滿足表1規(guī)定的任何一種牌號(hào)合金成分要求的鋁合金導(dǎo)體，即可認(rèn)為是成分合格的AA8000系列鋁合金。目前，我國(guó)使用較多的牌號(hào)是AA8030鋁合金。

表1 AA8000系列鋁合金化學(xué)成分

在GB/T 30552—2014《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》中，鋁合金單線的化學(xué)成分要求與ASTM B800規(guī)定相同，只不過(guò)沒(méi)有列出合金牌號(hào)，而是用序號(hào)表示。

2 導(dǎo)體的機(jī)械性能和電氣要求

在ASTM B801-99《包覆或絕緣用8000系列鋁合金同心絞合導(dǎo)體規(guī)范》中，明確導(dǎo)體是AA8000系列鋁合金，合金狀態(tài)代號(hào)為0、H1X或H2X。參照GB/T 16475—2008《變形鋁及鋁合金狀態(tài)代號(hào)》(該標(biāo)準(zhǔn)修改采用ISO 2107:2007《變形鋁及鋁合金狀態(tài)代號(hào)》)的定義，0為退火狀態(tài)，適用于經(jīng)完全退火后獲得最后硬度的產(chǎn)品狀態(tài);H為硬狀態(tài)，適用于通過(guò)加工硬化提高強(qiáng)度的產(chǎn)品。H1X為單純加工硬化的狀態(tài)，適用于未經(jīng)熱處理只經(jīng)加工硬化即可獲得所需強(qiáng)度的狀態(tài);H2X為加工硬化后不完全退火的狀態(tài)，適用于加工硬化強(qiáng)度超過(guò)成品規(guī)定要求后，經(jīng)不完全退火，使強(qiáng)度降低到規(guī)定指標(biāo)的產(chǎn)品。0、H1X或H2X合金導(dǎo)體中單線的機(jī)械性能和20℃時(shí)電阻率要求分別見(jiàn)表2和表3。

表2 AA8000系列鋁合金單線機(jī)械性能

表3 20℃時(shí)電阻率要求

而在GB/T 30552—2014中，鋁合金狀態(tài)只有兩種，即軟態(tài)(R)和硬態(tài)(Y)。單線機(jī)械性能和電阻率要求分別見(jiàn)表4和表5。

表4 電纜導(dǎo)體用鋁合金線的機(jī)械性能

表5 電纜導(dǎo)體用鋁合金線的電阻率

國(guó)家能源局的《額定電壓0.6/1 kV鋁合金導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜》送審稿(以下簡(jiǎn)稱送審稿)中第5.3條規(guī)定:絞合導(dǎo)體中任一單線，抗拉強(qiáng)度應(yīng)為98～159 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率應(yīng)不小于10 %。這樣，采用GB/T 30552—2014規(guī)定的硬態(tài)(Y)鋁合金線生產(chǎn)的電纜導(dǎo)體，在導(dǎo)體絞制前或絞制后，必須進(jìn)行熱處理，以滿足送審稿中單線的機(jī)械性能和20℃時(shí)電阻率的要求。當(dāng)然，如果已經(jīng)是軟態(tài)鋁合金線，就不需要進(jìn)行熱處理了。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，鋁合金單線的機(jī)械性能和電阻率到底能否達(dá)到GB/T 30552標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定呢?我們?nèi)×艘慌矐B(tài)的AA8030鋁合金線進(jìn)行試驗(yàn)。其化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，單線的機(jī)械和電氣性能見(jiàn)表7。從表6可以得知，化學(xué)成分完全符合AA8030的要求。從表7可以看出，機(jī)械性能均滿足硬態(tài)鋁合金線的要求，但電阻率有約50%不能滿足GB/T 30552的要求。

表6 試樣的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

表7 鋁合金線機(jī)械和電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

電阻率除了與材料的合金成分有關(guān)外，還與生產(chǎn)工藝有關(guān)。我們將表7中的1號(hào)試樣所在批次的單線，分別在烘箱退火、退火爐退火及絞制成185 mm2導(dǎo)體后再退火，熱處理后的性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。從表8中可以看出，即使電阻率不合格的硬態(tài)鋁合金線，在幾種方式的熱處理后，直流電阻率、抗張強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率都能滿足軟態(tài)鋁合金線的要求。

根據(jù)AA8030鋁合金導(dǎo)體的實(shí)際生產(chǎn)情況，可以得出這樣的結(jié)論，實(shí)際生產(chǎn)的導(dǎo)體單線性能可以達(dá)到國(guó)家能源局的送審稿要求，但硬態(tài)鋁合金線的電阻率有時(shí)不能滿足GB/T 30552標(biāo)準(zhǔn)。相反，在我們的試驗(yàn)中，電阻率不合格的硬態(tài)鋁合金單線，經(jīng)熱處理后，機(jī)械和電氣性能卻可以滿足軟態(tài)鋁合金線的要求。根據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為，在硬態(tài)的鋁合金線生產(chǎn)時(shí)，只要工藝狀態(tài)正常，對(duì)電阻率的要求可以脫離GB/T 30552—2008的規(guī)定。

表8 熱處理后的AA8030鋁合金單線電阻率和機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果

3 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和截面積計(jì)算

在ASTM B801-99標(biāo)準(zhǔn)中，導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)有圓形、緊壓圓形和緊湊型導(dǎo)體(Compact)。圓形、緊壓圓形是常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，而緊湊型導(dǎo)體是新的名詞。緊湊型結(jié)構(gòu)在GB/T 3956標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有提到。在CSA C22.2 No.38-05第4.1.5.3指出:緊湊型導(dǎo)體是一種圓形導(dǎo)體，由一層或多層單線繞中心線芯螺旋絞合而成，且最外層由滾壓、拉拔或其它方法光滑形成。緊湊型導(dǎo)體在GB/T 2900.10《電工術(shù)語(yǔ) 電纜》中也沒(méi)有定義。我們理解為是由拉拔或滾壓成型的型線或其它方式形成的型線絞合而成的導(dǎo)體。

ASTM B801-99標(biāo)準(zhǔn)中，導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)只有上面的三種，都為圓形結(jié)構(gòu)，沒(méi)有像GB/T 3956標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的還有非圓形的成型結(jié)構(gòu)。對(duì)于緊湊型導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體的最少單線根數(shù)要求一般都采用GB/T 3956標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的成型導(dǎo)體的要求。好在GB/T 3956標(biāo)準(zhǔn)對(duì)緊壓圓形和成型導(dǎo)體的最少單線根數(shù)要求都一樣。我們?cè)O(shè)計(jì)了幾種常用規(guī)格的緊湊型鋁合金導(dǎo)體典型結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表9。

導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)確定后，就是導(dǎo)體的截面積了。GB/T 3956標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種規(guī)格鋁合金導(dǎo)體的20℃時(shí)最大直流電阻值，導(dǎo)體的直流電阻主要取決于兩個(gè)因素:一是導(dǎo)體的電阻率，即導(dǎo)體的材料性能;二是導(dǎo)體的截面積。在導(dǎo)體的電阻率一定時(shí)，就只取決于導(dǎo)體的截面積。某個(gè)規(guī)格的導(dǎo)體最小截面積為:

表9 常用規(guī)格的緊湊型導(dǎo)體典型結(jié)構(gòu)

式中:A為導(dǎo)體截面積(mm2);ρ為導(dǎo)體電阻率(Ω·mm2/m)。8000系列鋁合金導(dǎo)體的電阻率可取0.028 264Ω·mm2/m;k1為平均絞入系數(shù)。對(duì)于240 mm2及以下規(guī)格，取1.02;300 mm2及以上規(guī)格，取1.03;k2為因成纜絞合增長(zhǎng)線芯長(zhǎng)度所引入的系數(shù)，對(duì)于單芯電纜k2=1;對(duì)于多芯電纜k2=1.02。為便于管理，所有單芯和多芯電纜均按多芯電纜選取;k3為因考慮單線允許公差所引入的系數(shù)，對(duì)于非緊壓線芯結(jié)構(gòu)為單線直徑，e為單線允許公差;對(duì)于緊湊型圓形結(jié)構(gòu)，k3=為單線截面，E為單線截面允許公差;對(duì)于緊壓結(jié)構(gòu)，k3=1.01;R為在GB/T 3956—2008標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的20℃時(shí)最大直流電阻(Ω/km)。

例如，對(duì)于240 mm2的緊湊型鋁合金導(dǎo)體，20℃時(shí)最大直流電阻為0.125Ω/km，單線截面允許公差取1%，則k3=1.01，代入式(1)得:

另外，參照ASTM B801對(duì)導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)要求(見(jiàn)表10)，導(dǎo)體的截面積有一個(gè)簡(jiǎn)便計(jì)算方法。對(duì)于某個(gè)規(guī)格的導(dǎo)體，采用表10中相近的規(guī)格，利用導(dǎo)體的直流電阻與導(dǎo)體的截面積成反比的方法，可推算出理論要求導(dǎo)體的最小截面積。考慮到表10中給出的為標(biāo)稱電阻值，實(shí)際允許的最大直流電阻值可大于表10規(guī)定的+2%，而GB/T 3956規(guī)定的卻是最大直流電阻值，故，應(yīng)對(duì)推算的理論截面乘以1.02的系數(shù)。

表10 8000系列鋁合金導(dǎo)體結(jié)構(gòu)要求

續(xù)表10

還是以240 mm2的緊湊型鋁合金導(dǎo)體為例，參照表中242 mm2的規(guī)格，對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱直流電阻值為0.119 4Ω/km，則240 mm2的鋁合金導(dǎo)體最小控制截面為:

此值，同前面用式(1)計(jì)算的值相差僅為0.76%，可以認(rèn)為這種簡(jiǎn)便計(jì)算還是相當(dāng)實(shí)用的。當(dāng)然，導(dǎo)體生產(chǎn)廠家應(yīng)根據(jù)自身的鋁合金桿或單線的性能及工藝水平，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整導(dǎo)體的控制截面積，以使生產(chǎn)的鋁合金電纜的電阻合格。值得一提的是，由于鋁合金單線表面易形成一層致密的氧化層，在生產(chǎn)時(shí)，測(cè)得的導(dǎo)體電阻往往比導(dǎo)體的實(shí)際電阻大，制造廠家應(yīng)充分考慮這一因素。

4 導(dǎo)體的制造

4.1 導(dǎo)體的絞向

在ASTM B801-05標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，除了擠包耐候性材料的導(dǎo)體，即架空絕緣電纜的導(dǎo)體，表10中的A類，最外層絞向?yàn)橛蚁蛲?其余用于電纜的導(dǎo)體外層均應(yīng)為左向。非緊壓圓形結(jié)構(gòu)和緊壓圓形結(jié)構(gòu)，相鄰絞合層絞向應(yīng)相反;緊湊型圓形結(jié)構(gòu)中，相鄰絞合層絞向可以相反或同向。在GB/T 3956標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于導(dǎo)體的絞向未作規(guī)定。

4.2 導(dǎo)體的節(jié)距

在ASTM B801-05標(biāo)準(zhǔn)中要求，37根以下單線構(gòu)成的導(dǎo)體，各層的節(jié)距應(yīng)在8～16倍的導(dǎo)體外徑之間;37根及以上的單線構(gòu)成的導(dǎo)體，只要求最外兩層的節(jié)距在8～16倍的導(dǎo)體外徑之間，其它層的節(jié)距除了供需合同有約定外，則由制造廠家決定。

規(guī)格為AWG 2(33.6 mm2)或更小的緊湊型導(dǎo)體，最大節(jié)距為導(dǎo)體外徑的17.5倍。我們國(guó)家的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一般不采用的美國(guó)線規(guī)，可以對(duì)35 mm2及以下的導(dǎo)體用此規(guī)定。

導(dǎo)體的絞合節(jié)距應(yīng)嚴(yán)格按照以上要求。一些制造廠家不知道鋁合金導(dǎo)體的節(jié)距規(guī)定，因?yàn)樵贕B/T 3956標(biāo)準(zhǔn)中也未對(duì)節(jié)距作規(guī)定，或者知道國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的要求，但為了提高生產(chǎn)效率，仍按常規(guī)電纜導(dǎo)體的制造方法進(jìn)行，即絞合的節(jié)距比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值大許多，這樣生產(chǎn)的電纜彎曲半徑就難以達(dá)到鋁合金電纜的要求。

4.3 導(dǎo)體的單線接頭

導(dǎo)體中任何絞合層中的任意單線都可以進(jìn)行電阻焊、冷壓焊或電阻對(duì)焊、冷鐓焊接頭。19根及以下單線的導(dǎo)體內(nèi)，單線接頭間距應(yīng)不小于0.3 m;19根以上單線的導(dǎo)體，同一層內(nèi)的接頭間距應(yīng)不小于0.3 m。

5 結(jié)束語(yǔ)

鋁合金電纜在我國(guó)的工程應(yīng)用正越來(lái)越多，如何制造出質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)鋁合金電纜，確保電纜的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，是各電纜廠家值得研究的一道課題。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)電纜用鋁合金導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)，就導(dǎo)體的化學(xué)成分、單線的機(jī)械和電氣性能要求作了介紹，同時(shí)，提出了鋁合金導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)類型和截面積的計(jì)算公式及簡(jiǎn)便計(jì)算方法，指出了鋁合金導(dǎo)體生產(chǎn)時(shí)的絞向、節(jié)距和單線的接頭要求和注意事項(xiàng)。

［1］ASTM B800-05 Standard Specification for 8000 Series Aluminum Alloy Wires for Electric Purposes-Annealed and Intermediate Tempers［S］.

［2］ASTM B801-99 Standard Specification for Concentric-Lay-Stranded Conductors of 8000 Series Aluminum Alloy for Subsequent Covering or Insulation［S］

［3］CSA C22.2 TYPE TECK 90 cable［S］.

［4］GB/T 12706—2008額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［5］額定電壓0.6/1 kV鋁合金導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，國(guó)家能源局送審稿［S］.

［6］GB/T 3956—2008電纜的導(dǎo)體［S］.

［7］GB/T 30552—2014電纜導(dǎo)體用鋁合金線［S］.

［8］GB/T 16475—2008變形鋁及鋁合金狀態(tài)代號(hào)［S］.