架空导线钢绞线嵌铝压接接续工艺研究

张仁奇 张义钊

摘  要：为解决传统钢芯铝绞线与地线压接工艺中容易因钢管与钢绞线硬度不匹配，导致出现欠压、松股、过压、钢丝表面损伤等问题，提出将铝嵌入钢丝内部并利用铝钢摩擦提高握着力的方法。通过理论计算进行了新型钢绞线对接嵌铝压接管的设计，并基于该设计制作了检验性试件。试件的握力试验表明，该设计的握着力满足标准。

关键词：钢芯铝绞线;金具;压接工艺;握着力

0    引言

传统的钢芯铝绞线与地线的接续工艺中，钢绞线接头均用钢管直接套住钢绞线液压连接，当钢管与钢绞线硬度不匹配、压接模具尺寸不合理、压接压力不足时，容易出现欠压、松股、过压、钢丝表面损伤等缺陷，导致接头的握着力不满足标准要求[1-2]。在造成钢芯铝绞线与地线压接缺陷的因素中，钢管与钢绞线硬度不匹配是主要原因[3-6]。鉴于此，有必要研究新型的钢绞线嵌铝压接技术。

1    钢绞线对接嵌铝压接管

1.1    设计思路

新型的钢绞线对接嵌铝压接管，由外层钢管和内层铝合金管构成，如图1所示。外层钢管提供钢绞线对接主要的抗张力和接头压力，内层铝合金管提供钢丝嵌入填充材料，利用铝合金的高静摩擦系数将接头压力转变为抗张力，提高接头的握着力。

1.2    压接管嵌层铝管计算

1.2.1    钢芯绞线螺纹中径

按螺栓螺纹参数定义，鋼芯绞线螺纹中径为d2，即图2中大圆O的直径，其半径为R，对于7根钢丝的钢芯绞线，圆O与圆P相交的弧长等于圆O周长的1/12。即：

式中：R为钢芯绞线螺纹中径d2的一半;θ为钢芯绞线螺纹中径圆弧角。

根据图2中圆O与圆P的方程，即：

x2+y2=R2（x-2r）2+y2=r2x=Rcos θy=Rsin θ                  （2）

可求得两圆半径关系，即：

R=2.787 5rd2=5.575r                         （3）

1.2.2    压接应力计算

钢芯接续管压接成型后压力机未停时，如图3所示，钢管内半径为rfe，钢管中心厚度为dfe，钢芯绞线螺纹中径为d2，铝管中径厚度为dal。

钢芯接续管压接成型后压力机停机移开，假设铝管壁受压应力为σ1，钢管内半径为rfe+Δrfe，钢管中心厚度为dfe+Δdfe，钢芯绞线螺纹中径圆半径为R+ΔR，铝管中径厚度为dal+Δdal，且有如下关系：

钢芯接续管压接成型后压力机压力解除，这些厚度增量关系为：

则钢芯接续管压接成型后压力机压力解除，钢芯、嵌层铝管、钢管之间的压应力为：

1.2.3    嵌层铝管计算

（1）钢芯接续管压接成型后嵌入钢绞线间的铝材量S：

式中：r为钢芯绞线钢丝半径。

（2）嵌入需要的铝管厚度：

则嵌层铝管厚度为δal：

δal=δq+1   （9）

（3）嵌层铝管外径Dal为：

Dal=6r+1+2δal   （10）

（4）嵌层铝管长度：

根据资料，铝合金与铝合金的静摩擦系数为1.05～1.35，铝合金与低碳钢的静摩擦系数为0.61。对于铝包钢绞线、镀锌钢绞线，都按镀锌钢绞线与铝合金嵌层管静摩擦力计算，嵌层铝管螺纹损坏临界压接长度lqmin为：

式中：Fb为导线计算破断力;R为钢芯绞线螺纹中径d2的一半。

经计算，嵌层铝管螺纹损坏临界压接长度lqmin小于钢芯绞线节距，钢芯绞线节距一般为lqmin的3～4倍，因此为了安全起见，嵌层铝管长度取2个钢芯绞线节距（1个钢芯绞线节距为钢芯直径的18倍）。

1.2.4    钢管计算

（1）钢管内径：钢芯绞线的接续钢管内径等于嵌层铝管外径。

（2）钢管外径：

钢绞线总破断力为Fb，钢管的屈服强度为σsfe，则钢管厚度δfe为：

则钢管外径为：

Dfe=Dal+2δfe              （13）

（3）钢管的长度：钢管长度与嵌层铝管相同，为2个钢芯绞线节距。

1.2.5    模具参数计算

（1）压接模具压接截面积：

钢芯压接截面积为：

式中：r为钢芯绞线钢丝半径。

嵌层铝管截面积为：

式中：Dal为嵌层铝管外径。

钢管截面积为：

式中：Dfe为钢管外径;Dal为嵌层铝管外径。

压接模具的压接截面积为：

（2）由此可以得到正六边形压模的边长为：

正六边形压模对角线为：

2    安全运行温度计算

由于钢铝之间的热膨胀系数不同，因此需要对于新型接续管的安全运行温度进行计算。

假设接续管安装时环境温度为t0，钢芯及钢管的线膨胀系数为afe，嵌层铝管线膨胀系数为aal，当运行温度为t1时：

（1）钢芯半径膨胀量：

ΔRt=Rafe（t1-t0）        （20）

（2）嵌层铝管膨胀量：

Δdalt=dalaal（t1-t0）   （21）

（3）钢管内径膨胀量：

Δrfet=rfeafe（t1-t0）         （22）

（4）安全温度：

当温度升高时：

即接续管运行温度增加量应满足：

式中：dal为铝管等效厚度;σ为压力机解除前钢芯、铝管、钢管之间的压应力;σ1为压力机压力解除后钢芯、铝管、钢管之间的压应力;Eal为铝合金的杨氏模量;R为钢芯绞线螺纹中径d2的一半;rfe为压接后钢管内半径;aal为铝的线膨胀系数;afe为钢的线膨胀系数。

当温度降低时：

即接续管运行温度降低量应满足：

式中：dal为铝管等效厚度;σ为压力机解除前钢芯、铝管、钢管之间的压应力;σ1为压力机压力解除后钢芯、铝管、钢管之间的压应力;Eal为铝合金的杨氏模量;Fb为导线计算破断力;R为钢芯绞线螺纹中径d2的一半;rfe为压接后钢管内半径;afe为钢的线膨胀系数;aal为铝的线膨胀系数。

3    设计实例

笔者在项目研究中应用钢芯铝绞线LGJ-240/30与LGJ-

500/45的钢芯参数进行设计计算，选取5A05铝合金（屈服强度为115 MPa）作为嵌层铝管材料，Q345B号钢（屈服强度为245 MPa）作为钢管材料，静摩擦系数为0.61，经过计算得到嵌层铝管和钢管的参数，根据参数制造出了对应两种钢芯铝绞线的新型钢绞线对接嵌铝压接管，并在压接后沿线方向剖开。如图4所示，可以清晰看到在钢芯无损伤的情况下铝层嵌入了钢芯缝隙之中。

对两种对接嵌铝压接管进行了握力试验，LGJ-240/30钢芯钢绞线嵌铝压接管在43.99 kN拉力下未滑移（钢芯破断），LGJ-500/45钢芯钢绞线嵌铝压接管在59.52 kN拉力下未滑移（钢芯破断），断裂处均出现在嵌铝压接管之外，且接续管握着力超过了导线计算拉断力的95%（LGJ-240/30计算拉断力为40.2 kN，LGJ-500/45计算拉斷力为54.7 kN），达到标准。

4    结语

本文提出的新型钢绞线对接嵌铝压接管的设计避免了压接钢管与钢绞线硬度不匹配的问题，可以防止压接时出现欠压、松股、过压、钢丝表面损伤等缺陷，并且由于铝嵌入了钢丝之中，利用钢铝之间的摩擦力可以进一步加大压接管的握着力，防止出现握着力不足的情况。

[参考文献]

[1] 尹燕，朱本友，张宗军.钢芯铝绞线常见质量问题及原因分析[J].电线电缆，2005（3）：47-48.

[2] 叶建锋，王加强.导线断裂分析及耐张线夹压接位置检测[J].湖北电力，2014，38（12）：37-38.

[3] 田泽，叶建锋，沈祎侬，等.某500 kV输电线路耐张线夹压接缺陷分析[J].湖北电力，2019，43（2）：15-20.

[4] 朱建培，李波，易艳良.220 kV钢芯铝绞线断裂失效分析[J].热加工工艺，2015，44（5）：236-238.

[5] 李波，樊磊.某电网超高压输电钢芯铝绞线断裂失效分析[J].有色金属工程，2015，5（3）：19-22.

[6] 冯爱军，金榕.影响导线压接握着力的因素分析[J].电力建设，2011，32（11）：85-88.

收稿日期：2020-06-30

作者简介：张仁奇（1968—），男，贵州三都人，高级工程师，主要从事电网高电压设备失效分析工作。

张义钊（1993—），男，贵州三都人，硕士研究生在读，研究方向：输电工程。