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1、OPGW 的几个力学特性问题释疑New Explaining Several Mechanical Properties of OPGW谢书鸿 Xie Shuhong 总工程师 General Engineer王华 Wang Hua 技术工程师 Technology Engineer中天日立光缆有限公司 Zhongtian Hitachi Optic Fiber Cable Co. Ltd.摘要 OPGW 的力学特性对于 OPGW 作为地线安全运行很重要，尤其是拉断力、蠕变、振 动疲劳特性。但在OPGW结构设计和线路设计中，对于这些特性有些问题必须要澄清，本文 针对这些问题作了深入的解释。关键
2、词OPGW、拉断力、蠕变、疲劳Abstract：The mechanical properties of OPGW are very important to OPGW safe-running as earth wire, especially tensile strength, creep and fatigue. But during the OPGW structure design and line design, there are several questions about these properties to clarify. The author tries the b
3、est to explain these questions.Key words：OPGW; Tensile Strength; Creep; Fatigue一 概述对于架空送电线路来说，增大档距则杆塔的高度就要增加，而全线的杆塔总数量可以减 少；反之，小档距可降低杆塔高度，但全线的杆塔数量就要增多。这两者之间显然存在一个 能使线路总投资最低的档距长度，这就是临界档距。临界档距应与导线和地线规格、导线和 地线张力、杆塔材料及塔型等许多因素有关，220kV及500kV线路的临界档距大约是450m。 此外，提高导地线拉断力或取用较高的导地线使用张力，也都会在降低线路造价方面取得明 显的效果。线路设
4、计者希望导地线具有较高的拉断力，或更准确地说，希望导地线拉断力(T) 与其单位自重(M)的比值即拉力重量比(T/M )越大越好，可使线路取得更佳的经济效益。但由 于导地线的价格影响，导地线的拉断力不可能无限制地增大，因此也存在一个最佳的平衡点 如图1所示。光纤复合架空地线(OPGW)也是承担着送电线路地线的功能，对OPGW的线路 设计和结构设计会最大地影响到其安全可靠运行，而且经济效益又最佳，因此OPGW的力学 特性就显得尤其重要。图 1 线路投资关系图二 架空导线力学计算基本原理l21、抛物线 我们知道，按悬链线公式进行架空导线的力学计算比较复杂。简化方法是将悬链线公式 展开成级数后，再取其
5、前几项，这就是熟知的抛物线计算公式。由于施工架线均以弧垂值为 标准，由此确定导线长度及线张力等。因此抛物线计算公式均可用f,l及h三项参数来表示。8m8 f 2L = 12 + h 2 + 31导线弧垂导线长度2、导线状态方程式 架空导线在不同的气温及外荷载作用下，导线张力也发生相应的变化。假设导线悬挂点 高差h=0,导线长度按抛物线公式计算，在m状态，气温t ,荷载W及导线张力T ；而在n mmm状态，气温t,荷载W及导线张力T,则两种状态之间的关系是以导线状态方程式作为相互 nnn联系的。W 2l2EW 2l2ET m = T naE t /m24 T 2n24 T 2m nmn三OPGW
6、拉断力计算及探讨1、OPGW拉断力计算标准规定OPGW 拉断力是结构设计、线路设计中的一项重要参数，要求拉断力数值准确可靠，并尽可能取用较高的值，以提高线路的安全性及经济性。在目前的国家标准GB/T 7424.4-2003和 电力行业标准DL/T 832-2003中对OPGW拉断力作了如下规定：“额定拉断力应根据绞合前铠装层和光单元材料（适用时）的拉断力计算。如果OPGW的金属导线属于GB/T 1179规定的绞线，则RTS应按照GB/T 1179的规定计 算。当负荷承载单元为单一铝合金线或铝包钢线时，则RTS为各单线总抗拉强度的90%。”而在国家标准GB 1179-1999圆线同心绞架空导线中
7、，对绞合导线的额定拉断力RTS 在 4.7 条作了如下明确的规定：“a.单一绞线的额定拉断力应为第c条所述的所有单线最小拉断力的总和。b. 钢铝组合绞线的额定拉断力应为铝部的拉断力与钢部的拉断力的总和，其中钢部的拉 断力是在钢线的伸长率同铝线断裂伸长率相当时的强度。为了便于规定和计算，钢线的拉断 力偏安全地规定为:按 250mm 标距，伸长率到 1%时的相应应力值，即 1%伸长应力与钢线标称 截面积的乘积来计算。c. 任何单线的拉断力为其标称截面积与本标准所规定的单线最小抗拉强度的乘积。”2、OPGW拉断力计算存在的问题根据笔者的工作经验，在OPGW结构设计和线路设计时，往往存在以下几个问题：
8、目前OPGW绞线结构大体可归为铝合金线和铝包钢线混绞结构、单一铝合金绞线结构 和单一铝包钢绞线结构三种形式。对于单一铝合金绞线结构和单一铝包钢绞线结构的OPGW拉断力来说，GB/T 7424.4-2003 和DL/T 832-2003比GB 1179-1999规定要严格，取为各单线绞前总抗拉强度的90%(此时， 应取单线的最小抗拉强度)。对于铝合金线和铝包钢线混绞结构的OPGW，按GB 1179-1999规定，通常采用如下拉断力 计算公式：T = a A O + A oa a s s1%式中：a 铝合金线的强度损失系数，取a =1.00； o 绞前铝合金线抗拉强度最小值；aA 铝合金线总截面积
9、；A 铝包钢线总截面积；o 绞前铝包钢线伸长1%时的应力。a s s1%上述公式是借用钢芯铝绞线的拉断力计算公式，笔者认为是不正确的。因为铝合金线的 断裂延伸率为4%，而铝线的断裂延伸率只有1.5%，但铝包钢线的断裂时延伸率为1.5%，而断 裂后延伸率为 1.0%，。对于钢芯铝绞线是偏安全地规定采用铝包钢线和铝线同时伸长到1%时 的强度。而对于采用铝合金线和铝包钢线混绞结构的OPGW，完全可以采用铝包钢线达到断裂 时的最小抗拉强度，而不应该采用伸长1%时的应力。即采用如下拉断力计算公式：T = a Ao + Aoa a s s式中：a 铝合金线的强度损失系数，取a =95%，因为铝合金线绞后抗
10、拉强度约降低5%； o 绞前铝合金线最小抗拉强度；A铝合金线总截面积；A铝包钢线总截面积；o 绞 a a s s 前铝包钢线最小抗拉强度。 GB 1179-1999的附录D的表中列出了各种型号规格导线的计算拉断力数值。而在导 线的抗拉力试验中规定了“试验结果应不小于上述计算值的95%，而且任一单线均不应断裂。” 这段文字仅是说明当进行导线拉断力试验验证时，由于试样短以及夹具等因素产生的强度损 失。若试验结果达到计算值的95%,则附录D的表中计算拉断力值就是合格的。但遗憾的是此 规定造成了某些OPGW和电力设计单位的误会，结果在设计取用OPGW拉断力值时采用计算值 乘以95%，徒然使OPGW的拉
11、断力降低了 5%,造成了不应有的经济损失。3、OPGW拉断力试验方法探讨在国家标准GB/T 7424.4-2003和电力行业标准DL/T 832-2003中对OPGW拉断力试验方 法都规定按照GB/T 1179-1999中附录B进行，OPGW终端夹具采用预绞丝、压接管或经用户 同意使用的环氧树脂型或焊接型。事实上上述规定并未详细说明具体加载方法，导致在OPGW 出厂验收时有时出现用户和制造厂发生理解矛盾。电力标准DL/766-2003OPGW用预绞式金具技术条件和试验方法对耐张线夹机械破坏张 力试验方法与OPGW拉断力试验方法基本一致，都是将OPGW或预绞式金具安装好后就加载直 至发生机械破坏
12、。而GB/T 2317.1-2000电力金具机械试验方法和DL/T 763-2001架空 线路用预绞式金具技术条件对耐张线夹机械破坏张力试验规定按如下加载方法：(1) OPGW试样安装拉力金具后加力到20%RTS,在预绞丝金具末端作标记，以便观察金具 与 OPGW 的滑移；(2) 再施加拉力至50%RTS，停留2分钟，检查标记处有无滑移；(3) 继续加载至95%RTS，停留1分钟，观察有无卸载情况出现；(4) 最后施加拉力直至破断，记录破断力及滑移情况。在加载到95%RTS且在停留时，预绞丝末端不得有滑移，试样不得有破坏。因为用户经常要求OPGW拉断力试验和耐张线夹的握力试验同步进行，有时用户
13、就会采 用GB/T 2317.1-2000或DL/T 763-2001来验证耐张线夹，那么也就要求0PGW按照此方法进 行加载了。根据对OPGW和耐张线夹的使用来看，笔者认为采用GB/T 2317.1-2000或DL/T 763-2001规定的试验方法对OPGW和耐张线夹进行机械张力破坏试验是比较合理的。四 蠕变伸长与初伸长问题1 、蠕变伸长OPGW 在恒定的张力作用下，即使受力大小处于弹性变形的范围内，随着时间的增长而产 生的永久变形称为蠕变伸长。我国目前习惯上取OPGW在25%RTS张力下持续1000小时产生的蠕变量作为线路设计计算 的标准。美国、加拿大等国家规定相应于气温15.6C(60
14、F)时的导线运行张力下，持续作用 10年时间所产生的蠕变量，以此作为线路设计计算的标准。值得引起注意的动向是：目前国网公司对于大截面导线要求取得15%RTS、25%RTS、35%RTS 张力下持续1000小时产生的蠕变数据，分别针对放线张力、年平均运行张力、紧线张力状况。OPGW等导线蠕变伸长( )及张力作用时间(t),两者的对数值呈直线关系，其表示式为 =Ktn。试验证实，根据1000小时的蠕变量，可用外推法准确地取得10万小时(或10年)或 更长时间的蠕变数据。OPGW 等导线进行蠕变试验比较复杂、工作量也大，相对而言进行铝合金、铝包钢单丝的 蠕变试验比较简单。根据铝合金、铝包钢单丝的蠕变
15、数据去推出OPGW等导线的蠕变伸长，这 是一个值得研究探讨的方法。2、初伸长问题的解决办法送电线路的OPGW等导线架设以后，由于蠕变伸长使原来的弧垂值逐渐增大，大约在510 年后趋于稳定，这个现象在送电线路设计中称为初伸长问题。解决初伸长的方法可分为两类： 第1种方法：在施工紧线观测弧垂之前，先将OPGW等导线施加一较大的张力，并持续适 当的时间， OPGW 等导线可能产生的蠕变伸长被预先除去或减小到很低程度，使今后弧垂增大 成为不可能。然后再按照设计要求的弧垂值进行紧线。这个方法必须在现场进行，耐张杆塔 需承受较大的张力，以及其他许多不利情况，故工程中难以采用。第2种方法：降温法。在架设OPGW等导线时，选取小于设计要求的弧垂值进行紧线，减 小的弧垂值用以补偿初伸长的弧垂增大。这个方法是目前线路设计中普遍采用的。假设线路设计应处理的蠕变伸长量为 0， OPGW 等导线的初始及最终弹性系数相等，即E=E=E，又令蠕变补偿温度 t= /a。现设计要求OPGW等导线初伸长以后，气温t时的导i f 0 k 线张力为匚，则利用导线状态方程式可以求得在气温tb架线时，导线的张力为T”。kbbW2l2ETb24T 2bW2l2E-aEt At丿一t24T2bkk3、张力放线施工的蠕变处理送电线路OPGW采用张力放线施工方法
