碳纖維復(fù)合芯導線力學性能研究

丁利　李金新　陸林　王旅航　王善知　劉春城

【摘 要】年來，我國國民經(jīng)濟得到快速發(fā)展，電力需求增加迅速，部分輸電線路輸送能力不足、部分老舊線路技術(shù)改造困難，如何有效利用目前電網(wǎng)的輸電線路，提高輸電線路走廊單位土地面積的輸送容量、節(jié)約走廊用地，減少輸電線路對環(huán)境的影響、降低建設(shè)投資，是電力基礎(chǔ)建設(shè)必須關(guān)注的一個問題。各國科研工作者為了解決這一難題開發(fā)了碳纖維復(fù)合芯導線。與鋼芯導線相比，新型復(fù)合芯導線重量更輕，強度更大，熱膨脹系數(shù)更小，彈性系數(shù)更高，導電性能更好，且耐腐蝕、線損低等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】碳纖維復(fù)合芯導線；機械性能試驗；溫度—弛度特性

0 引言

我國是個缺電的國家，不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后，輸電行業(yè)的缺點也顯現(xiàn)出來，線路已不能承受容量擴大的需求，而且因為過負荷造成的停電斷電故障頻繁發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，各國均在研究新型架空導線，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導線也由此而產(chǎn)生。

ACCC碳纖維復(fù)合導線是目前全世界電力輸變電系統(tǒng)理想的取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁鉸導線、鋁包鋼導線、鋁合金導線及進口殷剛導線的新產(chǎn)品，ACCC碳纖維復(fù)合導線與傳統(tǒng)導線相比具有重量輕、強度大、低線損、弛度小、耐高溫、耐腐蝕、與環(huán)境親和等優(yōu)點，實現(xiàn)了電力傳輸?shù)墓?jié)能、環(huán)保與安全。ACCC碳纖維復(fù)合芯導線現(xiàn)在正處于自主研發(fā)階段，但有些技術(shù)還依賴于國外，還未給予系統(tǒng)研究，比如導線的疲勞性能，耐高溫、耐久性能等研究目前還處于空白階段，這些性能參數(shù)對于開發(fā)ACCC導線是至關(guān)重要的，隨著電網(wǎng)輸電能力以及抗災(zāi)能力的不斷提高，無論從節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材、環(huán)保和提高輸電能力等方面綜合來看，ACCC導線具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 碳纖維復(fù)合芯導線疲勞振動與機械性能

導線以 25%RTS 張力架設(shè)，一端懸垂，一端固定。振動臺在導線某個共振頻率（一般取 20～40 Hz）下振動，并控制試驗的振動角 25′～30′，振動停止后，打開懸垂線夾。觀察懸垂線夾處導線是否發(fā)生斷股。將激振臺的激振幅度調(diào)為10mm，激振頻率為39Hz左右，此時導線與激振器發(fā)生諧振。在懸垂線夾處，用鋁層將碳纖維復(fù)合芯導線纏繞包裹，防止在振動過程中，碳纖維復(fù)合芯導線發(fā)生磨損。在微風振動疲勞測試系統(tǒng)上，記錄導線振動開始后的時間、頻率、振幅、波長和波幅，直至碳纖維復(fù)合芯導線發(fā)生斷股。導線長度為65m，在導線兩端施加25%RTS的荷載，額定抗拉力為193.1KN，振動過程中半波長為1.9m。

由表1可知，碳纖維復(fù)合芯導線在振動試驗過程中，其振動振幅始終保持在10mm，在振動開始6h之內(nèi)，其振動頻率為37.8HZ，以后保持在39.0HZ，計算過程中取其頻率值為39.0HZ。振動累計時間為174h（626400s）?？捎嬎愕玫皆谖L疲勞試驗振動中，振動臺模擬的風速，其值為4.875m/s。碳纖維復(fù)合芯導線鋁股斷裂時，導線的總的振動次數(shù)為24403680次。

2 碳纖維復(fù)合芯導線溫度特性研究

本文研究了鋼芯軟鋁絞線和碳纖維復(fù)合芯導線在高溫作用下其弧垂變化特性。為碳纖維復(fù)合芯導線在熱帶地區(qū)的應(yīng)用提供試驗數(shù)據(jù)參考。

2.1 實驗設(shè)置

導線的溫度特性試驗是測試在快速升溫條件下，導線的弛度變化規(guī)律。因此，試驗設(shè)置如下：

（1）導線的跨距為49.8m，分兩個檔距，跨中檔距采用懸垂線夾加持。

（2）導線的接頭采用壓接方式，導線連接在液電拉力試驗機上。

（3）在導線的兩端施加25%RTS荷載。

（4）導線表面無明顯損傷，線股無松股。

（5）在懸垂線夾兩端設(shè)置加熱源。用連接變電器的壓件裹置銅絲在導線上，通入銅絲的電流為低電壓大電流。

（6）用米尺測量檔距中間處的導線弧垂。

2.2 加載方式

在碳纖維復(fù)合芯導線上設(shè)置四個溫度測點，用溫度測試儀連接在溫度測點。 采用溫度測試儀測量導線的溫度。逐漸增加導線的溫度，每5℃記錄一次，取四個溫度的平均值為導線此刻的溫度值。從室內(nèi)溫度開始測量，測量到160℃。

3 實驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，得出碳纖維復(fù)合芯導線和鋼芯軟鋁絞線的溫度—弧垂曲線。由圖1可知，相對于鋼芯軟鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導線在80℃左右時弧垂出現(xiàn)拐點。在80℃之前時，碳纖維復(fù)合芯導線的弧垂增加較大，80℃之后碳纖維復(fù)合芯導線的弧垂增加量較小，趨于平衡。而鋼芯軟鋁絞線的溫度—弧垂增加量變化幅度較大，相對于碳纖維復(fù)合芯導線的弧垂大。

3 結(jié)束語

碳纖維復(fù)合芯導線是一種新型的導線，盡管為電網(wǎng)的增容提供全新的解決途徑，由于技術(shù)與歷史的原因，我國沒有對碳纖維復(fù)合芯導線進行全面的檢測與評估，本篇文章就是著重于碳纖維復(fù)合芯導線良好的發(fā)展前景，為碳纖維復(fù)合芯導線的運行提供了試驗的基礎(chǔ)和理論分析。

主要成果如下：

（1）對ACCC導線進行了一系列力學性能試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn)，ACCC的彈性模數(shù)高于常規(guī)的鋼芯鋁絞線，這有利于ACCC的抗張力性能。

（2）通過對ACCC和鋼芯軟鋁絞線進行溫度—弛度特性試驗，通過試驗結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)，同等條件下，ACCC的弧垂比鋼芯軟鋁絞線的弧垂小，而且伴隨溫度的增加，ACCC的弧垂變化較小。ACCCC存在溫度折點，而且在這溫度折點以下，ACCC的弧垂與鋼芯軟鋁絞線相差不大，但是當運行溫度在溫度拐點以上時，ACCC的弧垂與鋼芯軟鋁絞線的弧垂相差卻很大，這非常利于碳纖維復(fù)合芯導線在高溫下運用，也說充分說明該導線對電網(wǎng)有很好的擴容性。

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[責任編輯：王偉平]