碳纤维复合芯软铝绞线拉断力试验的影响因素

孟宪彬，吴庆丰

(远东电缆有限公司，江苏宜兴214257)

0 引言

架空输电线路在架线前都要对架空导线进行拉断力试验，以便掌握架空导线的性能并作为相关工程资料的备案。同样，对于作为新型架空导线的碳纤维复合芯软铝绞线也应根据GB/T 4909.3—2009标准进行拉断力试验。实际上，我们发现碳纤维复合芯软铝绞线的拉断力试验结果往往不能反映其真实的性能，这不但直接影响了用户对碳纤维复合芯软铝绞线的认知，同时也阻碍了碳纤维复合芯软铝绞线的推广应用。

1 拉断力试验的影响因素

碳纤维复合芯软铝绞线是一种新型的架空导线，与传统的钢芯铝绞线相比，具有强度大、重量轻、线膨胀系数小、低损耗、载流量大、耐腐蚀及自阻尼良好等特性。碳纤维复合芯软铝绞线的核心部分是碳纤维复合芯，高等级的碳纤维复合芯是由航空航天级的高强度碳纤维(耐高温、耐摩擦、导热、耐腐蚀、密度小及比强度高)、工业玻璃纤维，及专用的树脂混合物组成，并通过加热在专用的拉挤设备中成型，之后再在碳纤维复合芯棒的外层绞绕梯形截面的软铝型线，构成碳纤维复合芯软铝导线。目前，碳纤维复合芯软铝绞线广泛地用于老线路增容改造、新线路建设、电站母线，以及大跨越、大落差、重冰区、高污染等特殊气候和地区的线路中。

我们通过大量的试验和观察，发现影响碳纤维复合芯软铝绞线拉断力试验结果的因素，主要有金具的安装和碳纤维复合芯软铝绞线(导线)试样的制作两个方面。

1.1 金具的安装

与普通钢芯铝绞线不同，结构特殊的碳纤维复合芯软铝绞线的金具(耐张线夹)由楔型夹、楔型夹座、连接环、内衬管、外压接管等组成，主要承力部分是楔型夹、楔型夹座及连接环。图1示出了各类金具组件。

碳纤维复合芯软铝绞线拉断力试验时，常因以下金具安装问题致使试验结果不能反映碳纤维复合芯软铝绞线的真实性能:

(1)金具压接质量不佳，导致碳纤维复合芯棒被压弯，后又未校直，致使拉断力试验失败。碳纤维复合芯软铝绞线耐张线夹的压接区一般为300mm左右，采用50mm宽的模具需压6～7模，当接续管及耐张线夹压接质量不好时容易出现碳纤维复合芯棒压弯现象。如图2所示，拉断力试验时图中A端固定在拉力机上。在拉断力试验过程中，碳纤维复合芯棒会受到侧压力F1、F2、F3、F4及拉伸负荷等的作用，此时碳纤维复合芯棒受力均衡;如果金具(接续管及耐张线夹)压接质量不佳，碳纤维复合芯棒压弯后未校直，则随着拉伸负荷增大，压弯的碳纤维复合芯棒受到的侧压力F1、F3增大，大于侧压力F2(F4)，从而破坏了碳纤维复合芯棒的受力均衡;当拉伸负荷进一步增大超过一定值时，碳纤维复合芯棒中的碳纤维就会开始发生断裂，最后直至碳纤维复合芯软铝绞线断裂，拉断力试验失败。

我们仔细分析后发现，造成上述拉断力试验失败的原因是:碳纤维复合芯棒中的碳纤维非常柔软，虽然在树脂的作用下25～100万根碳纤维丝纵向拉伸强度最大可达7 000 MPa或者更高，但其径向剪切强度却是很小;为了满足工程的需要，在实际设计中通常在碳纤维束的表面包覆一层玻璃纤维，以达到工程要求的强度，玻璃纤维同时还可弥补碳纤维径向强度不足的缺陷。这种碳纤维和玻璃纤维相结合的碳纤维复合芯棒结构有些类似竹子，当其弯曲角度大于规定值(21.2°)时，碳纤维复合芯棒中的碳纤维就会发生径向断裂，且在一定力的作用下断裂面会逐渐增大，最后导致整根碳纤维复合芯棒断裂。

图1 各类金具组件

图2 碳纤维复合芯棒出现压弯现象

因此，为了确保金具的压接质量，我们在压接金具时必须选择合适的液压机和模具，上下模具应对正，并且为保证金具外压接管表面上下所处的摩擦力一致，模具压接面应清洗干净或涂抹适量的润滑脂。无论是在拉断力试验还是线路架设过程中，我们均应对碳纤维复合芯软铝绞线金具安装压接后的弯曲度加以严格控制，根据GB 50233—2005标准中7.4.8条款的第4条规定“弯曲度不得大于2%，有弯曲时应校直”，对超出标准的压接弯曲进行校直，以确保拉断力试验和线路架设的顺利完成。

(2)模具选择不合理，致使拉断力试验失败。金具安装时选择的模具偏大，会导致碳纤维复合芯软铝绞线与金具导电部分接触不好，在运行过程中易发热乃至断线;选择的模具偏小，会导致碳纤维复合芯棒受力不均(如图3中B和C处的压力大于D和E处的压力)，被压扁，致使碳纤维断裂，当拉断力试验中拉伸负荷进一步增大超过一定值时，碳纤维复合芯软铝绞线断裂，拉断力试验失败。

因此，为了确保金具的安装质量，我们在安装金具时必须选择合适的模具。根据多年的金具安装经验，模具压接面对角长度为导线直径±0.2mm较为合适，例如导线直径为50mm，则模具在加工时压接面对角长度可为50±0.2mm;如为满足工程验收标准，可在模具加工时压接面对角长度标准值的基础上适当减小0.5mm，例如模具需加工的压接面对角长度50mm，则实际加工时为49.5mm即可。一般模具宽度为50～60mm，模具宽度的控制与选择的液压机压力密切相关，根据标准SDJ 226—87《架空送电线路导线及避雷线液压施工工艺规程》中4.0.2条款规定:各种液压管压后对边距尺寸S的最大允许值为S=0.866×(0.993D)+0.2，式中D为管外径，单位为mm。

(3)金具安装压接过程中脱模野蛮操作，致使拉断力试验失败。在金具的压接过程中，常因未按规程清洗模具压接面或在模具压接面上涂抹润滑脂等出现粘模现象，此时一些操作工习惯性地用脚踩踏或用手提拉导线，使金具出口处的导线应力集中，一旦用力过大，将导致碳纤维复合芯棒中的碳纤维出现断痕，致使拉断力试验失败。

(4)金具安装过程中主要承力元件安装不合理，致使拉断力试验失败。图4所示楔型夹、楔型夹座及连接环是金具的主要承力元件，虽然这三者无需压接，但为了确保拉断力试验顺利进行，我们在安装时必须严格按照下述要求进行操作:1)在碳纤维复合芯软铝绞线分割后应避免A处碳纤维复合芯表面出现纵向裂纹;2)碳纤维复合芯软铝绞线剥完后应确保B处碳纤维复合芯表面无锯痕等缺陷;3)碳纤维复合芯穿入楔型夹后，应保证C处至少留有5mm的长度;4)在拧紧连接环时，应在水平方向操作，避免左右、上下剧烈摆动，防止D处碳纤维复合芯受损，连接环拧紧后，楔型夹尾部要露出楔型夹座(E处)5～7mm，D处长度应保持在20～40mm的范围内。

图3 碳纤维复合芯棒的受力示意图

图4 楔型夹、楔型夹座的安装示意图

1.2 碳纤维复合芯软铝绞线试样的制作

在碳纤维复合芯软铝绞线中，软铝型线强度为60～80 MPa，碳纤维复合芯强度为2 050～2 400 MPa，约占整个导线强度的70% ～85%。例如，碳纤维复合芯软铝绞线JLRX/T-240/28mm2中碳纤维复合芯强度占整个导线强度的71%，JLRX/T-517/71mm2中碳纤维复合芯强度占整个导线强度的82%。虽然软铝型线强度只占整个导线强度的18%～30%，但该部分的强度对拉断力试验结果仍有比较大的影响。由于碳纤维复合芯软铝绞线的导电部分是由软铝型线绞制而成的，填充系数可达93%以上，再加上压接管的压接区有300mm左右，在压接过程中，特别是后三模，铝线表面就开始出现“灯笼”或松股现象，因此碳纤维复合芯软铝绞线试样的制作时，必须控制和解决软铝型线出现的“灯笼”或松股现象。

为了保证碳纤维复合芯软铝绞线试样的制作质量，获得准确的拉断力试验结果，我们采取了下述解决措施:(1)按GB/T 2317.1—2008标准第7.1.1中试验应选用与被试金具相匹配的导线，被试金具与导线连接时不得使导线起“灯笼”现象，试件中金具与金具之间或金具与夹具之间的导线长度应不小于导线外径的100倍，且不小于2.5 m等，试样长度应根据现场拉力试验机的能力而定。在此应说明，目前碳纤维复合芯软铝绞线拉断力试验中终端头最好的制作方法是压接式，同时金具的握着力试验也应在考核范围内。(2)如图5所示，在正压操作时，当压到B端压接区最后三模时，应用手握住B端距金具出口150～300mm处，避免因应力集中导致该处起“灯笼”现象。(3)为避免铝线松股现象，试样另一端金具的安装一般采用反压的方式来完成，即从B端至A端。

图5 耐张线夹的安装、压接示意图

2 拉断力试验的相关标准要求

在拉断力试验过程中应按标准GB/T 4909.3—2009要求安装试样，启动拉力试验机，拉力加载应平稳、速度均匀、无冲击，拉伸速度均匀，控制在20～100mm/min。当试样终端为低熔金属浇铸式终端时，碳纤维复合芯软铝绞线的拉断力应符合GB/T 1179—2008标准第5.5.3条“当要求进行导线的拉断力试验时，应能承受不小于规定的计算额定拉断力的95%，而且任一单线均不得断裂”。

由于碳纤维复合芯软铝绞线中碳纤维复合芯所承受的拉断力占导线的70% ～81%，而这一部分是采用楔型夹和楔型夹座等来连接的，属非压接式，因此应按GB/T 2314—2008标准第4.2.4条“架空电力线路用非压缩型金具(螺栓型耐张线夹、楔型耐张线夹)对导线、地线的握力，其与导线、地线计算拉断力之比应不小于90%”及GB/T 1179—2008标准的相关规定综合考虑。金具握力试验应根据GB/T 2317.1—2008标准中第7.1.2试验步骤进行碳纤维复合芯软铝绞线安装的金具握力试验。先将被试金具安装在拉力试验机上，施加载荷达到导线计算拉断力的20%，在金具出口端的导线上作一个参考标记，以测量导线相对于金具的滑移量;在不小于30 s时间内，将张力逐步增加到导线计算拉断力的50%，保持120 s;之后在不小于30 s的时间内，将张力逐步增加到规定的握力值，保持60 s。

3 结束语

为保证碳纤维复合芯软铝绞线拉断力试验结果能够反映碳纤维复合芯软铝绞线的真实性能，在拉断力试验时必须对金具的安装质量和碳纤维复合芯软铝绞线试样制作的质量进行严格控制。在拉断力试验时应避免接续管及耐张线夹压接后未校直，模具选择不合理，压接过程中脱模野蛮操作而产生的复合芯横断面受力不均导致碳纤维内部出现断痕，安装过程主要承力元件安装不合理而导致复合芯滑移或碳纤维出现断痕，试样制作过程中导线由于压接的方法和处理方法不当所出现“灯笼”或松股现象等问题的出现。同时，还应注意拉断力试验过程中的拉伸速度不均及试验结果的判定标准选用等情况。

由于目前碳纤维复合芯软铝绞线还处在推广阶段，很多电力安装部门还不完全甚至根本不了解，加之该导线的金具安装相关标准也尚未出台，因此我们详细阐述线路施工前拉断力试验中碳纤维复合芯软铝绞线试样的制作过程，希望通过对架线人员进行金具的安装培训及相关注意事项的告知，促使更多的架空输电线路使用碳纤维复合芯软铝导线，使其在新建电力输电线路或老线路的改造上发挥出明显的经济效益和社会效益。

［1］GB 50233—2005 110～500 kV架空送电线路施工及验收规范［S］.

［2］GB/T 2317.1—2008 电力金具机械试验方法［S］.

［3］GB/T 2314—2008 电力金具通用技术条件［S］.

［4］GB/T 1179—2008 圆线同心绞架空导线［S］.

［5］远东复合技术有限公司.Q/320282DFP01—2010纤维增强树脂基复合芯软铝型线绞线［S］.