碳纤维复合芯导线力学性能研究

丁利　李金新　陆林　王旅航　王善知　刘春城

【摘 要】年来，我国国民经济得到快速发展，电力需求增加迅速，部分输电线路输送能力不足、部分老旧线路技术改造困难，如何有效利用目前电网的输电线路，提高输电线路走廊单位土地面积的输送容量、节约走廊用地，减少输电线路对环境的影响、降低建设投资，是电力基础建设必须关注的一个问题。各国科研工作者为了解决这一难题开发了碳纤维复合芯导线。与钢芯导线相比，新型复合芯导线重量更轻，强度更大，热膨胀系数更小，弹性系数更高，导电性能更好，且耐腐蚀、线损低等优点。

【关键词】碳纤维复合芯导线；机械性能试验；温度—弛度特性

0 引言

我国是个缺电的国家，不仅发电业的发展滞后，输电行业的缺点也显现出来，线路已不能承受容量扩大的需求，而且因为过负荷造成的停电断电故障频繁发生，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”，各国均在研究新型架空导线，用来代替传统的钢芯铝绞线，碳纤维复合芯导线也由此而产生。

ACCC碳纤维复合导线是目前全世界电力输变电系统理想的取代传统的钢芯铝铰导线、铝包钢导线、铝合金导线及进口殷刚导线的新产品，ACCC碳纤维复合导线与传统导线相比具有重量轻、强度大、低线损、弛度小、耐高温、耐腐蚀、与环境亲和等优点，实现了电力传输的节能、环保与安全。ACCC碳纤维复合芯导线现在正处于自主研发阶段，但有些技术还依赖于国外，还未给予系统研究，比如导线的疲劳性能，耐高温、耐久性能等研究目前还处于空白阶段，这些性能参数对于开发ACCC导线是至关重要的，随着电网输电能力以及抗灾能力的不断提高，无论从节能、节地、节材、环保和提高输电能力等方面综合来看，ACCC导线具有重大的经济效益和社会效益。

1 碳纤维复合芯导线疲劳振动与机械性能

导线以 25%RTS 张力架设，一端悬垂，一端固定。振动台在导线某个共振频率（一般取 20～40 Hz）下振动，并控制试验的振动角 25′～30′，振动停止后，打开悬垂线夹。观察悬垂线夹处导线是否发生断股。将激振台的激振幅度调为10mm，激振频率为39Hz左右，此时导线与激振器发生谐振。在悬垂线夹处，用铝层将碳纤维复合芯导线缠绕包裹，防止在振动过程中，碳纤维复合芯导线发生磨损。在微风振动疲劳测试系统上，记录导线振动开始后的时间、频率、振幅、波长和波幅，直至碳纤维复合芯导线发生断股。导线长度为65m，在导线两端施加25%RTS的荷载，额定抗拉力为193.1KN，振动过程中半波长为1.9m。

由表1可知，碳纤维复合芯导线在振动试验过程中，其振动振幅始终保持在10mm，在振动开始6h之内，其振动频率为37.8HZ，以后保持在39.0HZ，计算过程中取其频率值为39.0HZ。振动累计时间为174h（626400s）。可计算得到在微风疲劳试验振动中，振动台模拟的风速，其值为4.875m/s。碳纤维复合芯导线铝股断裂时，导线的总的振动次数为24403680次。

2 碳纤维复合芯导线温度特性研究

本文研究了钢芯软铝绞线和碳纤维复合芯导线在高温作用下其弧垂变化特性。为碳纤维复合芯导线在热带地区的应用提供试验数据参考。

2.1 实验设置

导线的温度特性试验是测试在快速升温条件下，导线的弛度变化规律。因此，试验设置如下：

（1）导线的跨距为49.8m，分两个档距，跨中档距采用悬垂线夹加持。

（2）导线的接头采用压接方式，导线连接在液电拉力试验机上。

（3）在导线的两端施加25%RTS荷载。

（4）导线表面无明显损伤，线股无松股。

（5）在悬垂线夹两端设置加热源。用连接变电器的压件裹置铜丝在导线上，通入铜丝的电流为低电压大电流。

（6）用米尺测量档距中间处的导线弧垂。

2.2 加载方式

在碳纤维复合芯导线上设置四个温度测点，用温度测试仪连接在温度测点。 采用温度测试仪测量导线的温度。逐渐增加导线的温度，每5℃记录一次，取四个温度的平均值为导线此刻的温度值。从室内温度开始测量，测量到160℃。

3 实验结果

根据试验结果，得出碳纤维复合芯导线和钢芯软铝绞线的温度—弧垂曲线。由图1可知，相对于钢芯软铝绞线，碳纤维复合芯导线在80℃左右时弧垂出现拐点。在80℃之前时，碳纤维复合芯导线的弧垂增加较大，80℃之后碳纤维复合芯导线的弧垂增加量较小，趋于平衡。而钢芯软铝绞线的温度—弧垂增加量变化幅度较大，相对于碳纤维复合芯导线的弧垂大。

3 结束语

碳纤维复合芯导线是一种新型的导线，尽管为电网的增容提供全新的解决途径，由于技术与历史的原因，我国没有对碳纤维复合芯导线进行全面的检测与评估，本篇文章就是着重于碳纤维复合芯导线良好的发展前景，为碳纤维复合芯导线的运行提供了试验的基础和理论分析。

主要成果如下：

（1）对ACCC导线进行了一系列力学性能试验。通过试验发现，ACCC的弹性模数高于常规的钢芯铝绞线，这有利于ACCC的抗张力性能。

（2）通过对ACCC和钢芯软铝绞线进行温度—弛度特性试验，通过试验结果对比分析发现，同等条件下，ACCC的弧垂比钢芯软铝绞线的弧垂小，而且伴随温度的增加，ACCC的弧垂变化较小。ACCCC存在温度折点，而且在这温度折点以下，ACCC的弧垂与钢芯软铝绞线相差不大，但是当运行温度在温度拐点以上时，ACCC的弧垂与钢芯软铝绞线的弧垂相差却很大，这非常利于碳纤维复合芯导线在高温下运用，也说充分说明该导线对电网有很好的扩容性。

【参考文献】

[1]王新营，黄一钊，严波，季世泽，党鹏，黄国飞.架空导线用混杂纤维增强复合芯力学性能的研究[J].电线电缆.2010（03）.

[2]刘春城.大跨越高压输电线路覆冰断线的冲击动力学模型，振动与冲击，EI期刊2012.3（1）：003.

[3]蔡云财，郭建，王楚淇，秦孝来.碳纤维导线的性能与应用研究[J].农业工程，2013（9）：231.

[责任编辑：王伟平]