基于真型试验线路的碳纤维导线舞动特性研究

艾文君 张博 宋高丽 刘泽辉

摘 要：碳纤维导线作为一种新型架空输电导线，因其优越的性能，已在电网中大范围推广应用，但在舞动区应用的情况尚未可知。为了研究碳纤维导线的舞动特性，本文以型号为500k JLRX/FIB-400/50的碳纤维导线为样本，于舞动区的真型试验线路进行了为期18个月的挂网试验研究。试验期间，通过在线监测系统得到导线实时舞动张力数据，并据此对碳纤维导线的舞动形态特征和张力特征进行分析。

关键词：碳纤维导线；真型试验线路；舞动形态特征；张力特征

中图分类号：TM752 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）20-0078-03

Research on the Galloping Characteristic of Aluminum Conductor

Carbon Core based on True Type Test Lines

AI Wenjun1，2 ZHANGH Bo1，2 SONG Gaoli1，2 LIU Zehui1，2

（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450002；2. State Grid Key Laboratory of Power Overhead Transmission Line Galloping Prevention Technique， Zhengzhou Henan 450002）

Abstract： As a new type of overhead transmission line， ACCC（Aluminum Conductor Carbon Core） has been widely applied in the power grid because of its superior performance， but the application in the galloping area is not known. In order to study the galloping characteristics of ACCC， the model of 500k JLRX/FIB-400/50 ACCC was used as a sample， and a 18-month network test was conducted on the true type test line of the dancing area. During the test， the real-time dancing tension data of the wire was obtained through the online monitoring system， and the galloping characteristics and tension characteristics of ACCC were analyzed.

Keywords： ACCC；true type test line；galloping characteristic；tension characteristic

近年來，由于气象复杂多变，输电线路舞动频繁发生，对电网造成了重大损害。我国地貌丰富多样，是世界上舞动灾害最频发、舞动区域最广大的国家之一[1]。由于碳纤维导线在配电线路增容改造工程中的大量使用及其制造成本持续降低，在新建线路和高电压等级线路中被大量推广应用，且得到广泛认可[2，3]。这意味着未来将会出现大量穿越舞动高发区的碳纤维导线线路。美国最早从2004年开始在德克萨斯州230kV的输电线路上安装碳纤维导线，我国于2006年在福建省、辽宁省的220kV线路增容改造中使用这种导线，随后在其他省份推广应用[4]。但目前，国内外尚没有关于碳纤维导线在舞动区应用的跟踪报道，对碳纤维导线舞动形态特征及张力特征的研究也较少[5，6]。

因此，在新建线路和高电压等级线路中大规模推广碳纤维导线之前，有必要开展碳纤维导线在舞动区的应用研究，重点关注碳纤维导线的舞动特性。

本文通过碳纤维导线在真型线路中的挂网研究，监测碳纤维导线在特定气象条件下的舞动数据，如导线舞动幅值、动张力等，并据此分析碳纤维导线的舞动形态特征和动张力特征。

1 碳纤维导线的特点

碳纤维导线全称为碳纤维有机复合材料加强芯软铝绞线（Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal Wire，ACCC/TW），是一种全新概念的架空输电线路用导线。其具有强度高、线损低、导电率高、弧垂小、允许工作温度高、载流量大、重量轻、耐腐蚀、使用寿命长和投资比高等特点。

与具有相同直径的普通钢芯铝绞线相比，碳纤维导线的结构较复杂，内部芯棒为碳纤维树脂复合材料包覆一层玻璃纤维树脂复合材料制成，外部两层为一系列呈梯形截面的软铝线绞合而成，如图1所示。在性能上，碳纤维导线芯线抗拉强度是普通导线的2倍，弹性模量是普通导线的1/2，综合拉断力是普通导线的1.3倍。

2 真型试线路挂网方案

2.1 导线参数

本文选用国内典型碳纤维复合芯导线厂家生产的碳纤维导线作为样本，以三相四分裂的形式悬挂于实验室真型输电线路的3#塔—6#塔之间。试验参数如表1所示。

2.2 导线布置

真型试验线路#3—#6段为紧凑型试验线路段，可悬挂四分裂导线和六分裂导线，线路三相呈倒三角布置（见图2）。由#3—#6面向大号侧分左右，各相导线由右至左（由南向北）依次命名为A相（南相）、B相（中相）和C相（北相）。试验档距如表2所示，杆塔类型参数如表3所示。

2.3 金具使用情况

为了模拟真实线路舞动情况，此次研究中线路金具完全按照线路设计标准进行。使用到的金具主要有以下4种。①耐张线夹，用于固定导线，以承受导线张力，并将导线挂至耐张串组或杆塔上的金具。②悬垂线夹，用于将导线固定在直线杆塔的绝缘子串上，广泛使用的主要有2种类型，即预绞式线夹和老式船型线夹。此次研究用到的是预绞式悬垂线夹。③防振锤，用来减少导线因风力作用产生的震动。④四分裂子间隔棒，用于分裂导线中限制子导线之间的相对运动及在正常运行情况下保持分裂导线的几何形状。常见的类型有4种：预绞丝固定Ⅰ型、预绞丝固定Ⅱ型、常规Ⅰ型、常规Ⅱ型。此次研究中用到的是固定方式较为牢固的预绞丝式四分裂子间隔棒。

3 舞动数据分析

3.1 导线舞动形态特征

本次试验中三相导线由于挂点位置的差异，其舞动特征并不完全相同，具体舞动特征如表4所示。其中，中相导线在#4—#6塔之间舞动幅值与其他两相不同；三相导线的舞动频率整体分布相似，只是细节上略微存在差别。导线双半波模态如图3所示。典型的频谱分析结果如图4所示。

<3.2 舞动导线张力特征

通过试验发现，导线舞动时会在预紧力的基础上产出交变载荷，引起动态张力增大。试验中在线监测设备实时监测了导线舞动的幅值和张力数据，通过对这些数据进行分析可得出以下结论。①时间、风速和幅值三者成正比关系[7]，这与已有研究成果一致。图5为1次典型的导线舞动动态张力随风速增加的过程。从图中可以看出，初期，风速增幅较大；后期处于平稳状态。风速增大的同时，导线张力幅值也随之增大，且导线张力幅值曲线与风速曲线形态相似；风速和导线张力幅值曲线增幅呈指数增长。②导线发生舞动时，最大动态张力可以达到静态覆冰张力的1.3～1.5倍。图6为试验中选中的两个不同舞动时段的导线动态张力值。

4 结论

通过此次碳纤维导线在真型线路的挂网试验中的分析研究可得出：碳纤维导线在适当的冰风载荷作用下会发生舞动；不同线路参数和冰风条件下导线舞动幅值、张力动态特性不同；线路舞动时间、风速和幅值三者成正比；在试验期间观测到的碳纖维导线舞动后的最大幅值超过3m，最大动张力为静态覆冰张力的1.5倍。

参考文献：

[1]黄斌，徐姗姗，苏文宇.输电线路覆冰研究综述[J].电瓷避雷器，2012（2）：13-15.

[2]魏晗兴，朱波，陈原.新型碳纤维复合芯铝合金导线的特性研究[J].功能材料，2009（12）：1993-1995.

[3]付晶晶.碳纤维复合芯导线在输电线路工程中的应用研究[D].保定：华北电力大学，2014.

[4]董国伦，龚坚刚，余虹云，等.碳纤维复合芯软铝绞线设计、施工、运行与检修[M].北京：中国电力出版社。

[5]鞠彦忠，李秋晨，孟亚男.碳纤维复合芯导线与传统导线的比较研究[J].华东电力，2011（7）：1191-1194.

[6]赵晓锋.碳纤维复合芯导线在输电线路重冰区域上的应用[J].中小企业管理与科技，2013（6）：217-219.

[7]朱宽军，刘超群，任西春.架空输电线路舞动时导线动态张力分析[J].中国电力，2005（10）：41-44.