不同金具结构对碳纤维导线性能的影响

王东伟，魏 桐

（1.国家电投山东分公司，山东 济南 250002；2.天津大学机械工程学院，天津 300350）

0 引言

特高压工程具有输电容量大、传输距离远和输送损耗小等特点，可大大提升我国电网的输送能力［1-3］。为提高特高压工程输送容量，其输电线路须采用新型输电导线。刘燕［4］等人对某新型耐热铝合金导线的力学特性进行了分析，得到该导线性能优于普通铝合金导线的结论，并通过数值模拟方法验证了其安全运行的可能性。王新营［5］等人分析了含有碳纤维的增强复合材料导线芯棒的力学、热老化和热膨胀等性能，为复合芯棒的生产提供了参考与基础。董罡［6］阐述了一种采用铝包覆结构制造生产的新型碳纤维复合芯导线，并通过多种试验方法说明了该导线具有较好的机械与电学性能，该碳纤维导线如图1 所示。

图1 新型碳纤维复合芯导线

金具作为架空输电线路中不可缺少的装置，主要包括耐张线夹、接续金具和防护金具等［7-8］，考察这些装置对导线性能的影响十分重要。黄学能［9］等人采用包括射线技术在内的多种试验方法对某耐张线夹的断裂问题进行研究，认为铝套管液压定位不准确是事故发生的主要原因。王习武［10］等人对3 种悬垂线夹的力学性能进行了有限元法分析，指出预绞式悬垂线夹能改善导线的应力梯度，降低最大应力。谷俊秀［11］分析了碳纤维导线配套特殊楔形金具的特点以及相关实际应用。刘洪正［12］尝试采用液压式新型金具对碳纤维导线进行安装并通过试验手段开展验证，以达到在施工过程中减小对碳纤维芯棒损伤的目标。

针对以上内容提及的新型碳纤维复合芯导线、新型液压式金具以及传统楔形金具，基于有限元分析方法［13-14］，应用静力学计算平台，对两种不同连接方式的金具进行数值模拟仿真，并对碳纤维导线在金具作用下的力学性能开展对比分析。

1 模型建立及参数设定

1.1 模型建立

传统碳纤维导线配套金具的主要结构为楔形夹和楔形夹座，而新型液压式金具的主要结构为平行压接管。液压式金具与楔形金具结构如图2 所示，对比可知两者的主要区别是新型液压式金具不再使用结构复杂、成本较高的楔形连接构件，而是在导线芯棒部分采用液压压接方式进行连接［12］。

图2 液压式金具与楔形金具结构

根据型号为JLRX1／F2A-800／70 新型碳纤维导线、液压式NY-800 碳纤维耐张线夹以及楔形JY-400／80 耐张线夹的相关尺寸数据，对结构进行三维物理建模。碳纤维导线的具体参数如表1 所示，两种耐张线夹的具体参数如表2 所示，模型如图3 所示。

1.2 参数及边界条件设定

如图3 所示，计算模型从内至外依次为碳芯、铝包覆及金具结构。模型中各材料均假设为连续、均质和各向同性，耐张线夹、铝包覆材料设置为铝合金，芯棒材料设定为碳纤维。材料的具体参数如表3所示。

表1 碳纤维导线的结构参数 mm

表2 两种耐张线夹的结构参数 mm

图3 两种耐张线夹的计算模型

表3 模型各部分的材料参数

针对上述基于耐张线夹与导线铝包覆结构接触后所建立的计算模型，为了对比不同金具结构对碳纤维导线力学性能的影响，在两种耐张线夹的外侧面均施加80 MPa 的周向压强。同时，模型两端的边界条件设置为固定端约束，即限制模型两端各方向的位移与旋转。通过相关设置，液压式耐张线夹计算模型的节点和单元数量分别为13 774 和2 578，楔形耐张线夹计算模型的节点与单元数量分别为10 626和2 266。基于静力学计算平台对各模型开展数值模拟，并对新型碳纤维导线碳芯部分、铝包覆结构和金具的力学特性进行分析探究。

2 两种金具对导线力学性能的影响分析

基于上述建立的物理模型和数值计算结果，统计在两种金具的作用下结构表面应力及变形的数值，如表4 所示。

表4 两种金具中各结构的力学特性

由表4 的计算结果可知，3 个部件表面上最大应力与最大变形较高值均出自楔形连接方式模型。对比两种金具作用下的结果发现，压接方式作用下各部件上的最大应力和变形均小于楔形连接方式。表明在导线物理参数以及所受外力相同的情况下，新型液压式金具减小了碳纤维导线上的应力，说明液压式金具的力学性能优于传统楔形方式。

作为新型碳纤维导线的重要特点，铝包覆结构的应用一定程度上提高了碳纤维导线的性能，同时也为液压式金具的使用提供了可能性。选取2 种模型中碳纤维导线铝包覆结构表面的应力及变形分布进行对比分析，如图4 和图5 所示。

图4 液压式模型中铝包覆的应力及总变形分布

从二者的应力分布图可以看出，在相同外力作用下，采用压接方式时，铝包覆表面的最大应力约为38.8 MPa，而楔形结构对铝包覆产生的最大应力约为104.9 MPa，两者相差较大，说明液压压接方式很大程度上优化了铝包覆表面的应力。从图4 和图5中还可以看出，压接情况下铝包覆的应力分布较为均匀，仅存在很小的梯度变化。而楔形金具中铝包覆表面的应力梯度较大，均匀性较差，存在明显的应力集中，这增大了碳纤维导线发生断裂的可能性。

图5 楔形模型中铝包覆的应力及总变形分布

对比总变形分布可知，压接方式的最大变形约为4.3 μm，楔形方式的最大变形约为9.7 μm，说明前者可以有效降低铝包覆的变形程度。从分布情况上来看，楔形方式铝包覆中间部分的变形明显大于两端，而压接方式的总变形分布较楔形连接方式的总变形分布更为均匀。综合考虑两种模型的力学特性，说明在压接方式金具的作用下，碳纤维导线中铝包覆表面的力学性能更为优越，也说明该金具可以更好保护导线的完整性。

进一步对两种模型中碳纤维导线芯棒的力学性能进行对比分析，碳芯表面的应力与变形分布云图如图6 和图7 所示。

图6 液压式模型中碳芯的应力及总变形分布

图7 楔形模型中碳芯的应力及总变形分布

从应力分布图中可知，在相同外力作用下，采用压接方式时，碳棒表面的最大应力约为52.2 MPa，而楔形模型中碳芯的最大应力约为66.1 MPa，前者较后者下降了约21%，说明液压式金具有效优化了碳纤维导线芯棒表面的应力。从应力分布图可以看出，前者的应力分布较为均匀，梯度变化不大，少有应力集中现象。而楔形连接方式下碳棒表面的应力分布具有较大的梯度，增加了碳棒自身断裂的概率，将严重影响碳纤维复合芯导线的性能。由总变形云图可知，压接方式碳棒的最大变形约2.8 μm，而传统方式的最大变形约为8.6 μm，后者明显高于前者，说明楔形金具会使碳棒发生很大的变形。就分布情况而言，压接方式的总变形较为均匀，楔形金具中碳棒的中间部分变形明显大于两端。结合应力的结果，发现在新型液压式金具的作用下，碳纤维导线芯棒表面的力学性能优于楔形连接方式。

综合考虑应力与变形的对比分析结果、金具的制造工艺以及施工安装的难度，可以发现新型液压式金具不仅能有效降低工程应用中对碳纤维导线的损伤，减小架空导线事故发生的概率，更能降低制造生产成本，进而提高其经济效益和工作效率。

3 结语

针对某新型碳纤维导线、新型液压式金具以及传统楔形金具，通过建立三维计算模型，采用有限元分析方法对其力学性能进行数值计算。液压压接方式下各结构应力与变形均小于传统楔形连接方式，同时新型液压式金具可以降低碳棒表面的应力集中现象，说明采用压接方式的金具具有较好的力学性能，可以更好地保证碳纤维导线的完整性。新型液压式金具采用压接管替代了传统碳纤维导线金具较为复杂的楔形结构，降低了在施工过程中发生安全故障的概率，提高了金具安装的效率，具有一定的实际应用价值。