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

【關鍵詞】碳纖維復合芯導線；機械性能試驗；溫度—弛度特性

0 引言

我國是個缺電的國家，不僅發電業的發展滯后，輸電行業的缺點也顯現出來，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生，電力傳輸成為電力工業發展的“瓶頸”，各國均在研究新型架空導線，用來代替傳統的鋼芯鋁絞線，碳纖維復合芯導線也由此而產生。

ACCC碳纖維復合導線是目前全世界電力輸變電系統理想的取代傳統的鋼芯鋁鉸導線、鋁包鋼導線、鋁合金導線及進口殷剛導線的新產品，ACCC碳纖維復合導線與傳統導線相比具有重量輕、強度大、低線損、弛度小、耐高溫、耐腐蝕、與環境親和等優點，實現了電力傳輸的節能、環保與安全。ACCC碳纖維復合芯導線現在正處于自主研發階段，但有些技術還依賴于國外，還未給予系統研究，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，這些性能參數對于開發ACCC導線是至關重要的，隨著電網輸電能力以及抗災能力的不斷提高，無論從節能、節地、節材、環保和提高輸電能力等方面綜合來看，ACCC導線具有重大的經濟效益和社會效益。

1 碳纖維復合芯導線疲勞振動與機械性能

導線以 25%RTS 張力架設，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生斷股。將激振臺的激振幅度調為10mm，激振頻率為39Hz左右，此時導線與激振器發生諧振。在懸垂線夾處，用鋁層將碳纖維復合芯導線纏繞包裹，防止在振動過程中，碳纖維復合芯導線發生磨損。在微風振動疲勞測試系統上，記錄導線振動開始后的時間、頻率、振幅、波長和波幅，直至碳纖維復合芯導線發生斷股。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，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）。可計算得到在微風疲勞試驗振動中，振動臺模擬的風速，其值為4.875m/s。碳纖維復合芯導線鋁股斷裂時，導線的總的振動次數為24403680次。

2 碳纖維復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合芯導線在高溫作用下其弧垂變化特性。為碳纖維復合芯導線在熱帶地區的應用提供試驗數據參考。

2.1 實驗設置

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

（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

在碳纖維復合芯導線上設置四個溫度測點，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。從室內溫度開始測量，測量到160℃。

3 實驗結果

根據試驗結果，得出碳纖維復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，碳纖維復合芯導線在80℃左右時弧垂出現拐點。在80℃之前時，碳纖維復合芯導線的弧垂增加較大，80℃之后碳纖維復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，相對于碳纖維復合芯導線的弧垂大。

3 結束語

碳纖維復合芯導線是一種新型的導線，盡管為電網的增容提供全新的解決途徑，由于技術與歷史的原因，我國沒有對碳纖維復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合芯導線良好的發展前景，為碳纖維復合芯導線的運行提供了試驗的基礎和理論分析。

主要成果如下：

（1）對ACCC導線進行了一系列力學性能試驗。通過試驗發現，ACCC的彈性模數高于常規的鋼芯鋁絞線，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，通過試驗結果對比分析發現，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合芯導線在高溫下運用，也說充分說明該導線對電網有很好的擴容性。

【參考文獻】

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[責任編輯：王偉平]