光纖多股集束型碳纖維復合芯導線耐張線夾的研制

王怡欣,賈伯巖,龐先海,伊曉宇,劉 杰

(1.國網河北能源技術服務有限公司,河北 石家莊 050021;2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

碳纖維復合芯導線(Aluminium Conductor Composite Core,ACCC)導線具有強度大、質量輕、耐腐蝕、耐高溫、弧垂小等一系列優異的性能,被稱為節能倍容導線,是輸電線路的重大創新發展[1-5]。經過近二十年的發展,該導線在全球應用50多個國家近千條線路,累計掛網15萬km。耐張線夾是一種將導線連接在輸電線路鐵塔耐張絕緣子串上的金具,除了承受導線全部拉力外,還作為導電體傳導電流,是輸電線路中的關鍵部件。近年來,為了充分發揮碳纖維復合芯導線獨特的性能優勢,多種不同結構的碳纖維復合芯棒相繼被開發,因此碳纖維復合芯導線耐張線夾的研究成為該領域研究的熱點之一[6-12]。

光纖多股集束型碳纖維復合芯導線是一種新型結構的碳纖維復合芯導線。該導線芯棒采用多芯棒碳纖維復合芯集束結構,具有較高的彎曲性能。同時在單芯棒中植入了光纖,可利用光纖作為傳感器檢測碳纖維復合芯中的隱蔽缺陷,還可獲得導線溫度、覆冰和舞動等對信號圖譜的影響。配套耐張線夾握力過大會造成碳纖維復合材料產生裂紋,不僅不能有效發揮該導線力學性能強的優勢,還會造成芯棒內植光纖損壞,影響缺陷的檢測。耐張線夾握力過小又會造成耐張線夾與導線之間的滑脫,因此光纖多股集束型碳纖維復合芯導線耐張線夾的研制對于該導線的可靠性提升,其示范意義重大。

1 結構設計與握力計算

1.1 結構設計

傳統的碳纖維復合芯導線為單芯棒結構,見圖1(a),其中芯棒的芯層為碳纖維層,外層為玻璃纖維層。光纖多股集束型碳纖維復合芯導線圖1(b)為多芯棒結構,其中芯棒由7根植入光纖的細碳纖維復合芯棒通過平行集束、芳綸編織、玻纖纏繞和鋁膜包覆的方式制成。

考慮到光纖集束型碳纖維導線的特殊結構,其配套金具耐張線夾的設計理念主要考慮到以下因素。

1)成本因素。單芯棒碳纖維復合芯導線配套金具耐張線夾如圖2所示,是根據碳纖維復合芯導線結構特性而設計的,采用楔型自鎖原理。該耐張線夾的握力與楔外套和楔形內套之間摩擦系數、開口間隙和錐度及碳纖維復合芯的摩擦系數密切相關,因此對加工的要求較高,成本是普通液壓式金具的4～6倍。

圖2 單芯棒碳纖維復合芯導線楔形金具

2)多股結構如何提高其握力。由于多股結構的碳纖維導線每股之間有間隙,楔形結構的耐張線夾與集束芯棒的接觸面積要小于單芯棒結構,摩擦阻力小。

3)要確保光纖的完整與引出。既要防止徑向壓力過大造成光纖損壞,又要考慮徑向壓力過小造成金具與導線的滑脫,還要考慮光纖的引出便于進行后期的檢驗。

光纖多股集束型碳纖維復合芯導線的配套金具耐張線夾的結構如圖3所示,該金具采用液壓式結構設計,與傳統的單芯棒碳纖維復合芯導線相比,該金具具有3個突出特點。一是鋼錨中心有光纖通道,環長不小于200 mm(主要考慮光纖的引出),而一般鋼錨長度為50～80 mm 的實心結構。同時由于多股集束芯棒碳纖維成分占比高,芯棒的強度高達3 000 MPa,因此鋼錨要滿足導線的較高強度要求;二是芯棒襯管采用多空結構設計,因為多股集束碳纖維芯棒由多層組成,層與層之間,每層芯棒之間的摩擦力較小,當徑向擠壓力較小時會產生滑脫,較大時會損壞芯棒以及芯棒內植入的光纖,因此采用多空設計可以保證每根單芯棒均勻接觸受壓,以便獲得最大的握力并保護光纖結構;三是耐張線夾各結構部件間,間隙設計要兼顧單芯棒直徑小側向耐壓低的特點。

圖3 光纖集束導線耐張夾結構

1.2 握力計算

光纖集束型碳纖維復合芯導線液壓式耐張線夾的握力主要由鋁管和壓接鋼管提供,設計需要先算出鋁管和壓接鋼管的截面積,再乘以相關材料的強度。以光纖集束型碳纖維復合芯導線耐張線夾NY-JLRX/PF2B-400/50為例,導線的計算拉斷力為149.8 k N。影響耐張線夾整體握力的主要因素是主體鋁管和鋼錨尺寸。其中鋁管主要承受導線中導體部分強度,鋼錨承受導線中集束芯棒的強度,在鋼錨中壓接鋼管部分的尺寸是最薄弱的環節。其握力按以下公式計算

式中:P為握力;k為強度損失系數;σ為材料的強度;D1為管的外徑;D2為管的內徑。

鋁管的握力:鋁管材質為1 050 A,強度100 MPa,強度損失系數0.95,主體鋁管外徑65 mm,內徑44 mm,額定拉斷力為171 k N;遠遠大于400/50導線導體拉力23 k N。壓接鋼管的握力:鋼管材質Q235,強度375 MPa,強度損失系數0.95,鋼管外徑28 mm,內徑17 mm,額定拉斷力為138 k N,大于芯棒拉力126.8 k N。通過以上計算得知,耐張線夾的綜合握力為313.7 k N,設計握力是導線拉斷力的2倍。

2 性能試驗分析

針對光纖多股集束型碳纖維復合芯導線的結構,研制的耐張線夾如圖4所示,以400/50導線為例,配套耐張線夾型號為NY-JLRX/PF2B-400/50,單芯的直徑為3 mm,采用7根進行平行集束,集束芯棒的截面積為49.5 mm2標稱為50 mm2,依據GB/T 2315-2008《電力金具標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》,對耐張金具進行拉力試驗.分析并確定最終金具的尺寸和其他參數。

圖4 光纖集束導線耐張夾

2.1 壓接長度的影響

耐張主體鋁管和壓接鋼管的長度對耐張金具的影響見表1,從表中可以看出:耐張主體鋁管的長度,對于光纖多股集束碳纖維導線JLRY/F2B-400/50的握力影響不顯著,但對光纖的完好影響較大,長度較短時,會造成芯棒內光纖的損傷;而壓接鋼管的長度,對握力的大小、穩定性、光纖的完好影響顯著,因此,要確保主體鋁管和壓接鋼管有足夠的長度。

結構部位總長度/mm___/kN測試結果導通光纖數/根_拉力主體鋁管 640 143.9 芯棒滑移后爆斷,鋁股起鼓1主體鋁管 670 146.8 芯棒有錯位斷裂,鋁股起鼓6主體鋁管 690 148 芯棒有錯位斷裂,鋁股起鼓6主體鋁管 710 149.8 芯棒未滑斷裂,鋁股起鼓7壓接鋼管 150 89芯棒大幅滑移,試驗結束0壓接鋼管 180 110.8 芯棒微量滑移,拉斷3壓接鋼管 180 123 芯棒未滑移,拉斷6壓接鋼管__200____128___芯棒______________________________未滑移,拉斷7

2.2 壓力的影響

安裝時主體鋁管的液壓壓力對耐張金具的影響見表2,其中主體鋁管外徑為65 mm,液壓模具為L65,從表中可以看出:主體鋁管的液壓壓力只對導線的鋁股產生影響,從而影響耐張線夾握力,對內植入光纖幾乎無影響。

結構部位 壓力________________________/MPa/k N______________________________________________________測試結果導通光纖數/根拉力主體鋁管 60 124鋁股較大滑移,鋁股起鼓,試驗停止7主體鋁管 75 136 鋁股略滑移,斷裂7主體鋁管___80____148___鋁_________________________________股未滑移,斷裂7

2.3 鋁管尺寸的影響

主體鋁管和鋁襯管的內外徑對耐張金具的影響見表3,從表中可以看出:主體鋁管和鋁襯管的內徑、外徑的規格尺寸及搭配對耐張金具握力和芯棒內光纖的完好性均有影響,尤其是對光纖的通光特性,影響非常大。

結構部位___主體內外徑/mm____鋁襯管內外徑/mm___/k N測試結果導通光纖數/根_拉力鋁管43/64 27/42 128鋁股大幅滑移,試驗終止6鋁管44/64 27/42 138 鋁股滑移,試驗終止7鋁管43/65 27/42 145 導線拉斷,試驗終止0鋁管44/65 27.5/42 147.8 導線拉斷,試驗終止2鋁管__44.5/65___27.5/42 150.2__導線拉斷,試_______________驗終止7

2.4 鋼管尺寸的影響

耐張金具的壓接鋼管的內外徑和多孔鋁襯管的外徑對耐張金具的影響見表4,從表中可以看出:壓接鋼管內外徑對芯棒的握持狀態、拉力、光纖通光的影響非常大。這是因為導線芯棒是架空導線的主要承力部分,金具對芯棒的握持直接影響到導線的拉力,同時規格尺寸搭配不好會直接影響到光纖的完整性。

結構部位壓接鋼管內外徑_______/mm多孔鋁襯管外徑/mm______________________________________拉力/k N測試結果導通光纖數/根鋼管 18/27 16 68芯棒大幅滑移,試驗終止6鋼管 17.5/27 16 110芯棒滑移,試驗終止7鋼管 16/27 16 93芯棒過壓斷裂,試驗終止0鋼管16.8/27.5 15.6 122芯棒略滑,試驗終止6鋼管__17/27.5____15.6___126.7__芯________________________棒拉斷,試驗終止7

2.5 鋼管液壓搭接長度的影響

在耐張金具的鋼管部位,鋼管液壓搭接長度對耐張金具的影響見表5。因為搭接長度與鋼管的變形延展長度有關,與芯棒的變形有關,隨著液壓搭接模長的增大,拉力逐漸增大,通光纖的數量逐漸增多。說明耐張金具鋼管部位的搭接要保證一定的長度。

結構部位__搭接模長___/k N測試結果導通光纖數/根___拉力鋼管0 96芯棒斷裂管口內,試驗終止0鋼管 1/4 124芯棒拉斷,試驗終止6鋼管 1/3 126芯棒斷裂,試驗終止6鋼管__1/2___128___芯棒拉______________________________斷,試驗終止7

通過以上試驗可以發現,光纖多股集束型碳纖維復合芯導線耐張線夾主體鋁管的長度應不低于710 mm,壓接鋼管的長度不低于200 mm,主體鋁管的液壓壓力不低于80 MPa,鋼管液壓搭接長度不低于1/2。同時,主體鋁管的內外徑分別為44.5 mm 和65 mm;鋁襯管的內外徑分別為27.5 mm 和17 mm;壓接鋼管的內外徑分別為17 mm 和27.5 mm;多孔鋁襯管的外徑為15.6 mm。在此情況下耐張線夾具有較高的握力,并保持光纖的完整性。主體鋁管和壓接鋼管的長度過長,會造成耐張線夾重量大,成本高,不便于安裝和操作。

3 結論

光纖集束型碳纖維復合芯導線具有彎曲性能高,并可有效檢測導線芯棒內隱蔽缺陷的特點,是目前單芯棒碳纖維復合芯導線的迭代產品,其未來的應用十分廣闊。為確保導線的有效連接,充分發揮導線的性能優勢,本文以400/50 導線為例,采用液壓式壓接方法開發了配套金具耐張線夾。該金具的鋼錨留有光纖通道,芯棒襯管采用多孔結構設計,受力均勻,具有握力大,又可兼顧光纖保護的突出優勢。壓接長度、液壓壓力、結構尺寸和搭接長度對耐張金具的握力和光纖光傳輸性能有重要影響,通過優化耐張線夾的結構參數可使其與導線連接具有較高的握力,且保證芯棒內植光纖的完整性,這為推進光纖集束型碳纖維復合芯導線的掛網應用推廣奠定了基礎。

與傳統的單芯棒碳纖維復合材料芯楔形耐張線夾相比,該金具具有價格低、工藝簡單、操作簡便的優勢,可大幅降低碳纖維復合芯導線線路的綜合建設成本,具有廣闊的應用前景。同時,解決了后續光纖多股集束型碳纖維復合芯導線架線應用的技術難題,為未來實現光纖多股集束型碳纖維復合芯導線在線監測能力和故障定位能力提供技術支撐,可進一步提升輸電線路風險防控水平和可靠性,為提升示范,加快構建新型電力系統提供技術支持。