基于真型試驗線路的碳纖維導線舞動特性研究

艾文君 張博 宋高麗 劉澤輝

摘 要：碳纖維導線作為一種新型架空輸電導線，因其優越的性能，已在電網中大范圍推廣應用，但在舞動區應用的情況尚未可知。為了研究碳纖維導線的舞動特性，本文以型號為500k JLRX/FIB-400/50的碳纖維導線為樣本，于舞動區的真型試驗線路進行了為期18個月的掛網試驗研究。試驗期間，通過在線監測系統得到導線實時舞動張力數據，并據此對碳纖維導線的舞動形態特征和張力特征進行分析。

關鍵詞：碳纖維導線；真型試驗線路；舞動形態特征；張力特征

中圖分類號：TM752 文獻標識碼：A 文章編號：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，由于氣象復雜多變，輸電線路舞動頻繁發生，對電網造成了重大損害。我國地貌豐富多樣，是世界上舞動災害最頻發、舞動區域最廣大的國家之一[1]。由于碳纖維導線在配電線路增容改造工程中的大量使用及其制造成本持續降低，在新建線路和高電壓等級線路中被大量推廣應用，且得到廣泛認可[2，3]。這意味著未來將會出現大量穿越舞動高發區的碳纖維導線線路。美國最早從2004年開始在德克薩斯州230kV的輸電線路上安裝碳纖維導線，我國于2006年在福建省、遼寧省的220kV線路增容改造中使用這種導線，隨后在其他省份推廣應用[4]。但目前，國內外尚沒有關于碳纖維導線在舞動區應用的跟蹤報道，對碳纖維導線舞動形態特征及張力特征的研究也較少[5，6]。

因此，在新建線路和高電壓等級線路中大規模推廣碳纖維導線之前，有必要開展碳纖維導線在舞動區的應用研究，重點關注碳纖維導線的舞動特性。

本文通過碳纖維導線在真型線路中的掛網研究，監測碳纖維導線在特定氣象條件下的舞動數據，如導線舞動幅值、動張力等，并據此分析碳纖維導線的舞動形態特征和動張力特征。

1 碳纖維導線的特點

碳纖維導線全稱為碳纖維有機復合材料加強芯軟鋁絞線（Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal Wire，ACCC/TW），是一種全新概念的架空輸電線路用導線。其具有強度高、線損低、導電率高、弧垂小、允許工作溫度高、載流量大、重量輕、耐腐蝕、使用壽命長和投資比高等特點。

與具有相同直徑的普通鋼芯鋁絞線相比，碳纖維導線的結構較復雜，內部芯棒為碳纖維樹脂復合材料包覆一層玻璃纖維樹脂復合材料制成，外部兩層為一系列呈梯形截面的軟鋁線絞合而成，如圖1所示。在性能上，碳纖維導線芯線抗拉強度是普通導線的2倍，彈性模量是普通導線的1/2，綜合拉斷力是普通導線的1.3倍。

2 真型試線路掛網方案

2.1 導線參數

本文選用國內典型碳纖維復合芯導線廠家生產的碳纖維導線作為樣本，以三相四分裂的形式懸掛于實驗室真型輸電線路的3#塔—6#塔之間。試驗參數如表1所示。

2.2 導線布置

真型試驗線路#3—#6段為緊湊型試驗線路段，可懸掛四分裂導線和六分裂導線，線路三相呈倒三角布置（見圖2）。由#3—#6面向大號側分左右，各相導線由右至左（由南向北）依次命名為A相（南相）、B相（中相）和C相（北相）。試驗檔距如表2所示，桿塔類型參數如表3所示。

2.3 金具使用情況

為了模擬真實線路舞動情況，此次研究中線路金具完全按照線路設計標準進行。使用到的金具主要有以下4種。①耐張線夾，用于固定導線，以承受導線張力，并將導線掛至耐張串組或桿塔上的金具。②懸垂線夾，用于將導線固定在直線桿塔的絕緣子串上，廣泛使用的主要有2種類型，即預絞式線夾和老式船型線夾。此次研究用到的是預絞式懸垂線夾。③防振錘，用來減少導線因風力作用產生的震動。④四分裂子間隔棒，用于分裂導線中限制子導線之間的相對運動及在正常運行情況下保持分裂導線的幾何形狀。常見的類型有4種：預絞絲固定Ⅰ型、預絞絲固定Ⅱ型、常規Ⅰ型、常規Ⅱ型。此次研究中用到的是固定方式較為牢固的預絞絲式四分裂子間隔棒。

3 舞動數據分析

3.1 導線舞動形態特征

本次試驗中三相導線由于掛點位置的差異，其舞動特征并不完全相同，具體舞動特征如表4所示。其中，中相導線在#4—#6塔之間舞動幅值與其他兩相不同；三相導線的舞動頻率整體分布相似，只是細節上略微存在差別。導線雙半波模態如圖3所示。典型的頻譜分析結果如圖4所示。

<3.2 舞動導線張力特征

通過試驗發現，導線舞動時會在預緊力的基礎上產出交變載荷，引起動態張力增大。試驗中在線監測設備實時監測了導線舞動的幅值和張力數據，通過對這些數據進行分析可得出以下結論。①時間、風速和幅值三者成正比關系[7]，這與已有研究成果一致。圖5為1次典型的導線舞動動態張力隨風速增加的過程。從圖中可以看出，初期，風速增幅較大；后期處于平穩狀態。風速增大的同時，導線張力幅值也隨之增大，且導線張力幅值曲線與風速曲線形態相似；風速和導線張力幅值曲線增幅呈指數增長。②導線發生舞動時，最大動態張力可以達到靜態覆冰張力的1.3～1.5倍。圖6為試驗中選中的兩個不同舞動時段的導線動態張力值。

4 結論

通過此次碳纖維導線在真型線路的掛網試驗中的分析研究可得出：碳纖維導線在適當的冰風載荷作用下會發生舞動；不同線路參數和冰風條件下導線舞動幅值、張力動態特性不同；線路舞動時間、風速和幅值三者成正比；在試驗期間觀測到的碳纖維導線舞動后的最大幅值超過3m，最大動張力為靜態覆冰張力的1.5倍。

參考文獻：

[1]黃斌，徐姍姍，蘇文宇.輸電線路覆冰研究綜述[J].電瓷避雷器，2012（2）：13-15.

[2]魏晗興，朱波，陳原.新型碳纖維復合芯鋁合金導線的特性研究[J].功能材料，2009（12）：1993-1995.

[3]付晶晶.碳纖維復合芯導線在輸電線路工程中的應用研究[D].保定：華北電力大學，2014.

[4]董國倫，龔堅剛，余虹云，等.碳纖維復合芯軟鋁絞線設計、施工、運行與檢修[M].北京：中國電力出版社。

[5]鞠彥忠，李秋晨，孟亞男.碳纖維復合芯導線與傳統導線的比較研究[J].華東電力，2011（7）：1191-1194.

[6]趙曉鋒.碳纖維復合芯導線在輸電線路重冰區域上的應用[J].中小企業管理與科技，2013（6）：217-219.

[7]朱寬軍，劉超群，任西春.架空輸電線路舞動時導線動態張力分析[J].中國電力，2005（10）：41-44.