不同金具結構對碳纖維導線性能的影響

王東偉，魏 桐

（1.國家電投山東分公司，山東 濟南 250002；2.天津大學機械工程學院，天津 300350）

0 引言

特高壓工程具有輸電容量大、傳輸距離遠和輸送損耗小等特點，可大大提升我國電網的輸送能力［1-3］。為提高特高壓工程輸送容量，其輸電線路須采用新型輸電導線。劉燕［4］等人對某新型耐熱鋁合金導線的力學特性進行了分析，得到該導線性能優于普通鋁合金導線的結論，并通過數值模擬方法驗證了其安全運行的可能性。王新營［5］等人分析了含有碳纖維的增強復合材料導線芯棒的力學、熱老化和熱膨脹等性能，為復合芯棒的生產提供了參考與基礎。董罡［6］闡述了一種采用鋁包覆結構制造生產的新型碳纖維復合芯導線，并通過多種試驗方法說明了該導線具有較好的機械與電學性能，該碳纖維導線如圖1 所示。

圖1 新型碳纖維復合芯導線

金具作為架空輸電線路中不可缺少的裝置，主要包括耐張線夾、接續金具和防護金具等［7-8］，考察這些裝置對導線性能的影響十分重要。黃學能［9］等人采用包括射線技術在內的多種試驗方法對某耐張線夾的斷裂問題進行研究，認為鋁套管液壓定位不準確是事故發生的主要原因。王習武［10］等人對3 種懸垂線夾的力學性能進行了有限元法分析，指出預絞式懸垂線夾能改善導線的應力梯度，降低最大應力。谷俊秀［11］分析了碳纖維導線配套特殊楔形金具的特點以及相關實際應用。劉洪正［12］嘗試采用液壓式新型金具對碳纖維導線進行安裝并通過試驗手段開展驗證，以達到在施工過程中減小對碳纖維芯棒損傷的目標。

針對以上內容提及的新型碳纖維復合芯導線、新型液壓式金具以及傳統楔形金具，基于有限元分析方法［13-14］，應用靜力學計算平臺，對兩種不同連接方式的金具進行數值模擬仿真，并對碳纖維導線在金具作用下的力學性能開展對比分析。

1 模型建立及參數設定

1.1 模型建立

傳統碳纖維導線配套金具的主要結構為楔形夾和楔形夾座，而新型液壓式金具的主要結構為平行壓接管。液壓式金具與楔形金具結構如圖2 所示，對比可知兩者的主要區別是新型液壓式金具不再使用結構復雜、成本較高的楔形連接構件，而是在導線芯棒部分采用液壓壓接方式進行連接［12］。

圖2 液壓式金具與楔形金具結構

根據型號為JLRX1／F2A-800／70 新型碳纖維導線、液壓式NY-800 碳纖維耐張線夾以及楔形JY-400／80 耐張線夾的相關尺寸數據，對結構進行三維物理建模。碳纖維導線的具體參數如表1 所示，兩種耐張線夾的具體參數如表2 所示，模型如圖3 所示。

1.2 參數及邊界條件設定

如圖3 所示，計算模型從內至外依次為碳芯、鋁包覆及金具結構。模型中各材料均假設為連續、均質和各向同性，耐張線夾、鋁包覆材料設置為鋁合金，芯棒材料設定為碳纖維。材料的具體參數如表3所示。

表1 碳纖維導線的結構參數 mm

表2 兩種耐張線夾的結構參數 mm

圖3 兩種耐張線夾的計算模型

表3 模型各部分的材料參數

針對上述基于耐張線夾與導線鋁包覆結構接觸后所建立的計算模型，為了對比不同金具結構對碳纖維導線力學性能的影響，在兩種耐張線夾的外側面均施加80 MPa 的周向壓強。同時，模型兩端的邊界條件設置為固定端約束，即限制模型兩端各方向的位移與旋轉。通過相關設置，液壓式耐張線夾計算模型的節點和單元數量分別為13 774 和2 578，楔形耐張線夾計算模型的節點與單元數量分別為10 626和2 266。基于靜力學計算平臺對各模型開展數值模擬，并對新型碳纖維導線碳芯部分、鋁包覆結構和金具的力學特性進行分析探究。

2 兩種金具對導線力學性能的影響分析

基于上述建立的物理模型和數值計算結果，統計在兩種金具的作用下結構表面應力及變形的數值，如表4 所示。

表4 兩種金具中各結構的力學特性

由表4 的計算結果可知，3 個部件表面上最大應力與最大變形較高值均出自楔形連接方式模型。對比兩種金具作用下的結果發現，壓接方式作用下各部件上的最大應力和變形均小于楔形連接方式。表明在導線物理參數以及所受外力相同的情況下，新型液壓式金具減小了碳纖維導線上的應力，說明液壓式金具的力學性能優于傳統楔形方式。

作為新型碳纖維導線的重要特點，鋁包覆結構的應用一定程度上提高了碳纖維導線的性能，同時也為液壓式金具的使用提供了可能性。選取2 種模型中碳纖維導線鋁包覆結構表面的應力及變形分布進行對比分析，如圖4 和圖5 所示。

圖4 液壓式模型中鋁包覆的應力及總變形分布

從二者的應力分布圖可以看出，在相同外力作用下，采用壓接方式時，鋁包覆表面的最大應力約為38.8 MPa，而楔形結構對鋁包覆產生的最大應力約為104.9 MPa，兩者相差較大，說明液壓壓接方式很大程度上優化了鋁包覆表面的應力。從圖4 和圖5中還可以看出，壓接情況下鋁包覆的應力分布較為均勻，僅存在很小的梯度變化。而楔形金具中鋁包覆表面的應力梯度較大，均勻性較差，存在明顯的應力集中，這增大了碳纖維導線發生斷裂的可能性。

圖5 楔形模型中鋁包覆的應力及總變形分布

對比總變形分布可知，壓接方式的最大變形約為4.3 μm，楔形方式的最大變形約為9.7 μm，說明前者可以有效降低鋁包覆的變形程度。從分布情況上來看，楔形方式鋁包覆中間部分的變形明顯大于兩端，而壓接方式的總變形分布較楔形連接方式的總變形分布更為均勻。綜合考慮兩種模型的力學特性，說明在壓接方式金具的作用下，碳纖維導線中鋁包覆表面的力學性能更為優越，也說明該金具可以更好保護導線的完整性。

進一步對兩種模型中碳纖維導線芯棒的力學性能進行對比分析，碳芯表面的應力與變形分布云圖如圖6 和圖7 所示。

圖6 液壓式模型中碳芯的應力及總變形分布

圖7 楔形模型中碳芯的應力及總變形分布

從應力分布圖中可知，在相同外力作用下，采用壓接方式時，碳棒表面的最大應力約為52.2 MPa，而楔形模型中碳芯的最大應力約為66.1 MPa，前者較后者下降了約21%，說明液壓式金具有效優化了碳纖維導線芯棒表面的應力。從應力分布圖可以看出，前者的應力分布較為均勻，梯度變化不大，少有應力集中現象。而楔形連接方式下碳棒表面的應力分布具有較大的梯度，增加了碳棒自身斷裂的概率，將嚴重影響碳纖維復合芯導線的性能。由總變形云圖可知，壓接方式碳棒的最大變形約2.8 μm，而傳統方式的最大變形約為8.6 μm，后者明顯高于前者，說明楔形金具會使碳棒發生很大的變形。就分布情況而言，壓接方式的總變形較為均勻，楔形金具中碳棒的中間部分變形明顯大于兩端。結合應力的結果，發現在新型液壓式金具的作用下，碳纖維導線芯棒表面的力學性能優于楔形連接方式。

綜合考慮應力與變形的對比分析結果、金具的制造工藝以及施工安裝的難度，可以發現新型液壓式金具不僅能有效降低工程應用中對碳纖維導線的損傷，減小架空導線事故發生的概率，更能降低制造生產成本，進而提高其經濟效益和工作效率。

3 結語

針對某新型碳纖維導線、新型液壓式金具以及傳統楔形金具，通過建立三維計算模型，采用有限元分析方法對其力學性能進行數值計算。液壓壓接方式下各結構應力與變形均小于傳統楔形連接方式，同時新型液壓式金具可以降低碳棒表面的應力集中現象，說明采用壓接方式的金具具有較好的力學性能，可以更好地保證碳纖維導線的完整性。新型液壓式金具采用壓接管替代了傳統碳纖維導線金具較為復雜的楔形結構，降低了在施工過程中發生安全故障的概率，提高了金具安裝的效率，具有一定的實際應用價值。