光纖多股集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線耐張線夾的研制

王怡欣,賈伯巖,龐先海,伊?xí)杂?劉 杰

(1.國網(wǎng)河北能源技術(shù)服務(wù)有限公司,河北 石家莊 050021;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(Aluminium Conductor Composite Core,ACCC)導(dǎo)線具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐高溫、弧垂小等一系列優(yōu)異的性能,被稱為節(jié)能倍容導(dǎo)線,是輸電線路的重大創(chuàng)新發(fā)展[1-5]。經(jīng)過近二十年的發(fā)展,該導(dǎo)線在全球應(yīng)用50多個國家近千條線路,累計掛網(wǎng)15萬km。耐張線夾是一種將導(dǎo)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(dǎo)線全部拉力外,還作為導(dǎo)電體傳導(dǎo)電流,是輸電線路中的關(guān)鍵部件。近年來,為了充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線獨(dú)特的性能優(yōu)勢,多種不同結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合芯棒相繼被開發(fā),因此碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線耐張線夾的研究成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[6-12]。

光纖多股集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是一種新型結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。該導(dǎo)線芯棒采用多芯棒碳纖維復(fù)合芯集束結(jié)構(gòu),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(fù)合芯中的隱蔽缺陷,還可獲得導(dǎo)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(fù)合材料產(chǎn)生裂紋,不僅不能有效發(fā)揮該導(dǎo)線力學(xué)性能強(qiáng)的優(yōu)勢,還會造成芯棒內(nèi)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(dǎo)線之間的滑脫,因此光纖多股集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線耐張線夾的研制對于該導(dǎo)線的可靠性提升,其示范意義重大。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與握力計算

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線為單芯棒結(jié)構(gòu),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(fù)合芯導(dǎo)線圖1(b)為多芯棒結(jié)構(gòu),其中芯棒由7根植入光纖的細(xì)碳纖維復(fù)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(dǎo)線的特殊結(jié)構(gòu),其配套金具耐張線夾的設(shè)計理念主要考慮到以下因素。

1)成本因素。單芯棒碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具耐張線夾如圖2所示,是根據(jù)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)特性而設(shè)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(nèi)套之間摩擦系數(shù)、開口間隙和錐度及碳纖維復(fù)合芯的摩擦系數(shù)密切相關(guān),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(fù)合芯導(dǎo)線楔形金具

2)多股結(jié)構(gòu)如何提高其握力。由于多股結(jié)構(gòu)的碳纖維導(dǎo)線每股之間有間隙,楔形結(jié)構(gòu)的耐張線夾與集束芯棒的接觸面積要小于單芯棒結(jié)構(gòu),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(dǎo)線的滑脫,還要考慮光纖的引出便于進(jìn)行后期的檢驗。

光纖多股集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的配套金具耐張線夾的結(jié)構(gòu)如圖3所示,該金具采用液壓式結(jié)構(gòu)設(shè)計,與傳統(tǒng)的單芯棒碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線相比,該金具具有3個突出特點(diǎn)。一是鋼錨中心有光纖通道,環(huán)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(jié)構(gòu)。同時由于多股集束芯棒碳纖維成分占比高,芯棒的強(qiáng)度高達(dá)3 000 MPa,因此鋼錨要滿足導(dǎo)線的較高強(qiáng)度要求;二是芯棒襯管采用多空結(jié)構(gòu)設(shè)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(dāng)徑向擠壓力較小時會產(chǎn)生滑脫,較大時會損壞芯棒以及芯棒內(nèi)植入的光纖,因此采用多空設(shè)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(hù)光纖結(jié)構(gòu);三是耐張線夾各結(jié)構(gòu)部件間,間隙設(shè)計要兼顧單芯棒直徑小側(cè)向耐壓低的特點(diǎn)。

圖3 光纖集束導(dǎo)線耐張夾結(jié)構(gòu)

1.2 握力計算

光纖集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線液壓式耐張線夾的握力主要由鋁管和壓接鋼管提供,設(shè)計需要先算出鋁管和壓接鋼管的截面積,再乘以相關(guān)材料的強(qiáng)度。以光纖集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線耐張線夾NY-JLRX/PF2B-400/50為例,導(dǎo)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(dǎo)線中導(dǎo)體部分強(qiáng)度,鋼錨承受導(dǎo)線中集束芯棒的強(qiáng)度,在鋼錨中壓接鋼管部分的尺寸是最薄弱的環(huán)節(jié)。其握力按以下公式計算

式中:P為握力;k為強(qiáng)度損失系數(shù);σ為材料的強(qiáng)度;D1為管的外徑;D2為管的內(nèi)徑。

鋁管的握力:鋁管材質(zhì)為1 050 A,強(qiáng)度100 MPa,強(qiáng)度損失系數(shù)0.95,主體鋁管外徑65 mm,內(nèi)徑44 mm,額定拉斷力為171 k N;遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于400/50導(dǎo)線導(dǎo)體拉力23 k N。壓接鋼管的握力:鋼管材質(zhì)Q235,強(qiáng)度375 MPa,強(qiáng)度損失系數(shù)0.95,鋼管外徑28 mm,內(nèi)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(shè)計握力是導(dǎo)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(fù)合芯導(dǎo)線的結(jié)構(gòu),研制的耐張線夾如圖4所示,以400/50導(dǎo)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(jìn)行平行集束,集束芯棒的截面積為49.5 mm2標(biāo)稱為50 mm2,依據(jù)GB/T 2315-2008《電力金具標(biāo)稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》,對耐張金具進(jìn)行拉力試驗.分析并確定最終金具的尺寸和其他參數(shù)。

圖4 光纖集束導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)光纖的損傷;而壓接鋼管的長度,對握力的大小、穩(wěn)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(jié)構(gòu)部位總長度/mm___/kN測試結(jié)果導(dǎo)通光纖數(shù)/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(jié)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(dǎo)線的鋁股產(chǎn)生影響,從而影響耐張線夾握力,對內(nèi)植入光纖幾乎無影響。

結(jié)構(gòu)部位 壓力________________________/MPa/k N______________________________________________________測試結(jié)果導(dǎo)通光纖數(shù)/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(nèi)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(nèi)徑、外徑的規(guī)格尺寸及搭配對耐張金具握力和芯棒內(nèi)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(jié)構(gòu)部位___主體內(nèi)外徑/mm____鋁襯管內(nèi)外徑/mm___/k N測試結(jié)果導(dǎo)通光纖數(shù)/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(dǎo)線拉斷,試驗終止0鋁管44/65 27.5/42 147.8 導(dǎo)線拉斷,試驗終止2鋁管__44.5/65___27.5/42 150.2__導(dǎo)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(nèi)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(nèi)外徑對芯棒的握持狀態(tài)、拉力、光纖通光的影響非常大。這是因為導(dǎo)線芯棒是架空導(dǎo)線的主要承力部分,金具對芯棒的握持直接影響到導(dǎo)線的拉力,同時規(guī)格尺寸搭配不好會直接影響到光纖的完整性。

結(jié)構(gòu)部位壓接鋼管內(nèi)外徑_______/mm多孔鋁襯管外徑/mm______________________________________拉力/k N測試結(jié)果導(dǎo)通光纖數(shù)/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(guān),與芯棒的變形有關(guān),隨著液壓搭接模長的增大,拉力逐漸增大,通光纖的數(shù)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(jié)構(gòu)部位__搭接模長___/k N測試結(jié)果導(dǎo)通光纖數(shù)/根___拉力鋼管0 96芯棒斷裂管口內(nèi),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(fā)現(xiàn),光纖多股集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線耐張線夾主體鋁管的長度應(yīng)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(nèi)外徑分別為44.5 mm 和65 mm;鋁襯管的內(nèi)外徑分別為27.5 mm 和17 mm;壓接鋼管的內(nèi)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(jié)論

光纖集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有彎曲性能高,并可有效檢測導(dǎo)線芯棒內(nèi)隱蔽缺陷的特點(diǎn),是目前單芯棒碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的迭代產(chǎn)品,其未來的應(yīng)用十分廣闊。為確保導(dǎo)線的有效連接,充分發(fā)揮導(dǎo)線的性能優(yōu)勢,本文以400/50 導(dǎo)線為例,采用液壓式壓接方法開發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計,受力均勻,具有握力大,又可兼顧光纖保護(hù)的突出優(yōu)勢。壓接長度、液壓壓力、結(jié)構(gòu)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(yōu)化耐張線夾的結(jié)構(gòu)參數(shù)可使其與導(dǎo)線連接具有較高的握力,且保證芯棒內(nèi)植光纖的完整性,這為推進(jìn)光纖集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的掛網(wǎng)應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)的單芯棒碳纖維復(fù)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(yōu)勢,可大幅降低碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線線路的綜合建設(shè)成本,具有廣闊的應(yīng)用前景。同時,解決了后續(xù)光纖多股集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線架線應(yīng)用的技術(shù)難題,為未來實現(xiàn)光纖多股集束型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在線監(jiān)測能力和故障定位能力提供技術(shù)支撐,可進(jìn)一步提升輸電線路風(fēng)險防控水平和可靠性,為提升示范,加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供技術(shù)支持。