光纤多股集束型碳纤维复合芯导线耐张线夹的研制

王怡欣,贾伯岩,庞先海,伊晓宇,刘 杰

(1.国网河北能源技术服务有限公司,河北 石家庄 050021;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

碳纤维复合芯导线(Aluminium Conductor Composite Core,ACCC)导线具有强度大、质量轻、耐腐蚀、耐高温、弧垂小等一系列优异的性能,被称为节能倍容导线,是输电线路的重大创新发展[1-5]。经过近二十年的发展,该导线在全球应用50多个国家近千条线路,累计挂网15万km。耐张线夹是一种将导线连接在输电线路铁塔耐张绝缘子串上的金具,除了承受导线全部拉力外,还作为导电体传导电流,是输电线路中的关键部件。近年来,为了充分发挥碳纤维复合芯导线独特的性能优势,多种不同结构的碳纤维复合芯棒相继被开发,因此碳纤维复合芯导线耐张线夹的研究成为该领域研究的热点之一[6-12]。

光纤多股集束型碳纤维复合芯导线是一种新型结构的碳纤维复合芯导线。该导线芯棒采用多芯棒碳纤维复合芯集束结构,具有较高的弯曲性能。同时在单芯棒中植入了光纤,可利用光纤作为传感器检测碳纤维复合芯中的隐蔽缺陷,还可获得导线温度、覆冰和舞动等对信号图谱的影响。配套耐张线夹握力过大会造成碳纤维复合材料产生裂纹,不仅不能有效发挥该导线力学性能强的优势,还会造成芯棒内植光纤损坏,影响缺陷的检测。耐张线夹握力过小又会造成耐张线夹与导线之间的滑脱,因此光纤多股集束型碳纤维复合芯导线耐张线夹的研制对于该导线的可靠性提升,其示范意义重大。

1 结构设计与握力计算

1.1 结构设计

传统的碳纤维复合芯导线为单芯棒结构,见图1(a),其中芯棒的芯层为碳纤维层,外层为玻璃纤维层。光纤多股集束型碳纤维复合芯导线图1(b)为多芯棒结构,其中芯棒由7根植入光纤的细碳纤维复合芯棒通过平行集束、芳纶编织、玻纤缠绕和铝膜包覆的方式制成。

考虑到光纤集束型碳纤维导线的特殊结构,其配套金具耐张线夹的设计理念主要考虑到以下因素。

1)成本因素。单芯棒碳纤维复合芯导线配套金具耐张线夹如图2所示,是根据碳纤维复合芯导线结构特性而设计的,采用楔型自锁原理。该耐张线夹的握力与楔外套和楔形内套之间摩擦系数、开口间隙和锥度及碳纤维复合芯的摩擦系数密切相关,因此对加工的要求较高,成本是普通液压式金具的4～6倍。

图2 单芯棒碳纤维复合芯导线楔形金具

2)多股结构如何提高其握力。由于多股结构的碳纤维导线每股之间有间隙,楔形结构的耐张线夹与集束芯棒的接触面积要小于单芯棒结构,摩擦阻力小。

3)要确保光纤的完整与引出。既要防止径向压力过大造成光纤损坏,又要考虑径向压力过小造成金具与导线的滑脱,还要考虑光纤的引出便于进行后期的检验。

光纤多股集束型碳纤维复合芯导线的配套金具耐张线夹的结构如图3所示,该金具采用液压式结构设计,与传统的单芯棒碳纤维复合芯导线相比,该金具具有3个突出特点。一是钢锚中心有光纤通道,环长不小于200 mm(主要考虑光纤的引出),而一般钢锚长度为50～80 mm 的实心结构。同时由于多股集束芯棒碳纤维成分占比高,芯棒的强度高达3 000 MPa,因此钢锚要满足导线的较高强度要求;二是芯棒衬管采用多空结构设计,因为多股集束碳纤维芯棒由多层组成,层与层之间,每层芯棒之间的摩擦力较小,当径向挤压力较小时会产生滑脱,较大时会损坏芯棒以及芯棒内植入的光纤,因此采用多空设计可以保证每根单芯棒均匀接触受压,以便获得最大的握力并保护光纤结构;三是耐张线夹各结构部件间,间隙设计要兼顾单芯棒直径小侧向耐压低的特点。

图3 光纤集束导线耐张夹结构

1.2 握力计算

光纤集束型碳纤维复合芯导线液压式耐张线夹的握力主要由铝管和压接钢管提供,设计需要先算出铝管和压接钢管的截面积,再乘以相关材料的强度。以光纤集束型碳纤维复合芯导线耐张线夹NY-JLRX/PF2B-400/50为例,导线的计算拉断力为149.8 k N。影响耐张线夹整体握力的主要因素是主体铝管和钢锚尺寸。其中铝管主要承受导线中导体部分强度,钢锚承受导线中集束芯棒的强度,在钢锚中压接钢管部分的尺寸是最薄弱的环节。其握力按以下公式计算

式中:P为握力;k为强度损失系数;σ为材料的强度;D1为管的外径;D2为管的内径。

铝管的握力:铝管材质为1 050 A,强度100 MPa,强度损失系数0.95,主体铝管外径65 mm,内径44 mm,额定拉断力为171 k N;远远大于400/50导线导体拉力23 k N。压接钢管的握力:钢管材质Q235,强度375 MPa,强度损失系数0.95,钢管外径28 mm,内径17 mm,额定拉断力为138 k N,大于芯棒拉力126.8 k N。通过以上计算得知,耐张线夹的综合握力为313.7 k N,设计握力是导线拉断力的2倍。

2 性能试验分析

针对光纤多股集束型碳纤维复合芯导线的结构,研制的耐张线夹如图4所示,以400/50导线为例,配套耐张线夹型号为NY-JLRX/PF2B-400/50,单芯的直径为3 mm,采用7根进行平行集束,集束芯棒的截面积为49.5 mm2标称为50 mm2,依据GB/T 2315-2008《电力金具标称破坏载荷系列及连接型式尺寸》,对耐张金具进行拉力试验.分析并确定最终金具的尺寸和其他参数。

图4 光纤集束导线耐张夹

2.1 压接长度的影响

耐张主体铝管和压接钢管的长度对耐张金具的影响见表1,从表中可以看出:耐张主体铝管的长度,对于光纤多股集束碳纤维导线JLRY/F2B-400/50的握力影响不显著,但对光纤的完好影响较大,长度较短时,会造成芯棒内光纤的损伤;而压接钢管的长度,对握力的大小、稳定性、光纤的完好影响显著,因此,要确保主体铝管和压接钢管有足够的长度。

结构部位总长度/mm___/kN测试结果导通光纤数/根_拉力主体铝管 640 143.9 芯棒滑移后爆断,铝股起鼓1主体铝管 670 146.8 芯棒有错位断裂,铝股起鼓6主体铝管 690 148 芯棒有错位断裂,铝股起鼓6主体铝管 710 149.8 芯棒未滑断裂,铝股起鼓7压接钢管 150 89芯棒大幅滑移,试验结束0压接钢管 180 110.8 芯棒微量滑移,拉断3压接钢管 180 123 芯棒未滑移,拉断6压接钢管__200____128___芯棒______________________________未滑移,拉断7

2.2 压力的影响

安装时主体铝管的液压压力对耐张金具的影响见表2,其中主体铝管外径为65 mm,液压模具为L65,从表中可以看出:主体铝管的液压压力只对导线的铝股产生影响,从而影响耐张线夹握力,对内植入光纤几乎无影响。

结构部位 压力________________________/MPa/k N______________________________________________________测试结果导通光纤数/根拉力主体铝管 60 124铝股较大滑移,铝股起鼓,试验停止7主体铝管 75 136 铝股略滑移,断裂7主体铝管___80____148___铝_________________________________股未滑移,断裂7

2.3 铝管尺寸的影响

主体铝管和铝衬管的内外径对耐张金具的影响见表3,从表中可以看出:主体铝管和铝衬管的内径、外径的规格尺寸及搭配对耐张金具握力和芯棒内光纤的完好性均有影响,尤其是对光纤的通光特性,影响非常大。

结构部位___主体内外径/mm____铝衬管内外径/mm___/k N测试结果导通光纤数/根_拉力铝管43/64 27/42 128铝股大幅滑移,试验终止6铝管44/64 27/42 138 铝股滑移,试验终止7铝管43/65 27/42 145 导线拉断,试验终止0铝管44/65 27.5/42 147.8 导线拉断,试验终止2铝管__44.5/65___27.5/42 150.2__导线拉断,试_______________验终止7

2.4 钢管尺寸的影响

耐张金具的压接钢管的内外径和多孔铝衬管的外径对耐张金具的影响见表4,从表中可以看出:压接钢管内外径对芯棒的握持状态、拉力、光纤通光的影响非常大。这是因为导线芯棒是架空导线的主要承力部分,金具对芯棒的握持直接影响到导线的拉力,同时规格尺寸搭配不好会直接影响到光纤的完整性。

结构部位压接钢管内外径_______/mm多孔铝衬管外径/mm______________________________________拉力/k N测试结果导通光纤数/根钢管 18/27 16 68芯棒大幅滑移,试验终止6钢管 17.5/27 16 110芯棒滑移,试验终止7钢管 16/27 16 93芯棒过压断裂,试验终止0钢管16.8/27.5 15.6 122芯棒略滑,试验终止6钢管__17/27.5____15.6___126.7__芯________________________棒拉断,试验终止7

2.5 钢管液压搭接长度的影响

在耐张金具的钢管部位,钢管液压搭接长度对耐张金具的影响见表5。因为搭接长度与钢管的变形延展长度有关,与芯棒的变形有关,随着液压搭接模长的增大,拉力逐渐增大,通光纤的数量逐渐增多。说明耐张金具钢管部位的搭接要保证一定的长度。

结构部位__搭接模长___/k N测试结果导通光纤数/根___拉力钢管0 96芯棒断裂管口内,试验终止0钢管 1/4 124芯棒拉断,试验终止6钢管 1/3 126芯棒断裂,试验终止6钢管__1/2___128___芯棒拉______________________________断,试验终止7

通过以上试验可以发现,光纤多股集束型碳纤维复合芯导线耐张线夹主体铝管的长度应不低于710 mm,压接钢管的长度不低于200 mm,主体铝管的液压压力不低于80 MPa,钢管液压搭接长度不低于1/2。同时,主体铝管的内外径分别为44.5 mm 和65 mm;铝衬管的内外径分别为27.5 mm 和17 mm;压接钢管的内外径分别为17 mm 和27.5 mm;多孔铝衬管的外径为15.6 mm。在此情况下耐张线夹具有较高的握力,并保持光纤的完整性。主体铝管和压接钢管的长度过长,会造成耐张线夹重量大,成本高,不便于安装和操作。

3 结论

光纤集束型碳纤维复合芯导线具有弯曲性能高,并可有效检测导线芯棒内隐蔽缺陷的特点,是目前单芯棒碳纤维复合芯导线的迭代产品,其未来的应用十分广阔。为确保导线的有效连接,充分发挥导线的性能优势,本文以400/50 导线为例,采用液压式压接方法开发了配套金具耐张线夹。该金具的钢锚留有光纤通道,芯棒衬管采用多孔结构设计,受力均匀,具有握力大,又可兼顾光纤保护的突出优势。压接长度、液压压力、结构尺寸和搭接长度对耐张金具的握力和光纤光传输性能有重要影响,通过优化耐张线夹的结构参数可使其与导线连接具有较高的握力,且保证芯棒内植光纤的完整性,这为推进光纤集束型碳纤维复合芯导线的挂网应用推广奠定了基础。

与传统的单芯棒碳纤维复合材料芯楔形耐张线夹相比,该金具具有价格低、工艺简单、操作简便的优势,可大幅降低碳纤维复合芯导线线路的综合建设成本,具有广阔的应用前景。同时,解决了后续光纤多股集束型碳纤维复合芯导线架线应用的技术难题,为未来实现光纤多股集束型碳纤维复合芯导线在线监测能力和故障定位能力提供技术支撑,可进一步提升输电线路风险防控水平和可靠性,为提升示范,加快构建新型电力系统提供技术支持。