1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第 4 章 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線機(jī)械性能試驗4.1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線做的試驗及數(shù)據(jù)4.1.1 碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線握力試驗 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與配套的耐張線夾連接成組合體試樣共 3組,且耐張線夾之間導(dǎo)線的長度 L 不小于導(dǎo)線直徑的 100 倍,將試樣安裝在 100t 電液伺服臥式拉力機(jī)上,當(dāng)施加的初張力達(dá)到導(dǎo)線計算拉斷力的 17%-18%時,在耐張線夾出口處的導(dǎo)線上作滑移標(biāo)識, 然后按 GB/T2317.1-2000電力金具機(jī)械試驗方法7.1款的要求進(jìn)行握著力試驗,試驗連接方式如圖 所示，將試樣裝于夾具之上，用100t 拉力試驗機(jī)進(jìn)行拉斷力試驗，當(dāng)做高溫拉力試驗時，可以用

2、升流器對導(dǎo)線進(jìn)行升溫。 （1）常溫握力試驗： 導(dǎo)線與壓接式金具的常溫握力為 169kN，比計算拉斷力高 41%。 （2）高溫握力試驗： 導(dǎo)線與壓接式金具的 120握力為 152kN，比計算拉斷力高 27%；比常溫握力降低 10%(試驗過程：初始張力 5 kN，保持 20min；然后加熱至 120，到120后將導(dǎo)線張力提高至 60 kN；4 小時后對導(dǎo)線進(jìn)行拉斷力試驗)。試驗布置如圖 4-1 所示：圖 4-1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線握力試驗4.1.2 碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線高溫拉力試驗 (1) 高溫拉斷力 鋁合金導(dǎo)線 ACCC/LH-240/35 和軟鋁導(dǎo)線 ACCC/LR-240/35 所用復(fù)合芯的

3、常溫抗張強(qiáng)度為 2800MPa；鋁合金導(dǎo)線 ACCC/LH-300/50 所用復(fù)合芯 150的抗張強(qiáng)度為 2656MPa。因此，該碳纖維復(fù)合芯由常溫(按 30計)升高至 150時，抗張強(qiáng)度下降幅度僅為 5.2%。 一般技術(shù)產(chǎn)品的復(fù)合芯 160抗張強(qiáng)度僅為 1400MPa。按其產(chǎn)品經(jīng)驗數(shù)據(jù)：每升高 1，抗張強(qiáng)度下降 10MPa 計算，復(fù)合芯 150抗張強(qiáng)度約為 1500MPa，30抗張強(qiáng)度約為 2700MPa。因此，國外技術(shù)產(chǎn)品的復(fù)合芯由常溫(按 30計)升高至 150時，抗張強(qiáng)度下降幅度大于 40%。 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的重要優(yōu)勢之一是能夠提高線路輸送能力，而提高輸送能力的關(guān)鍵是允許導(dǎo)線高溫運行

4、，即要求導(dǎo)線在高溫運行時保持較高的機(jī)械強(qiáng)度，因此高溫拉斷力是碳纖維導(dǎo)線的最重要指標(biāo)之一。上述數(shù)據(jù)表明：在關(guān)鍵性的高溫拉斷力指標(biāo)上，該碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線完全滿足掛網(wǎng)運行要求。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線拉斷力試驗如圖 4-3 所示：圖 4-3 ACCC 拉斷力試驗4.1.3 碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線熱膨脹試驗 導(dǎo)線弧垂-溫度特性試驗及線膨脹系數(shù)測試是涉及導(dǎo)線弧垂設(shè)計的主要參數(shù)之一，反映導(dǎo)線弧垂隨溫度變化的特性。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線存在遷移點溫度(溫度拐點)，在遷移點以下，碳纖維導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)與常規(guī)導(dǎo)線相近，其中碳纖維鋁合金絞線 ACCC/LH-300/50 為 12.810-6(1/) ，碳纖維軟鋁絞線ACCC/

5、LR-240/35 為 12.710-6(1/)；在遷移點以上，碳纖維導(dǎo)線的線膨脹系數(shù)大幅度下降，ACCC/LH-300/50 為2.010-6(1/) ， ACCC/LR-240/35 為1.910-6(1/)，確保導(dǎo)線在高溫運行時弧垂基本不再增大。因此，遷移點溫度是碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的關(guān)鍵指標(biāo)之一。 眾所周知，碳纖維絲的線膨脹系數(shù)接近于零，但與樹脂結(jié)合形成復(fù)合芯、再與鋁股結(jié)合形成碳纖維導(dǎo)線后，導(dǎo)線整體的線膨脹系數(shù)由碳纖維絲、樹脂、鋁股共同決定，隨著樹脂、鋁股參數(shù)的變化，導(dǎo)線遷移點溫度也呈現(xiàn)顯著差異。 ( 1 ) 鋁合金股的采用將抬高碳纖維導(dǎo)線的遷移溫度，如碳纖維鋁合金絞線ACCC/LH-30

6、0/50的遷移點溫度約為110決定碳纖維導(dǎo)線遷移點溫度高低的決定因素。本項目研發(fā)的碳纖維軟鋁絞線ACCC/LR-240/35的遷移點溫度為60，而國外技術(shù)產(chǎn)品的碳纖維軟鋁絞線的遷移點溫度約為80。溫度弧垂試驗如圖4-2所示：圖 4-2 ACCC 溫度-弧垂試驗4.1.4 碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線微風(fēng)振動疲勞試驗4.1.4.1 導(dǎo)線微風(fēng)振動疲勞簡介4.1.4.1.1 導(dǎo)線微風(fēng)振動的數(shù)學(xué)描述當(dāng)導(dǎo)線受到穩(wěn)定的橫向風(fēng)作用時，在導(dǎo)線的背風(fēng)面將形成按一定頻率上下交替出現(xiàn)的氣流漩渦，它的依次出現(xiàn)和脫離就會使得導(dǎo)線受到同一頻率的上下交變的沖擊力。該沖擊力的頻率與風(fēng)速 v 和導(dǎo)線的直徑 d 有關(guān)。根據(jù)試驗可按下式

7、計算： (4-1)各點漩渦的脫離導(dǎo)線是隨機(jī)的，故作用在導(dǎo)線上的力，沿著導(dǎo)線長度上的相位也是隨機(jī)的。因此不是一有風(fēng)，導(dǎo)線就有振動。如果導(dǎo)線按一定的頻率振動，且和相近在的范圍內(nèi)，則漩渦的脫離受導(dǎo)線頻率的控制，同時沿導(dǎo)線各點脫離并形成同步，結(jié)果導(dǎo)線的微風(fēng)振動就開始了。這種現(xiàn)象通常稱為“同步效應(yīng)” 振動開始后，如果振動頻率保持在“同步”范圍內(nèi)，作用在導(dǎo)線上的升力就會增加，振幅同時增加，一直到達(dá)飽和振幅為止。導(dǎo)線的微風(fēng)振動通常以駐波的型式表示，可以看成是兩端固定的弦振動問題。故導(dǎo)線的振動頻率可按下式計算： (4-2)微風(fēng)振動的型式有駐波，拍頻波和行波等。其中拍頻波振幅周期性的有最大值變?yōu)榱?，行波僅在發(fā)生

8、的初期看到檔間某點出現(xiàn)間歇性的振動，即振動在檔內(nèi)往返移動。研究微風(fēng)振動通常以簡單的駐波諧振函數(shù)來表述。 (4-3)y 導(dǎo)線任意一點離開平衡位置的位移，mm；A導(dǎo)線振動點波幅的最大振幅，mm；x 自振動節(jié)點到導(dǎo)線上任意一點的距離，m； , f 導(dǎo)線振動的波長和頻率，m,Hz；t 計算時間，s。當(dāng)振幅最大的時候，振動最強(qiáng)，因此，振動最強(qiáng)時候只須： 此時駐波函數(shù)可以簡化為： (4-5)此時可對 y 求導(dǎo)，可得到振動角度與波幅振幅的關(guān)系為： (4-6) 圖 4-5 架空導(dǎo)線的疲勞振動角因此控制波幅振幅，就可以控制振動在所要求的角度內(nèi)。但是導(dǎo)線的疲勞振動試驗發(fā)展到七十年代的時候出現(xiàn)的累積損傷疲勞理論逐漸

9、代替了簡單的振動角度理論。接下來，我們簡單介紹下累積疲勞損傷理論。4.1.4.1.2 導(dǎo)線累積損傷理論 近年來架空輸電線路的微風(fēng)振動一直頗受人們的關(guān)注，由于它是線路事故的主要原因之一，需及時測量并評估線路的振動狀態(tài)，這對于掌握線路的運行狀態(tài)、預(yù)防疲勞斷股事故具有積極作用。此外，對于其進(jìn)行深入的研究就顯得非常必要。架空導(dǎo)線往往能夠承受較大的靜態(tài)力，但在較小的交變應(yīng)力下卻很容易受到破壞。疲勞振動試驗就是模擬架空導(dǎo)線運行中承受的微風(fēng)振動，以考察導(dǎo)線承受這種交變應(yīng)力的能力。 近年來，Miner 累積損傷理論及 Wohler 安全曲線得到越來越多的國際關(guān)注，因為這個比之前的簡單的以振動角來評判導(dǎo)線的受交

10、變應(yīng)力的能力更為精確，更為切合實際。這是因為導(dǎo)線動彎應(yīng)力(應(yīng)變)是判斷振動強(qiáng)度的是最直接的指標(biāo)，而他與導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、鋁股和碳纖維復(fù)合芯的比例，懸點高度以及張力等因素都有關(guān)聯(lián),而振動角的試驗方法不能直接表征導(dǎo)線在線夾出口處的動彎應(yīng)力(應(yīng)變),所以這個試驗方法越來越遭到國際學(xué)術(shù)屆的棄用。鑒于這種情況,國際上普遍采用累積損傷理論,來估算架空導(dǎo)線的疲勞壽命?！袄鄯e損傷”常常用來描述在周期性載荷重復(fù)作用下結(jié)構(gòu)元件的逐步損傷。假設(shè)損傷函數(shù)為 D，其值由 0 增至 1 時，在此期間，結(jié)構(gòu)元件的全部使用壽命將消耗殆盡。D 函數(shù)與金屬受到周期性載荷作用出現(xiàn)應(yīng)變時的內(nèi)部復(fù)雜變化有關(guān)。在經(jīng)過載荷系列作用以后,可

11、根據(jù)函數(shù) D 對結(jié)構(gòu)元件的剩余使用壽命的百分?jǐn)?shù)作出估計。就理論本身及其需要的試驗數(shù)據(jù)而論，對于任何一種累計損傷理論,Miner 假說都是最簡單和最容易被采用的。它屬于所謂“與應(yīng)力級無關(guān)”和“無互相作用”的類型。它認(rèn)為損傷函數(shù) D 是線性的,并可用以下方程表示： 式中循環(huán)比； 作用于運行導(dǎo)線的或在試驗室模擬試驗中對導(dǎo)線施加規(guī)定的應(yīng)力級 下的循環(huán)次數(shù)； 在 S-N 曲線(振動應(yīng)力與振動疲勞次數(shù)關(guān)系曲線)相應(yīng)應(yīng)力下的循環(huán)次數(shù)。按照 Miner 假說,在下列情況下,損傷必然產(chǎn)生“與應(yīng)力級無關(guān)”意味著不管應(yīng)力分量的大小如何,損傷表達(dá)式總是符合規(guī)律的?！盁o互相作用”意味著假定各種應(yīng)力分量作用的順序是無關(guān)緊

12、要的。張緊導(dǎo)線在交變應(yīng)力的作用下與耐振次數(shù)存在著Wohler給出的曲線關(guān)系(見圖),此曲線是很保守的。在無導(dǎo)線疲勞試驗數(shù)據(jù)時,可用它來估算導(dǎo)線的疲勞壽命,但它的保守程度太大。但是用實測導(dǎo)線的疲勞數(shù)據(jù)來估算線路導(dǎo)線的疲勞壽命是合理的,這是因為波幅振幅與線夾出口出導(dǎo)線的應(yīng)變有如下的關(guān)系：其中：線夾出口動彎應(yīng)變（峰-峰值）；d ：導(dǎo)線最外層線股直徑；m ：到按下單位長度質(zhì)量；EI ：導(dǎo)線動彎剛度；：導(dǎo)線波幅振幅（峰-峰值）。 因此可以通過控制波幅振幅來推算線夾出口處導(dǎo)線的應(yīng)變，從而根據(jù)導(dǎo)線的應(yīng)變推算出導(dǎo)線的應(yīng)力，利用 Wohler 安全曲線可得到一個更為合理的安全曲線圖用于導(dǎo)線的防振研究。也正是由于

13、波幅振幅和線夾出口出的導(dǎo)線有這樣的對應(yīng)關(guān)系，所以只需設(shè)定一定的振幅來對導(dǎo)線進(jìn)行激振，就可以提出比 Wohler安全曲線更為適合某種規(guī)格導(dǎo)線的安全曲線。Wohler 利用累計損傷理論及各種導(dǎo)線的疲勞驗結(jié)果，提供了導(dǎo)線表面最大動彎應(yīng)力與振動次數(shù) N 關(guān)系的安全范圍曲線，即 Wohler 安全邊界曲線，其表達(dá)式如下：一層鋁股： (4-9)多層鋁股： (4-10)圖4-6 -N多層鋁股安全曲線圖4.1.4.2 碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線振動方案的確定 導(dǎo)線以 25%RTS 張力架設(shè)，一端懸垂，一端固定。振動臺在導(dǎo)線某個共振頻率(一般取 2040 Hz)下振動，并控制試驗的振動角 2530，當(dāng)振動 次后，打

14、開懸垂線夾。觀察懸垂線夾處導(dǎo)線是否發(fā)生斷股。大多數(shù)研究導(dǎo)線的振動都是以單根導(dǎo)線為研究對象，我們這次試驗主要是以 4 根相同型號的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線來一起振動，因此可以利用有限的時間做出更好多試驗效果，試驗的過程大致是：將 4 根導(dǎo)線編號為 1，2，3，4. （1）將激振臺的激振幅度調(diào)為 0.5mm，激振頻率為 39Hz，此時導(dǎo)線與激振器發(fā)生諧振，然后先振 次。 （2）取下其中的編號為 1 的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，換上新的同型號的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線 5 繼續(xù)振動，再振動 次，取下編號為 2 的導(dǎo)線繼續(xù)振動。 （3）繼續(xù)振動直到編號為 3，4 的導(dǎo)線有斷股為止。記下此時的斷股時候的導(dǎo)線的振動次數(shù)。圖4-7

15、 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的振動試驗圖4-8 激振設(shè)置4.1.4.3 碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線振動試驗參數(shù)分析 通過振幅來利用理論知識計算出線夾出口出的應(yīng)變，然后利用應(yīng)變再根據(jù)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的彈性模量推算出線夾出口的應(yīng)力，該點是應(yīng)力集中的地方，疲勞斷股往往先從這里發(fā)生。但是導(dǎo)線的振動角不便于測量和控制，試驗中一般測量導(dǎo)線振動的波幅振幅，并換算到振動角。從而利用振幅也可以將導(dǎo)線的振動控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。 由測振儀測得導(dǎo)線在該 39Hz,0.5mm 激振器下振動的波幅為 0.72mm，有公式(4-8)可得此時碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的應(yīng)變，1 號導(dǎo)線振動 次無斷股，2 號碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線振動 次無斷股，3，4

16、 號導(dǎo)線振動 7200 多萬次有斷股。 由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線 240 為多層鋁股，所以應(yīng)用公式(4-10)可以得出鋁股的耐振次數(shù)如公式（4-11）所計算的。圖4-9 ACCC-300/50規(guī)格的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線 (4-11)所以所以， 這個結(jié)果的意義在于利用疲勞振動試驗數(shù)據(jù)可以將安全曲線放大到 6.5 倍左右，因此利用該數(shù)據(jù)就可以更為合理對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線壽命進(jìn)行更為精確的評估。當(dāng)然對導(dǎo)線進(jìn)行疲勞壽命的評估必須結(jié)合現(xiàn)場測振的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場測振數(shù)據(jù)的周期一般為 14 天，因為這樣在這樣的周期內(nèi)才可以捕捉到各種頻率的微風(fēng)振動，當(dāng)然也有日本的科學(xué)家指出 14 天是一個很不準(zhǔn)確的數(shù)字，更為精確的要測振 1

17、6 天，而且要分冬季和夏季來分別進(jìn)行測振，然后根據(jù)這種情況在進(jìn)行對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的實際使用壽命進(jìn)行更為準(zhǔn)確的評估。由于我國的發(fā)展水平限制，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在我國還沒有得到有效的推廣，更不用說要得到現(xiàn)場測振數(shù)據(jù)了。所以這個試驗也僅僅是對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的疲勞曲線更為精確話，提供一個更為合理的標(biāo)準(zhǔn)。4.1.5 碳纖維復(fù)合芯鋁合金絞線棒材試驗 （1）復(fù)合芯抗彎性能與抗壓性能是針對導(dǎo)線芯桿的測試項目，碳纖維復(fù)合芯的型號為 ACCC/LH-300/50：將碳纖維復(fù)合芯桿放于三點彎曲的夾具上，然后設(shè)定壓計算壓力值進(jìn)行壓彎試驗，然后再逐漸加大壓力值，直到芯桿有斷裂，讀出試驗機(jī)上的數(shù)字即可。 （2）更換夾具

18、，將做碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線芯桿壓扁的試驗放于平盤上，然后利用試驗機(jī)先預(yù)加載一個數(shù)值將芯桿壓緊，然后逐漸加大壓力值直到芯桿壓扁，讀出此時的數(shù)值。圖 4-10 復(fù)合芯抗彎試驗圖 4-11 復(fù)合芯抗壓試驗 試驗結(jié)果為： 復(fù)合芯最大彎曲負(fù)荷為 4.7kN； 復(fù)合芯最大抗壓負(fù)荷為 34.7kN； 相對于常規(guī)的鋼芯鋁絞線的鋼芯，碳纖維復(fù)合芯屬于脆性材料。當(dāng)施加的壓力過大時，復(fù)合芯存在碎裂的危險，特別是以壓接式接續(xù)金具替代目前碳纖維導(dǎo)線所用的楔接式金具時，更應(yīng)該注意復(fù)合芯的特點進(jìn)行測定。 （3）復(fù)合芯卷繞試驗： 復(fù)合芯卷繞試驗是針對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線提出的檢測項目，卷繞圓的直徑越小，越不易折斷，可施工性越好。研發(fā)

19、單位所做 ACCC/LH-300/50 復(fù)合芯(直徑 9 mm)卷繞圓的直徑達(dá)到 55mm，ACCC/LH 和 LR-240/35 復(fù)合芯(7.5 mm)卷繞圓的直徑達(dá)到 40mm，這完全滿足現(xiàn)場施工需要。對于直徑 9 mm 的復(fù)合芯，破斷力已可達(dá)到 150kN，能滿足一般超高壓、特高壓線路的應(yīng)用需求，更大破斷力的復(fù)合芯將通過其它方式獲得，不再采用單芯形式，以免復(fù)合芯卷繞性能下降過大。圖 4-12 復(fù)合芯卷繞試驗4.1.6 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線過滑輪試驗 試品為鋁合金股碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線 ACCC/LH-300/50，復(fù)合芯直徑為 9mm，滑車為高強(qiáng)度尼龍輪滑車。 (1)試驗采用 660 滑車，導(dǎo)線

20、通過滑車的包絡(luò)角為 32 度，導(dǎo)線試品大于10m，導(dǎo)線張力 10kN。導(dǎo)線在滑車上往返 20 次(即通過 40 次)，鋁股未發(fā)現(xiàn)明顯破壞，將鋁股剝開檢查復(fù)合芯，芯桿無斷裂、無損傷。此外，導(dǎo)線鋁股與復(fù)合芯之間無明顯位移，即無明顯縮芯現(xiàn)象。(2)試驗采用 660 滑車，導(dǎo)線通過滑車的包絡(luò)角為 32 度，導(dǎo)線試品大于 10m，導(dǎo)線張力 15kN。導(dǎo)線在滑車上往返 12 次(即通過 24 次)時導(dǎo)線有斷裂聲，鋁股未發(fā)現(xiàn)明顯破壞，將鋁股剝開檢查復(fù)合芯，芯桿有斷裂點。(3)試驗采用 822 滑車，導(dǎo)線通過滑車的包絡(luò)角為 45 度，導(dǎo)線試品大于 10m，導(dǎo)線張力 15kN。導(dǎo)線在滑車上往返 30 次(即通過 60 次)，鋁股未發(fā)現(xiàn)明顯破壞，將鋁股剝開檢查復(fù)合芯，芯桿無斷裂、無損傷。此外，導(dǎo)線鋁股與復(fù)合芯之間無明顯位移，即無明顯縮芯現(xiàn)象。(4)試驗采用 822 滑車，導(dǎo)線通過滑車的包絡(luò)角為 45 度，導(dǎo)線試品大于 10m，導(dǎo)線張力 20kN。導(dǎo)線在滑車上往返 24 次(即通過 48 次)時導(dǎo)線有斷裂聲，鋁股未發(fā)現(xiàn)明顯破壞，將鋁股剝開檢查復(fù)合芯，芯桿有斷裂點。綜上所述：對于復(fù)合芯直徑為 9mm 的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(包括鋁合金股導(dǎo)線 ACCC/LH-300/50 和準(zhǔn)軟鋁導(dǎo)線 ACCC/RL-300/50)，張力放線應(yīng)選用直徑不小于 822mm 的滑車且導(dǎo)線通過滑車