第4章碳纤维复合芯导线机械性能试验

第 4 章碳纤维复合芯导线机械性能试验

4.1 碳纤维复合芯导线做的试验及数据

4.1.1 碳纤维复合芯铝合金绞线握力试验

碳纤维复合芯导线与配套的耐张线夹连接成组合体试样共 3组,且耐张线夹之间导线的长度 L 不小于导线直径的 100 倍,将试样安装在 100t 电液伺服卧式拉力机上,当施加的初张力达到导线计算拉断力的 17%-18%时,在耐张线夹出口处的导线上作滑移标识, 然后按 GB/T2317.1-2000《电力金具机械试验方法》7.1款的要求进行握着力试验,试验连接方式如图所示，将试样装于夹具之上，用100t 拉力试验机进行拉断力试验，当做高温拉力试验时，可以用升流器对导线进行升温。

（1）常温握力试验：

导线与压接式金具的常温握力为 169kN，比计算拉断力高 41%。

（2）高温握力试验：

导线与压接式金具的 120℃握力为 152kN，比计算拉断力高 27%；比常温握力降低 10%(试验过程：初始张力 5 kN，保持 20min；然后加热至 120℃，到120℃后将导线张力提高至 60 kN；4 小时后对导线进行拉断力试验)。试验布置如图 4-1 所示：

图 4-1 碳纤维复合芯导线握力试验

4.1.2 碳纤维复合芯铝合金绞线高温拉力试验

(1) 高温拉断力

铝合金导线 ACCC/LH-240/35 和软铝导线 ACCC/LR-240/35 所用复合芯的常温抗张强度为 2800MPa；铝合金导线 ACCC/LH-300/50 所用复合芯 150℃的抗张强度为 2656MPa。因此，该碳纤维复合芯由常温(按 30℃计)升高至 150℃时，抗张强度下降幅度仅为 5.2%。

一般技术产品的复合芯 160℃抗张强度仅为 1400MPa。按其产品经验数据：每升高 1℃，抗张强度下降 10MPa 计算，复合芯 150℃抗张强度约为 1500MPa，30℃抗张强度约为 2700MPa。因此，国外技术产品的复合芯由常温(按 30℃计)升高至 150℃时，抗张强度下降幅度大于 40%。

碳纤维复合芯导线的重要优势之一是能够提高线路输送能力，而提高输送能力的关键是允许导线高温运行，即要求导线在高温运行时保持较高的机械强度，因此高温拉断力是碳纤维导线的最重要指标之一。上述数据表明：在关键性的高温拉断力指标上，该碳纤维复合芯导线完全满足挂网运行要求。碳纤维复合芯导线拉断力试验如图 4-3 所示：

图 4-3 ACCC 拉断力试验

4.1.3 碳纤维复合芯铝合金绞线热膨胀试验

导线弧垂-温度特性试验及线膨胀系数测试是涉及导线弧垂设计的主要参数之一，反映导线弧垂随温度变化的特性。碳纤维复合芯导线存在迁移点温度(温度拐点)，在迁移点以下，碳纤维导线的线膨胀系数与常规导线相近，其中碳纤维铝合金绞线 ACCC/LH-300/50 为12.8×10-6(1/℃) ，碳纤维软铝绞线ACCC/LR-240/35 为 12.7×10-6(1/℃)；在迁移点以上，碳纤维导线的线膨胀系数大幅度下降，ACCC/LH-300/50 为2.0×10-6(1/℃) ， ACCC/LR-240/35 为1.9×10-6(1/℃)，确保导线在高温运行时弧垂基本不再增大。因此，迁移点温度是碳纤维复合芯导线的关键指标之一。

众所周知，碳纤维丝的线膨胀系数接近于零，但与树脂结合形成复合芯、再与铝股结合形成碳纤维导线后，导线整体的线膨胀系数由碳纤维丝、树脂、铝股共同决定，随着树脂、铝股参数的变化，导线迁移点温度也呈现显著差异。

( 1 ) 铝合金股的采用将抬高碳纤维导线的迁移温度，如碳纤维铝合金绞线ACCC/LH-300/50的迁移点温度约为110℃决定碳纤维导线迁移点温度高低的决定因素。本项目研发的碳纤维软铝绞线ACCC/LR-240/35的迁移点温度为60℃，而国外技术产品的碳纤维软铝绞线的迁移点温度约为80℃。温度弧垂试验如图4-2所示：

图 4-2 ACCC 温度-弧垂试验

4.1.4 碳纤维复合芯铝合金绞线微风振动疲劳试验

4.1.4.1 导线微风振动疲劳简介

4.1.4.1.1 导线微风振动的数学描述

当导线受到稳定的横向风作用时，在导线的背风面将形成按一定频率上下交替出现的气流漩涡，它的依次出现和脱离就会使得导线受到同一频率的上下交变的冲击力。该冲击力的频率w f 与风速 v 和导线的直径 d 有关。根据试验可按下式计算：

w v f d

= (4-1) 各点漩涡的脱离导线是随机的，故作用在导线上的力，沿着导线长度上的相位也是随机的。因此不是一有风，导线就有振动。如果导线按一定的频率振动，且w f 和相近在c f 的范围内，则漩涡的脱离受导线频率的控制，同时沿导线各点脱离并形成同步，结果导线的微风振动就开始了。这种现象通常称为“同步效应” [2024]-振动开始后，如果振动频率保持在“同步”范围内，作用在导线上的升力就会增加，振幅同时增加，一直到达饱和振幅为止。导线的微风振动通常以驻波的型式表示，可以看成是两端固定的弦振动问题。故导线的振动频率可按下式计算：

c f = (4-2) 微风振动的型式有驻波，拍频波和行波等。其中拍频波振幅周期性的有最大值变为零，行波仅在发生的初期看到档间某点出现间歇性的振动，即振动在档内往返移动。研究微风振动通常以简单的驻波谐振函数来表述。

sin(2/)sin 2y A x ft πλπ= (4-3) y ——导线任意一点离开平衡位置的位移，mm ；

A ——导线振动点波幅的最大振幅，mm ；

x ——自振动节点到导线上任意一点的距离，m ；

λ , f ——导线振动的波长和频率，m,Hz ；

t ——计算时间，s 。

当振幅最大的时候，振动最强，因此，振动最强时候只须：

sin 21ft π=

20202020

20202020A R l R m L l ρδ=

•=•