碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)拉斷力試驗(yàn)的影響因素

孟憲彬，吳慶豐

(遠(yuǎn)東電纜有限公司，江蘇宜興214257)

0 引言

架空輸電線(xiàn)路在架線(xiàn)前都要對(duì)架空導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行拉斷力試驗(yàn)，以便掌握架空導(dǎo)線(xiàn)的性能并作為相關(guān)工程資料的備案。同樣，對(duì)于作為新型架空導(dǎo)線(xiàn)的碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)也應(yīng)根據(jù)GB/T 4909.3—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉斷力試驗(yàn)。實(shí)際上，我們發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)的拉斷力試驗(yàn)結(jié)果往往不能反映其真實(shí)的性能，這不但直接影響了用戶(hù)對(duì)碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)的認(rèn)知，同時(shí)也阻礙了碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)的推廣應(yīng)用。

1 拉斷力試驗(yàn)的影響因素

碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)是一種新型的架空導(dǎo)線(xiàn)，與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線(xiàn)相比，具有強(qiáng)度大、重量輕、線(xiàn)膨脹系數(shù)小、低損耗、載流量大、耐腐蝕及自阻尼良好等特性。碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)的核心部分是碳纖維復(fù)合芯，高等級(jí)的碳纖維復(fù)合芯是由航空航天級(jí)的高強(qiáng)度碳纖維(耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)熱、耐腐蝕、密度小及比強(qiáng)度高)、工業(yè)玻璃纖維，及專(zhuān)用的樹(shù)脂混合物組成，并通過(guò)加熱在專(zhuān)用的拉擠設(shè)備中成型，之后再在碳纖維復(fù)合芯棒的外層絞繞梯形截面的軟鋁型線(xiàn)，構(gòu)成碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線(xiàn)。目前，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)廣泛地用于老線(xiàn)路增容改造、新線(xiàn)路建設(shè)、電站母線(xiàn)，以及大跨越、大落差、重冰區(qū)、高污染等特殊氣候和地區(qū)的線(xiàn)路中。

我們通過(guò)大量的試驗(yàn)和觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)影響碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)拉斷力試驗(yàn)結(jié)果的因素，主要有金具的安裝和碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)(導(dǎo)線(xiàn))試樣的制作兩個(gè)方面。

1.1 金具的安裝

與普通鋼芯鋁絞線(xiàn)不同，結(jié)構(gòu)特殊的碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)的金具(耐張線(xiàn)夾)由楔型夾、楔型夾座、連接環(huán)、內(nèi)襯管、外壓接管等組成，主要承力部分是楔型夾、楔型夾座及連接環(huán)。圖1示出了各類(lèi)金具組件。

碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)拉斷力試驗(yàn)時(shí)，常因以下金具安裝問(wèn)題致使試驗(yàn)結(jié)果不能反映碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)的真實(shí)性能:

(1)金具壓接質(zhì)量不佳，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合芯棒被壓彎，后又未校直，致使拉斷力試驗(yàn)失敗。碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)耐張線(xiàn)夾的壓接區(qū)一般為300mm左右，采用50mm寬的模具需壓6～7模，當(dāng)接續(xù)管及耐張線(xiàn)夾壓接質(zhì)量不好時(shí)容易出現(xiàn)碳纖維復(fù)合芯棒壓彎現(xiàn)象。如圖2所示，拉斷力試驗(yàn)時(shí)圖中A端固定在拉力機(jī)上。在拉斷力試驗(yàn)過(guò)程中，碳纖維復(fù)合芯棒會(huì)受到側(cè)壓力F1、F2、F3、F4及拉伸負(fù)荷等的作用，此時(shí)碳纖維復(fù)合芯棒受力均衡;如果金具(接續(xù)管及耐張線(xiàn)夾)壓接質(zhì)量不佳，碳纖維復(fù)合芯棒壓彎后未校直，則隨著拉伸負(fù)荷增大，壓彎的碳纖維復(fù)合芯棒受到的側(cè)壓力F1、F3增大，大于側(cè)壓力F2(F4)，從而破壞了碳纖維復(fù)合芯棒的受力均衡;當(dāng)拉伸負(fù)荷進(jìn)一步增大超過(guò)一定值時(shí)，碳纖維復(fù)合芯棒中的碳纖維就會(huì)開(kāi)始發(fā)生斷裂，最后直至碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)斷裂，拉斷力試驗(yàn)失敗。

我們仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，造成上述拉斷力試驗(yàn)失敗的原因是:碳纖維復(fù)合芯棒中的碳纖維非常柔軟，雖然在樹(shù)脂的作用下25～100萬(wàn)根碳纖維絲縱向拉伸強(qiáng)度最大可達(dá)7 000 MPa或者更高，但其徑向剪切強(qiáng)度卻是很小;為了滿(mǎn)足工程的需要，在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常在碳纖維束的表面包覆一層玻璃纖維，以達(dá)到工程要求的強(qiáng)度，玻璃纖維同時(shí)還可彌補(bǔ)碳纖維徑向強(qiáng)度不足的缺陷。這種碳纖維和玻璃纖維相結(jié)合的碳纖維復(fù)合芯棒結(jié)構(gòu)有些類(lèi)似竹子，當(dāng)其彎曲角度大于規(guī)定值(21.2°)時(shí)，碳纖維復(fù)合芯棒中的碳纖維就會(huì)發(fā)生徑向斷裂，且在一定力的作用下斷裂面會(huì)逐漸增大，最后導(dǎo)致整根碳纖維復(fù)合芯棒斷裂。

圖1 各類(lèi)金具組件

圖2 碳纖維復(fù)合芯棒出現(xiàn)壓彎現(xiàn)象

因此，為了確保金具的壓接質(zhì)量，我們?cè)趬航咏鹁邥r(shí)必須選擇合適的液壓機(jī)和模具，上下模具應(yīng)對(duì)正，并且為保證金具外壓接管表面上下所處的摩擦力一致，模具壓接面應(yīng)清洗干凈或涂抹適量的潤(rùn)滑脂。無(wú)論是在拉斷力試驗(yàn)還是線(xiàn)路架設(shè)過(guò)程中，我們均應(yīng)對(duì)碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)金具安裝壓接后的彎曲度加以嚴(yán)格控制，根據(jù)GB 50233—2005標(biāo)準(zhǔn)中7.4.8條款的第4條規(guī)定“彎曲度不得大于2%，有彎曲時(shí)應(yīng)校直”，對(duì)超出標(biāo)準(zhǔn)的壓接彎曲進(jìn)行校直，以確保拉斷力試驗(yàn)和線(xiàn)路架設(shè)的順利完成。

(2)模具選擇不合理，致使拉斷力試驗(yàn)失敗。金具安裝時(shí)選擇的模具偏大，會(huì)導(dǎo)致碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)與金具導(dǎo)電部分接觸不好，在運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)熱乃至斷線(xiàn);選擇的模具偏小，會(huì)導(dǎo)致碳纖維復(fù)合芯棒受力不均(如圖3中B和C處的壓力大于D和E處的壓力)，被壓扁，致使碳纖維斷裂，當(dāng)拉斷力試驗(yàn)中拉伸負(fù)荷進(jìn)一步增大超過(guò)一定值時(shí)，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)斷裂，拉斷力試驗(yàn)失敗。

因此，為了確保金具的安裝質(zhì)量，我們?cè)诎惭b金具時(shí)必須選擇合適的模具。根據(jù)多年的金具安裝經(jīng)驗(yàn)，模具壓接面對(duì)角長(zhǎng)度為導(dǎo)線(xiàn)直徑±0.2mm較為合適，例如導(dǎo)線(xiàn)直徑為50mm，則模具在加工時(shí)壓接面對(duì)角長(zhǎng)度可為50±0.2mm;如為滿(mǎn)足工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，可在模具加工時(shí)壓接面對(duì)角長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小0.5mm，例如模具需加工的壓接面對(duì)角長(zhǎng)度50mm，則實(shí)際加工時(shí)為49.5mm即可。一般模具寬度為50～60mm，模具寬度的控制與選擇的液壓機(jī)壓力密切相關(guān)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SDJ 226—87《架空送電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)及避雷線(xiàn)液壓施工工藝規(guī)程》中4.0.2條款規(guī)定:各種液壓管壓后對(duì)邊距尺寸S的最大允許值為S=0.866×(0.993D)+0.2，式中D為管外徑，單位為mm。

(3)金具安裝壓接過(guò)程中脫模野蠻操作，致使拉斷力試驗(yàn)失敗。在金具的壓接過(guò)程中，常因未按規(guī)程清洗模具壓接面或在模具壓接面上涂抹潤(rùn)滑脂等出現(xiàn)粘?，F(xiàn)象，此時(shí)一些操作工習(xí)慣性地用腳踩踏或用手提拉導(dǎo)線(xiàn)，使金具出口處的導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)力集中，一旦用力過(guò)大，將導(dǎo)致碳纖維復(fù)合芯棒中的碳纖維出現(xiàn)斷痕，致使拉斷力試驗(yàn)失敗。

(4)金具安裝過(guò)程中主要承力元件安裝不合理，致使拉斷力試驗(yàn)失敗。圖4所示楔型夾、楔型夾座及連接環(huán)是金具的主要承力元件，雖然這三者無(wú)需壓接，但為了確保拉斷力試驗(yàn)順利進(jìn)行，我們?cè)诎惭b時(shí)必須嚴(yán)格按照下述要求進(jìn)行操作:1)在碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)分割后應(yīng)避免A處碳纖維復(fù)合芯表面出現(xiàn)縱向裂紋;2)碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)剝完后應(yīng)確保B處碳纖維復(fù)合芯表面無(wú)鋸痕等缺陷;3)碳纖維復(fù)合芯穿入楔型夾后，應(yīng)保證C處至少留有5mm的長(zhǎng)度;4)在擰緊連接環(huán)時(shí)，應(yīng)在水平方向操作，避免左右、上下劇烈擺動(dòng)，防止D處碳纖維復(fù)合芯受損，連接環(huán)擰緊后，楔型夾尾部要露出楔型夾座(E處)5～7mm，D處長(zhǎng)度應(yīng)保持在20～40mm的范圍內(nèi)。

圖3 碳纖維復(fù)合芯棒的受力示意圖

圖4 楔型夾、楔型夾座的安裝示意圖

1.2 碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)試樣的制作

在碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)中，軟鋁型線(xiàn)強(qiáng)度為60～80 MPa，碳纖維復(fù)合芯強(qiáng)度為2 050～2 400 MPa，約占整個(gè)導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度的70% ～85%。例如，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)JLRX/T-240/28mm2中碳纖維復(fù)合芯強(qiáng)度占整個(gè)導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度的71%，JLRX/T-517/71mm2中碳纖維復(fù)合芯強(qiáng)度占整個(gè)導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度的82%。雖然軟鋁型線(xiàn)強(qiáng)度只占整個(gè)導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度的18%～30%，但該部分的強(qiáng)度對(duì)拉斷力試驗(yàn)結(jié)果仍有比較大的影響。由于碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)的導(dǎo)電部分是由軟鋁型線(xiàn)絞制而成的，填充系數(shù)可達(dá)93%以上，再加上壓接管的壓接區(qū)有300mm左右，在壓接過(guò)程中，特別是后三模，鋁線(xiàn)表面就開(kāi)始出現(xiàn)“燈籠”或松股現(xiàn)象，因此碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)試樣的制作時(shí)，必須控制和解決軟鋁型線(xiàn)出現(xiàn)的“燈籠”或松股現(xiàn)象。

為了保證碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)試樣的制作質(zhì)量，獲得準(zhǔn)確的拉斷力試驗(yàn)結(jié)果，我們采取了下述解決措施:(1)按GB/T 2317.1—2008標(biāo)準(zhǔn)第7.1.1中試驗(yàn)應(yīng)選用與被試金具相匹配的導(dǎo)線(xiàn)，被試金具與導(dǎo)線(xiàn)連接時(shí)不得使導(dǎo)線(xiàn)起“燈籠”現(xiàn)象，試件中金具與金具之間或金具與夾具之間的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度應(yīng)不小于導(dǎo)線(xiàn)外徑的100倍，且不小于2.5 m等，試樣長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拉力試驗(yàn)機(jī)的能力而定。在此應(yīng)說(shuō)明，目前碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)拉斷力試驗(yàn)中終端頭最好的制作方法是壓接式，同時(shí)金具的握著力試驗(yàn)也應(yīng)在考核范圍內(nèi)。(2)如圖5所示，在正壓操作時(shí)，當(dāng)壓到B端壓接區(qū)最后三模時(shí)，應(yīng)用手握住B端距金具出口150～300mm處，避免因應(yīng)力集中導(dǎo)致該處起“燈籠”現(xiàn)象。(3)為避免鋁線(xiàn)松股現(xiàn)象，試樣另一端金具的安裝一般采用反壓的方式來(lái)完成，即從B端至A端。

圖5 耐張線(xiàn)夾的安裝、壓接示意圖

2 拉斷力試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

在拉斷力試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4909.3—2009要求安裝試樣，啟動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)，拉力加載應(yīng)平穩(wěn)、速度均勻、無(wú)沖擊，拉伸速度均勻，控制在20～100mm/min。當(dāng)試樣終端為低熔金屬澆鑄式終端時(shí)，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)的拉斷力應(yīng)符合GB/T 1179—2008標(biāo)準(zhǔn)第5.5.3條“當(dāng)要求進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)的拉斷力試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)能承受不小于規(guī)定的計(jì)算額定拉斷力的95%，而且任一單線(xiàn)均不得斷裂”。

由于碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)中碳纖維復(fù)合芯所承受的拉斷力占導(dǎo)線(xiàn)的70% ～81%，而這一部分是采用楔型夾和楔型夾座等來(lái)連接的，屬非壓接式，因此應(yīng)按GB/T 2314—2008標(biāo)準(zhǔn)第4.2.4條“架空電力線(xiàn)路用非壓縮型金具(螺栓型耐張線(xiàn)夾、楔型耐張線(xiàn)夾)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)的握力，其與導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)計(jì)算拉斷力之比應(yīng)不小于90%”及GB/T 1179—2008標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定綜合考慮。金具握力試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)GB/T 2317.1—2008標(biāo)準(zhǔn)中第7.1.2試驗(yàn)步驟進(jìn)行碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)安裝的金具握力試驗(yàn)。先將被試金具安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上，施加載荷達(dá)到導(dǎo)線(xiàn)計(jì)算拉斷力的20%，在金具出口端的導(dǎo)線(xiàn)上作一個(gè)參考標(biāo)記，以測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)相對(duì)于金具的滑移量;在不小于30 s時(shí)間內(nèi)，將張力逐步增加到導(dǎo)線(xiàn)計(jì)算拉斷力的50%，保持120 s;之后在不小于30 s的時(shí)間內(nèi)，將張力逐步增加到規(guī)定的握力值，保持60 s。

3 結(jié)束語(yǔ)

為保證碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)拉斷力試驗(yàn)結(jié)果能夠反映碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)的真實(shí)性能，在拉斷力試驗(yàn)時(shí)必須對(duì)金具的安裝質(zhì)量和碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)試樣制作的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。在拉斷力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)避免接續(xù)管及耐張線(xiàn)夾壓接后未校直，模具選擇不合理，壓接過(guò)程中脫模野蠻操作而產(chǎn)生的復(fù)合芯橫斷面受力不均導(dǎo)致碳纖維內(nèi)部出現(xiàn)斷痕，安裝過(guò)程主要承力元件安裝不合理而導(dǎo)致復(fù)合芯滑移或碳纖維出現(xiàn)斷痕，試樣制作過(guò)程中導(dǎo)線(xiàn)由于壓接的方法和處理方法不當(dāng)所出現(xiàn)“燈籠”或松股現(xiàn)象等問(wèn)題的出現(xiàn)。同時(shí)，還應(yīng)注意拉斷力試驗(yàn)過(guò)程中的拉伸速度不均及試驗(yàn)結(jié)果的判定標(biāo)準(zhǔn)選用等情況。

由于目前碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)還處在推廣階段，很多電力安裝部門(mén)還不完全甚至根本不了解，加之該導(dǎo)線(xiàn)的金具安裝相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也尚未出臺(tái)，因此我們?cè)敿?xì)闡述線(xiàn)路施工前拉斷力試驗(yàn)中碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)試樣的制作過(guò)程，希望通過(guò)對(duì)架線(xiàn)人員進(jìn)行金具的安裝培訓(xùn)及相關(guān)注意事項(xiàng)的告知，促使更多的架空輸電線(xiàn)路使用碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線(xiàn)，使其在新建電力輸電線(xiàn)路或老線(xiàn)路的改造上發(fā)揮出明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］GB 50233—2005 110～500 kV架空送電線(xiàn)路施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［2］GB/T 2317.1—2008 電力金具機(jī)械試驗(yàn)方法［S］.

［3］GB/T 2314—2008 電力金具通用技術(shù)條件［S］.

［4］GB/T 1179—2008 圓線(xiàn)同心絞架空導(dǎo)線(xiàn)［S］.

［5］遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù)有限公司.Q/320282DFP01—2010纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合芯軟鋁型線(xiàn)絞線(xiàn)［S］.