碳纖維導線應用分析及關鍵檢測設備設計

周 超，趙士杰，劉衍平

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

0 引言

碳纖維導線的研發(fā)以及試驗在17世紀末就已開始，用碳纖維復合芯材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼芯是輸電線路發(fā)展的里程碑。棒狀碳纖維導線可實現(xiàn)增容輸電，全國掛網(wǎng)運行超過12 000 km，技術已經(jīng)日趨成熟，但近年來碳纖維復合芯導線斷線事故時有發(fā)生，嚴重危及電網(wǎng)安全運行。近期國網(wǎng)運檢部、基建部聯(lián)合發(fā)文提出ACCC加強碳纖維復合芯導線巡視和運維管理，開展導線隱患排查治理。多起碳纖維導線斷線案例表明：導線的損傷多發(fā)生在緊線過程中卡線器臨錨和導線壓接處以及相關施工過程中。因此有必要對棒狀碳纖維復合芯導線的性能做進一步總結，并對工程應用中的問題提出解決辦法。

1 碳纖維導線與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線

ACCC導線截面如圖1所示，以炭纖維絲增強樹脂,采用擠壓成型工藝制造,包括浸膠——控膠——成型固化——二次固化——切割——收卷等環(huán)節(jié)。棒狀碳纖維復合芯承載著碳纖維導線的主要重量,以及導線架空作業(yè)過程中的全部張力。它以玻璃纖維包覆碳纖維成為一體而形成單根復合芯棒，根據(jù)碳纖維、環(huán)氧樹脂的抗拉性能強等特點,拉伸碳纖維和玻璃纖維后,在環(huán)氧樹脂中沉浸,再經(jīng)高溫固化得到復合芯線[2]，值得注意的是和芯線外層鋁股絲一般為梯形線。類似于ACSR鋼芯鋁絞線，棒狀碳纖維導線以芯棒為主要承力件承受導線質量、應力以及風、雨、雪、霜等情況下的負載，鋁股絲主要起導電作用。經(jīng)過不同形式的試驗以及實際的架線作業(yè)，這種棒狀碳纖維導線在機械和電氣方面呈現(xiàn)出優(yōu)越的性能。

（1）強度高。碳纖維復合芯棒的抗拉強度2399 MPa，分別為一般鋼絲（1240 MPa）、高強鋼絲（1410 MPa）的 1.93倍和 1.73倍[3]。

圖1 棒狀碳纖維復合芯導線截面

（2）導電率高，載流量大，耐高溫。高導電率、大載流量且耐高溫在輸送相同負荷時，其導體層63%IACS（International Annealing Copper Standard，國際退火銅標準導電率）的梯形軟型鋁線的獨特結構設計，使導線整體截面積比一般圓截面線股導線大，在如今增容擴容發(fā)展中顯得尤為重要。相同直徑的ACCC導線鋁材截面為常規(guī)鋼芯鋁絞線導線的1.29倍，可以提高載流量29%。傳統(tǒng)的ACSR導線運行溫度為70℃，而碳纖維復合芯導線能在140℃下長期有效運行[4，5]。碳纖維導線與LGJ普通導線的允許載流量對比見表1。

表1 碳纖維導線與LGJ普通導線的允許載流量對比

（3）脫冰效果好、不易覆冰且可減少電磁輻射、電暈損失，節(jié)能效果顯著。鑒于碳纖維導線可連續(xù)在高溫條件下運行，導電部分采用退火純軟鋁，鋁股線為梯形，填充系數(shù)0.93（普通導線0.75），導線表面結構緊湊、遠比ACSR光滑且其耐高溫特性也使得冰雪附著力極差，可有效提高輸電線路的抗冰雪能力，調研研究發(fā)現(xiàn)運行中電暈損耗小，不會產(chǎn)生磁損和渦流損耗，電暈起始電壓比傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線高，節(jié)能效果明顯[6，7]。兩種導線截面見圖2。

（4）弧垂低，線膨脹系數(shù)小。導線承力芯是碳纖維復合芯，線膨脹系數(shù)約是一般ACSR導線的1/8，為 1.6×10-6/℃，因此ACCC導線比一般導線具有更低的馳度。從圖3可以看出，新型導線弧垂的增加量是一般導線的10%左右，鋁和鋼的膨脹系數(shù)均大于碳纖維，故完全異于常規(guī)導線的是在拐點溫度之后，碳纖維導線的絕大部分張力載荷由碳纖維芯承擔，其外層鋁導體部分只起到導流的作用。

圖2 ACSR和ACCC導線截面

圖3 碳纖維導線和鋼芯鋁絞線弧垂——溫升曲線

（5）重量輕、密度小。ACCC導線碳纖維復合芯密度（1800 kg/m3）遠小于常規(guī) ACSR 導線鋼芯密度（7850 kg/m3），在相同的外徑下,導線自身的荷載降低，單位長度質量也顯著降低到普通導線的60%～80%，充分顯示了ACCC導線重量輕的優(yōu)點[8]。

（6）耐腐蝕，壽命長。外層由玻璃纖維絕緣材料包覆的碳纖維復合芯與環(huán)境親和，有較高的耐腐蝕性能，復合芯為非金屬材料，具導體在通電時不存在鋁線與鍍鋅鋼線之間的電化腐蝕問題，可較好地解決傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線的腐蝕問題[6]，使用壽命是普通導線的2倍以上。

（7）微風振動和舞動情況降低。具有更加緊湊的結構的梯形繞制鋁線的碳纖維導線與鋼芯鋁絞線相比，若鋁截面相同，ACCC導線的外徑可下降10%，導線所承載冰、風載荷也隨之下降，導線外徑減小加之梯形繞制，更加平滑的鋁絞線外表面減小了空氣動力系數(shù)因而可達到上述優(yōu)勢[9]。

計算表明，碳纖維導線低密度特性可使其自重減輕導線自身載荷降低25%，承載能力增加20%。鑒于碳纖維材料密度小弧垂低的特性，輸電線路采用碳纖維復合芯導線可有效保證對地的安全距離、降低鐵塔高度，使鐵塔結構緊湊，在施工作業(yè)時可適當增大檔距減少桿塔和線路走廊的使用，縮短工期、降低工程費用。同時導線運行的安全性、可靠性也得到進一步保障。

2 工程應用中的問題

（1）碳纖維復合芯棒柔韌性差。單根棒狀碳纖維復合芯彎曲半徑達到55D（D為復合芯棒直徑），在架線施工過程中易發(fā)生脆性斷裂。架線施工過程中要求更多，需更加小心謹慎以防損傷碳芯。一旦因操作失誤導致芯棒斷裂，要進行補修，嚴重時要重新更換導線，一方面導致工期延長，另外工程造價也將進一步提高。

（2）鋁線容易起鼓（燈籠）。軟鋁塑性變形較大，導線展放過程中，特殊放線段會使用大張力、多滑車及大轉角等，導線與滑輪的擠壓變形、長久摩擦以及應力集中，鋁線股變形形成松股甚至起燈籠，運行中難以修復，松散的鋁線也導致碳纖維芯長期暴露在空氣中，對鋁線股、碳纖維芯不利。

（3）碳纖維芯和鋁伸縮率差異較大。利用網(wǎng)套連接器在輸變電線路施工中容易發(fā)生碳纖維芯縮頸現(xiàn)象，嚴重時會有幾米的相對滑移量；在運行維護階段，如果需要剪斷導線重新接續(xù)，縮頸現(xiàn)象容易導致整跟導線更換。

（4）ACCC導線的碳纖維復合芯是一種脆性材料，硬度高韌性較差，導線芯棒軸向抗拉能力強，徑向抗剪切性能、抗壓性能、抗劈裂能力較弱,在線路施工如壓接、卡線器夾持過程中導線易出現(xiàn)徑向耐壓失效現(xiàn)象,在施工、運行等方面存在安全隱患，且目前針對芯棒徑向耐壓應力相關研究較少。多起碳纖維導線斷線案例表明：導線的損傷多發(fā)生在緊線過程中卡線器臨錨和導線壓接處以及相關施工過程中。

3 解決建議及研究方案

3.1 導線起“燈籠”問題

施工作業(yè)時工人需持證上崗，嚴格按照工藝標準操作，解決導線起“燈籠”問題就是要減小鋁線股的變形，可采?。孩偈┕ぷ鳂I(yè)中單盤導線長度≤2.5 km，利用中間接續(xù)管對長距離耐張段中間連接，可以阻斷軟鋁變形的積累，避免上述缺陷的發(fā)生[10]；②耐張線夾的施壓有2種方法：正壓、反壓。當檔距或耐張段較長時，一般采用正壓，當檔距或耐張段＜100 m，為防止燈籠的產(chǎn)生，可采用反壓。③導線掛線受到張力后可消除大部分“燈籠”，個別沒有完全恢復的“燈籠”，首先進行出線趕壓，可采用麻繩絞趕方式，盡可能使該處導線恢復平整，如仍有不平整的，可采用預絞絲對導線進行包覆，屏蔽外表不光滑可能產(chǎn)生的起始電暈降低現(xiàn)象，同時該檔導線應在“燈籠”處理完畢后方可安裝防振錘、間隔棒等附件[10]。

3.2 芯棒縮芯問題分析

針對碳纖維芯和鋁伸縮率差異較大的問題，在對JLZX1K/F2A-530（630）/55碳纖維擴徑導線進行型號為SLW-60單頭網(wǎng)套連接器兼容性載荷實驗時，發(fā)現(xiàn)試驗后的導線除芯棒出現(xiàn)縮芯問題外，沒有出現(xiàn)打滑、損傷、導線表面沒有明顯劃痕、外徑大小無變化等問題并且拆卸靈活，證實了工程施工應用中棒狀碳纖維復合芯導線易縮芯問題。

（1）試驗方案（圖4）。將與網(wǎng)套連接器相適應的JLZX1K/F2A-530（630）/55碳纖維擴徑導線插入網(wǎng)套連接器中，到位后用鋼卷尺測量導線插入長度是否不小于30倍的直徑，合格后用合適的鐵絲將網(wǎng)套連接器末端纏繞扎緊，將鋼絲繩與網(wǎng)套連接器的另一端連接，將導線的一端和鋼絲繩的另一端分別固定在臥式拉力機卡具中（注：如果載荷不大不用鐵絲扎緊網(wǎng)套連接器末端）。

圖4 網(wǎng)套連接器和擴經(jīng)碳纖維導線兼容性試驗

（2）負載試驗（載荷系數(shù)為1）。用臥式拉力機對被試驗網(wǎng)套連接器施加載荷，加載至100%的額定載荷并保持10 min后，觀察被試驗網(wǎng)套連接器是否有打滑現(xiàn)象；過載試驗（載荷系數(shù)1.25）：用臥式拉力機對被試驗網(wǎng)套連接器施加125%的額定載荷并保持10 min后,觀察被試驗網(wǎng)套連接器是否有打滑現(xiàn)象。2次試驗進行2次。加載過程見表2，其中530k630/55導線用網(wǎng)套連接器額定載荷為57.483 kN（取60 kN）。芯棒試驗前后如圖5所示。

圖5 芯棒試驗前后

表2 試驗式樣、載荷及加載方式

此外，又對該導線進行型號SKQT-530K裝配式牽引器的兼容性破斷力實驗（圖6），實驗從另一方面證明采，用裝配式牽引器在施工放線時可杜絕縮芯現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）原因分析。裝配式牽引器（圖7）主要由橡膠套、蛇節(jié)、過渡連接件、下連接件、大卡爪、中間連接件、小卡爪、小卡爪安裝座、上連接件、壓蓋與壓蓋螺栓組成。

圖6 裝配式牽引器和擴經(jīng)碳纖維導線兼容性試驗

圖7 裝配式牽引器結構

導線在拉力載荷作用下網(wǎng)套連接器僅依靠與導線外表面的摩擦力牽引導線，而裝配式牽引器具有兩級楔形夾緊裝置內層夾緊碳纖維復合材料芯與楔形線夾楔形夾、楔形夾座的自鎖原理一樣，外層夾緊碳纖維復合材料芯架空導線整體。由于鋁線塑性變形量遠大于碳芯，故當拉力載荷達到一定值時，承力芯-碳纖維復合芯棒將承擔全部拉力，因而無縮芯現(xiàn)象發(fā)生。故≥400 mm2的碳纖維復合材料芯架空導線牽引應采用裝配式牽引器，不應采用單頭網(wǎng)套連接器；而＜400 mm2的碳纖維復合材料芯架空導線可采用裝配式牽引器進行牽引，但在跨越鐵路、高速公路、重要輸電通道、居民密集區(qū)時，應采用裝配式牽引器牽引。

3.3 智能移動無損檢測裝置的設計

ACCC導線芯棒抗剪切性能、抗壓性能、抗劈裂能力較弱,在線路施工如壓接、卡線器夾持過程中導線易出現(xiàn)徑向耐壓失效現(xiàn)象。將X射線無損檢測設備和一般巡檢機器人結合、根據(jù)國網(wǎng)運檢部、基建部聯(lián)合發(fā)文提出的加強ACCC導線巡視和運維管理，開展導線隱患排查治理的要求，設計一套智能移動無損檢測裝置。

3.3.1 檢測設備

結合已有無損檢測設備——X射線無損檢測設備，設置一套碳纖維復合芯導線智能移動式實時檢測裝置（圖8）。檢測設備整體尺寸1.6 m×0.8 m×1.2 m，通過自重平穩(wěn)懸掛在導線上，整體結構裝配簡單、易操作。

圖8 智能移動無損檢測裝置

如圖8所示，檢測設備包括：①供電及控制系統(tǒng)。為整個設備提供電源，實現(xiàn)自動控制的基本任務；②X射線發(fā)射源。發(fā)射X射線掃描拍攝碳纖維復合芯導線的芯棒，并將芯棒整體結構圖像映射到平板探測器上，最終通過無線傳輸至地面終端；③滑動導軌。能夠實現(xiàn)夾緊輪的上下移動，使夾緊輪在最合適的位置夾緊導線；④行走輪及其配套電機。用于實現(xiàn)整套無損檢測設備在導線上的穩(wěn)定行走移動；⑤擋板。其可以繞突出軸進行360°旋轉，以便將整體設備安裝在導線上，之后通過固定螺釘將擋板固定在夾緊輪連接板上；⑥平板探測器。用于接收X射線發(fā)射源掃描拍攝的圖像并將其傳輸至地面終端；⑧連接板。用于將無損檢測裝置的整體框架連接成一個整體；⑨夾緊輪。用于夾緊導線[11]固定螺釘。用于在整體裝置在導線上安裝完畢之后將可旋轉的擋板固定；[12]無線傳輸裝置。用于將平板探測器接收到的數(shù)據(jù)傳送至地面終端。調整供電及控制系統(tǒng)等其他設備的位置并進行平衡移動實驗進而確定各個設備的相對位置，使整套裝置依據(jù)重力達到平衡。

3.3.2 檢測方法

對相關ACCC導線預先進行徑向耐壓試驗以及拉斷力損傷模擬實驗,將實驗中導線發(fā)生損傷時的各類實驗數(shù)據(jù)匯總建立碳纖維復合芯導線緊線損傷數(shù)據(jù)庫；在橫擔附近將裝置安裝在導線上后，通過遠程控制實現(xiàn)設備的線上移動作業(yè)，對碳纖維復合芯導線耐張線夾及其出口20 m以內導線進行在線檢測，檢測數(shù)據(jù)無線傳輸至地面終端，自動處理和生成導線檢測圖像，并通過已建立的導線損傷數(shù)據(jù)庫進行損傷智能判別；當與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對應度達到一定范圍內時，地面數(shù)據(jù)檢測終端發(fā)出報警，表示此處導線有損傷；記錄報警信號發(fā)出時檢測裝置在導線上的相應位置，當對線夾附近范圍內的導線檢測完成之后統(tǒng)一對導線各個報警位置進行修復。能在工程驗收、運檢過程中盡早發(fā)現(xiàn)隱患，智能報警，避免人員高空操作，提高施工過程的安全性，降低運行時斷線造成的損失，為線路安全運行提供保障；同時避免射線對人體危害以及無損檢測設備掃描拍攝的圖像經(jīng)處理后、多根據(jù)操作人員經(jīng)驗進行損傷判別，誤差大、效率低的問題。

3.4 絞合型碳纖維復合芯導線的應用

在2013年海南電網(wǎng)福豐I線220 kV增容改造項目中，我國第一條絞合型碳纖維芯導線成功架空運行，其在海南北部尤其于?？诘貐^(qū)有極為重要的供電任務。

絞合型碳纖維復合芯導線（ACMCC）以其優(yōu)越的性能、獨特的結構（圖9）解決了棒狀碳纖維導線的種種問題：ACCC彎曲半徑為55 D（D為復合線芯直徑），易發(fā)生脆性斷裂；而ACMCC彎曲半徑可達到40 D，韌性很好，更有利于運輸和架線施工；絞合型碳纖維復合芯絞繞而成，其外表面與臨層的鋁線摩擦力遠大于棒狀碳纖維芯與臨層鋁線之間的摩擦力，又具有很好的韌性，使其在施工中可很大程度避免縮芯問題的產(chǎn)生。

圖9 絞合型碳纖維復合芯導線

絞合型碳纖維芯由單股碳芯絞制而成，股與股之間各位一體，即使某一單股斷裂，也只是損失了幾分之一的拉力，避免像棒形碳纖維芯那樣當芯線發(fā)生損壞斷裂，整個承力體結構的穩(wěn)定性將遭受極大破壞[11]；ACMCC線芯由于其絞線結構，具有傳導、轉移和分散外力的作用，提高了芯線抗側壓的能力，解決了棒狀碳纖維芯抗剪切性能、抗壓性能、抗劈裂能力弱的問題，兩種結構的碳纖維復合芯線斷裂過程見圖10。

在海南省福豐I線220 kV增容改造項目后，由于應用經(jīng)驗不足，與之配套的關鍵金具配合應用問題較多，絞合型碳纖維復合芯導線架空運行的案例很少為人所知，它的推廣、普及應用也相對比較困難。因此，絞合型碳纖維芯導線可逐步在需要的線路上嘗試短距離掛網(wǎng)試運行，進一步積累施工經(jīng)驗和運行參數(shù)，逐步改進相關金具與之兼容性的問題，盡快形成施工導則。

圖10 ACCC和ACMCC碳纖維芯裂痕發(fā)展過程

4 結語

棒狀碳纖維復合芯導線以其高強度、高導電率、大載流量、耐高溫、脫冰效果好、不易覆冰且可減少電磁輻射、電暈損失低、節(jié)能效果顯著、弧垂低、線膨脹系數(shù)小、重量輕、密度小、耐腐蝕、可降低微風振動和舞動等優(yōu)勢，廣泛應用在輸電線路上。但在施工應用中也存在一些問題，針對其韌性差、易起燈籠、縮芯問題給出解決方案，尤其針對其抗剪切性能、抗壓性能、抗劈裂能力弱的問題、結合已有巡檢機器人和X射線檢測設備，設計一套智能移動無損檢測裝置，并給出具體檢測方法，同時對近期投用的絞合型碳纖維復合芯導線作出簡要分析，以期為碳纖維復合芯導線的研究應用提供經(jīng)驗。