孟憲彬，吳慶豐

(遠東電纜有限公司，江蘇宜興214257)

0 引言

架空輸電線路在架線前都要對架空導(dǎo)線進行拉斷力試驗，以便掌握架空導(dǎo)線的性能并作為相關(guān)工程資料的備案。同樣，對于作為新型架空導(dǎo)線的碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線也應(yīng)根據(jù)GB/T 4909.3—2009標準進行拉斷力試驗。實際上，我們發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線的拉斷力試驗結(jié)果往往不能反映其真實的性能，這不但直接影響了用戶對碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線的認知，同時也阻礙了碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線的推廣應(yīng)用。

1 拉斷力試驗的影響因素

碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線是一種新型的架空導(dǎo)線，與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線相比，具有強度大、重量輕、線膨脹系數(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)合芯軟鋁絞線的核心部分是碳纖維復(fù)合芯，高等級的碳纖維復(fù)合芯是由航空航天級的高強度碳纖維(耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)熱、耐腐蝕、密度小及比強度高)、工業(yè)玻璃纖維，及專用的樹脂混合物組成，并通過加熱在專用的拉擠設(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，構(gòu)成碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線。目前，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線廣泛地用于老線路增容改造、新線路建設(shè)、電站母線，以及大跨越、大落差、重冰區(qū)、高污染等特殊氣候和地區(qū)的線路中。

我們通過大量的試驗和觀察，發(fā)現(xiàn)影響碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線拉斷力試驗結(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(導(dǎo)線)試樣的制作兩個方面。

1.1 金具的安裝

與普通鋼芯鋁絞線不同，結(jié)構(gòu)特殊的碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線的金具(耐張線夾)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示出了各類金具組件。

碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線拉斷力試驗時，常因以下金具安裝問題致使試驗結(jié)果不能反映碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線的真實性能:

(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，致使拉斷力試驗失敗。碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線耐張線夾的壓接區(qū)一般為300mm左右，采用50mm寬的模具需壓6～7模，當接續(xù)管及耐張線夾壓接質(zhì)量不好時容易出現(xiàn)碳纖維復(fù)合芯棒壓彎現(xiàn)象。如圖2所示，拉斷力試驗時圖中A端固定在拉力機上。在拉斷力試驗過程中，碳纖維復(fù)合芯棒會受到側(cè)壓力F1、F2、F3、F4及拉伸負荷等的作用，此時碳纖維復(fù)合芯棒受力均衡;如果金具(接續(xù)管及耐張線夾)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;當拉伸負荷進一步增大超過一定值時，碳纖維復(fù)合芯棒中的碳纖維就會開始發(fā)生斷裂，最后直至碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線斷裂，拉斷力試驗失敗。

我們仔細分析后發(fā)現(xiàn)，造成上述拉斷力試驗失敗的原因是:碳纖維復(fù)合芯棒中的碳纖維非常柔軟，雖然在樹脂的作用下25～100萬根碳纖維絲縱向拉伸強度最大可達7 000 MPa或者更高，但其徑向剪切強度卻是很小;為了滿足工程的需要，在實際設(shè)計中通常在碳纖維束的表面包覆一層玻璃纖維，以達到工程要求的強度，玻璃纖維同時還可彌補碳纖維徑向強度不足的缺陷。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)有些類似竹子，當其彎曲角度大于規(guī)定值(21.2°)時，碳纖維復(fù)合芯棒中的碳纖維就會發(fā)生徑向斷裂，且在一定力的作用下斷裂面會逐漸增大，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，我們在壓接金具時必須選擇合適的液壓機和模具，上下模具應(yīng)對正，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滑脂。無論是在拉斷力試驗還是線路架設(shè)過程中，我們均應(yīng)對碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線金具安裝壓接后的彎曲度加以嚴格控制，根據(jù)GB 50233—2005標準中7.4.8條款的第4條規(guī)定“彎曲度不得大于2%，有彎曲時應(yīng)校直”，對超出標準的壓接彎曲進行校直，以確保拉斷力試驗和線路架設(shè)的順利完成。

(2)模具選擇不合理，致使拉斷力試驗失敗。金具安裝時選擇的模具偏大，會導(dǎo)致碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線與金具導(dǎo)電部分接觸不好，在運行過程中易發(fā)熱乃至斷線;選擇的模具偏小，會導(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，當拉斷力試驗中拉伸負荷進一步增大超過一定值時，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線斷裂，拉斷力試驗失敗。

因此，為了確保金具的安裝質(zhì)量，我們在安裝金具時必須選擇合適的模具。根據(jù)多年的金具安裝經(jīng)驗，模具壓接面對角長度為導(dǎo)線直徑±0.2mm較為合適，例如導(dǎo)線直徑為50mm，則模具在加工時壓接面對角長度可為50±0.2mm;如為滿足工程驗收標準，可在模具加工時壓接面對角長度標準值的基礎(chǔ)上適當減小0.5mm，例如模具需加工的壓接面對角長度50mm，則實際加工時為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壓力密切相關(guān)，根據(jù)標準SDJ 226—87《架空送電線路導(dǎo)線及避雷線液壓施工工藝規(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)金具安裝壓接過程中脫模野蠻操作，致使拉斷力試驗失敗。在金具的壓接過程中，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滑脂等出現(xiàn)粘?，F(xiàn)象，此時一些操作工習(xí)慣性地用腳踩踏或用手提拉導(dǎo)線，使金具出口處的導(dǎo)線應(yīng)力集中，一旦用力過大，將導(dǎo)致碳纖維復(fù)合芯棒中的碳纖維出現(xiàn)斷痕，致使拉斷力試驗失敗。

(4)金具安裝過程中主要承力元件安裝不合理，致使拉斷力試驗失敗。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，雖然這三者無需壓接，但為了確保拉斷力試驗順利進行，我們在安裝時必須嚴格按照下述要求進行操作:1)在碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線分割后應(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)合芯軟鋁絞線剝完后應(yīng)確保B處碳纖維復(fù)合芯表面無鋸痕等缺陷;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的長度;4)在擰緊連接環(huán)時，應(yīng)在水平方向操作，避免左右、上下劇烈擺動，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)合芯軟鋁絞線試樣的制作

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

為了保證碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線試樣的制作質(zhì)量，獲得準確的拉斷力試驗結(jié)果，我們采取了下述解決措施:(1)按GB/T 2317.1—2008標準第7.1.1中試驗應(yīng)選用與被試金具相匹配的導(dǎo)線，被試金具與導(dǎo)線連接時不得使導(dǎo)線起“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)線長度應(yīng)不小于導(dǎo)線外徑的100倍，且不小于2.5 m等，試樣長度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場拉力試驗機的能力而定。在此應(yīng)說明，目前碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線拉斷力試驗中終端頭最好的制作方法是壓接式，同時金具的握著力試驗也應(yīng)在考核范圍內(nèi)。(2)如圖5所示，在正壓操作時，當壓到B端壓接區(qū)最后三模時，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完成，即從B端至A端。

圖5 耐張線夾的安裝、壓接示意圖

2 拉斷力試驗的相關(guān)標準要求

在拉斷力試驗過程中應(yīng)按標準GB/T 4909.3—2009要求安裝試樣，啟動拉力試驗機，拉力加載應(yīng)平穩(wěn)、速度均勻、無沖擊，拉伸速度均勻，控制在20～100mm/min。當試樣終端為低熔金屬澆鑄式終端時，碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線的拉斷力應(yīng)符合GB/T 1179—2008標準第5.5.3條“當要求進行導(dǎo)線的拉斷力試驗時，應(yīng)能承受不小于規(guī)定的計算額定拉斷力的95%，而且任一單線均不得斷裂”。

由于碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線中碳纖維復(fù)合芯所承受的拉斷力占導(dǎo)線的70% ～81%，而這一部分是采用楔型夾和楔型夾座等來連接的，屬非壓接式，因此應(yīng)按GB/T 2314—2008標準第4.2.4條“架空電力線路用非壓縮型金具(螺栓型耐張線夾、楔型耐張線夾)對導(dǎo)線、地線的握力，其與導(dǎo)線、地線計算拉斷力之比應(yīng)不小于90%”及GB/T 1179—2008標準的相關(guān)規(guī)定綜合考慮。金具握力試驗應(yīng)根據(jù)GB/T 2317.1—2008標準中第7.1.2試驗步驟進行碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線安裝的金具握力試驗。先將被試金具安裝在拉力試驗機上，施加載荷達到導(dǎo)線計算拉斷力的20%，在金具出口端的導(dǎo)線上作一個參考標記，以測量導(dǎo)線相對于金具的滑移量;在不小于30 s時間內(nèi)，將張力逐步增加到導(dǎo)線計算拉斷力的50%，保持120 s;之后在不小于30 s的時間內(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

為保證碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線拉斷力試驗結(jié)果能夠反映碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線的真實性能，在拉斷力試驗時必須對金具的安裝質(zhì)量和碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線試樣制作的質(zhì)量進行嚴格控制。在拉斷力試驗時應(yīng)避免接續(xù)管及耐張線夾壓接后未校直，模具選擇不合理，壓接過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，試樣制作過程中導(dǎo)線由于壓接的方法和處理方法不當所出現(xiàn)“燈籠”或松股現(xiàn)象等問題的出現(xiàn)。同時，還應(yīng)注意拉斷力試驗過程中的拉伸速度不均及試驗結(jié)果的判定標準選用等情況。

由于目前碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線還處在推廣階段，很多電力安裝部門還不完全甚至根本不了解，加之該導(dǎo)線的金具安裝相關(guān)標準也尚未出臺，因此我們詳細闡述線路施工前拉斷力試驗中碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線試樣的制作過程，希望通過對架線人員進行金具的安裝培訓(xùn)及相關(guān)注意事項的告知，促使更多的架空輸電線路使用碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線，使其在新建電力輸電線路或老線路的改造上發(fā)揮出明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

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

［2］GB/T 2317.1—2008 電力金具機械試驗方法［S］.

［3］GB/T 2314—2008 電力金具通用技術(shù)條件［S］.

［4］GB/T 1179—2008 圓線同心絞架空導(dǎo)線［S］.

［5］遠東復(fù)合技術(shù)有限公司.Q/320282DFP01—2010纖維增強樹脂基復(fù)合芯軟鋁型線絞線［S］.