張 博，馬 杰，劉 博，艾文君，李夢(mèng)麗

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)院研究院，鄭州 450052；2.國(guó)家電網(wǎng)公司輸電線路舞動(dòng)防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450052；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州 450052）

0 引言

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是最常見的增容導(dǎo)線之一[1]。由于引入了有機(jī)復(fù)合材料，該導(dǎo)線具有強(qiáng)度高、線損低、電導(dǎo)率高、弧垂小、運(yùn)行工作溫度高、載流量大、質(zhì)量輕、耐腐蝕及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。

近年來(lái)，隨著碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在配電線路增容改造工程中的大量使用及制造成本的持續(xù)降低，建議在新建線路和高電壓等級(jí)線路中大量推廣應(yīng)用的呼聲也越來(lái)越高[5-6]。這意味著未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)大量穿越舞動(dòng)高發(fā)區(qū)的碳纖維導(dǎo)線線路。但是目前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有關(guān)于碳纖維導(dǎo)線在舞動(dòng)區(qū)應(yīng)用的跟蹤報(bào)道。對(duì)碳纖維導(dǎo)線舞動(dòng)特征及防護(hù)問(wèn)題的研究也較少[7-8]。

我國(guó)是世界上舞動(dòng)災(zāi)害最頻發(fā)、舞動(dòng)區(qū)域最廣泛的國(guó)家之一[9-11]，因此，在新建線路和高電壓等級(jí)線路中大規(guī)模推廣碳纖維導(dǎo)線之前，有必要開展碳纖維導(dǎo)線在舞動(dòng)區(qū)的應(yīng)用預(yù)研，重點(diǎn)關(guān)注碳纖維導(dǎo)線的舞動(dòng)特性及受損特征。

筆者利用觀測(cè)檔試驗(yàn)線路，對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的舞動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；利用導(dǎo)線舞動(dòng)模擬試驗(yàn)機(jī)，對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線和金具的舞動(dòng)疲勞受損的情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的基本特征

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的內(nèi)部是一根碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的復(fù)合芯，外部由一系列呈梯形截面的軟鋁線絞合而成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線Fig.1 Aluminum conductor carbon core

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與常規(guī)鋼芯鋁絞線相比主要有兩大特點(diǎn)：

1）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的梯形軟鋁線結(jié)構(gòu)使其外表面相對(duì)光滑。已有研究表明：導(dǎo)線表面相對(duì)光滑的特征對(duì)導(dǎo)線整體覆冰厚度和形態(tài)影響不大[12]，碳纖維導(dǎo)線依然存在非均勻覆冰和舞動(dòng)的可能性。

2）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線因采用復(fù)合材料芯棒代替鋼芯，其彈性模量、線密度、弧垂等參數(shù)均比普通鋼芯鋁絞線小。一旦舞動(dòng)，導(dǎo)線的舞動(dòng)特性可能不同于普通鋼芯鋁絞線。

另外，有觀點(diǎn)認(rèn)為碳纖維導(dǎo)線作為增容導(dǎo)線，運(yùn)行溫度一般較高，不易覆冰和舞動(dòng)。但是本文通過(guò)對(duì)部分河南電網(wǎng)在運(yùn)碳纖維導(dǎo)線的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：由于受線路設(shè)計(jì)輸送裕量的影響，在運(yùn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線冬季運(yùn)行溫度較低，尚不足以防止覆冰，存在覆冰舞動(dòng)的可能性。

2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線舞動(dòng)特性試驗(yàn)

為直觀反映碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的舞動(dòng)特點(diǎn)，本文選取了一組型號(hào)接近的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線和普通鋼芯鋁絞線，利用試驗(yàn)觀測(cè)檔線路，開展了在人工模擬覆冰條件下的舞動(dòng)試驗(yàn)，并對(duì)比了兩種導(dǎo)線的舞動(dòng)差異。

對(duì)比的試驗(yàn)導(dǎo)線型號(hào)：碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線ACCC-300/45和鋼芯鋁絞線LGJ-300/40。兩種導(dǎo)線以雙分裂的形式平行懸掛于檔距40 m試驗(yàn)觀測(cè)檔線路上，見圖2。

圖2 試驗(yàn)觀察檔實(shí)景Fig.2 The real photo of small-scale test line

兩種試驗(yàn)導(dǎo)線的弧垂按張力相同的原則設(shè)置。由于碳纖維導(dǎo)線的密度小，其弧垂明顯較小，見圖3。

圖3 試驗(yàn)觀察檔線路Fig.3 The sag for the small-scale test line and monitoring equipments

試驗(yàn)導(dǎo)線上安裝的模擬冰選用起舞風(fēng)速較低、危害較嚴(yán)重的D型冰，其等值覆冰厚度為15 mm。

試驗(yàn)線路上安裝在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以持續(xù)監(jiān)測(cè)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境風(fēng)速和導(dǎo)線張力。試驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)線的舞動(dòng)幅值，主要利用標(biāo)尺人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得，見圖2。

表1為兩次導(dǎo)線舞動(dòng)幅值的測(cè)量結(jié)果和對(duì)應(yīng)導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力分量的相對(duì)值（相對(duì)于靜態(tài)張力的倍數(shù)）。由表可見，兩種導(dǎo)線的舞動(dòng)幅值與導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力之間均存在正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)舞動(dòng)幅值變大時(shí)，導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)張力也變大。這與已有研究成果一致[13]?；谠撎卣鳎紤]到導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)張力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較完整，后文對(duì)舞動(dòng)特征的分析以動(dòng)態(tài)張力分析為主。

表1 試驗(yàn)導(dǎo)線的舞動(dòng)幅值和舞動(dòng)張力Table 1 The galloping amplitude and maximum tension of the test lines

下面以舞動(dòng)事件為例，對(duì)比兩種導(dǎo)線的舞動(dòng)特征。圖4為某次舞動(dòng)過(guò)程中的垂直導(dǎo)線方向的等效風(fēng)速和舞動(dòng)引起的導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力分量（相對(duì)導(dǎo)線靜態(tài)張力的倍數(shù)）的變化曲線。由圖可知，在相同覆冰和風(fēng)速條件下，碳纖維導(dǎo)線舞動(dòng)引起動(dòng)態(tài)張力分量較小，特別是在風(fēng)速小于9 m/s時(shí)，碳纖維導(dǎo)線舞動(dòng)引起動(dòng)態(tài)張力分量顯著小于普通導(dǎo)線。

圖4 導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力幅值的變化Fig.4 The tension amplitude of galloping line

表2為兩種導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)張力的頻率分析結(jié)果。由表可知，即使使用張力相同，兩種導(dǎo)線特性的差異依然會(huì)造成舞動(dòng)特性的顯著差別。

表2 頻率參數(shù)對(duì)比Table 2 Performance comparison between ACCC and ordinary wire

為了更直觀地反映導(dǎo)線舞動(dòng)與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系，將導(dǎo)線舞動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)張力進(jìn)行離散化處理：以1 min為時(shí)間段，得到了不同平均風(fēng)速（1 min平均風(fēng)速）下兩種導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)張力分量幅值的變化規(guī)律，見圖5。從圖中可知：相同的平均風(fēng)速下，導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力的幅值并不穩(wěn)定，具有一定的波動(dòng)性。其原因主要是不同時(shí)間間隔內(nèi)，自然風(fēng)的風(fēng)譜特征不同。

圖5 導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力與風(fēng)速的關(guān)系Fig.5 The relationship between the tension amplitude of galloping line and the wind velocity

為消除風(fēng)譜特征的影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，得到兩種導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)張力幅值隨平均風(fēng)速變化的曲線，見圖5，可知：當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，碳纖維導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)張力比普通導(dǎo)線小；隨著風(fēng)速的增大，碳纖維導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力的增大比普通導(dǎo)線快；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)12 m/s時(shí)碳纖維導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)張力大于普通導(dǎo)線。這一特征可能會(huì)使懸掛碳纖維導(dǎo)線的桿塔承受超出預(yù)期的動(dòng)態(tài)荷載，必須重視。

另外，由于導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)張力和舞動(dòng)幅值具有相關(guān)關(guān)系[13]，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，碳纖維導(dǎo)線的舞動(dòng)幅值也可能會(huì)超出預(yù)期。因此，對(duì)于在運(yùn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線也應(yīng)重視其舞動(dòng)的可能性，應(yīng)當(dāng)重視在運(yùn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的防舞動(dòng)工作，及時(shí)安裝防舞裝置并校驗(yàn)舞動(dòng)后動(dòng)態(tài)張力對(duì)桿塔承載的影響。

3 導(dǎo)線和金具的舞動(dòng)受損特征

線路舞動(dòng)會(huì)加劇導(dǎo)線受彎，特別是懸垂線夾出口處的導(dǎo)線尤為嚴(yán)重。一般認(rèn)為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（特別是芯棒）抗彎能力較差[14-16]，長(zhǎng)時(shí)間舞動(dòng)可能會(huì)引起導(dǎo)線受損。本文利用導(dǎo)線舞動(dòng)模擬試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)?zāi)M了懸垂線夾處導(dǎo)線長(zhǎng)時(shí)間舞動(dòng)受彎，見圖6。

圖6 試驗(yàn)機(jī)Fig.6 The testing machine

試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)10%RST、50萬(wàn)次舞動(dòng)試驗(yàn)后，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線可能會(huì)發(fā)生舞動(dòng)疲勞斷股。預(yù)絞絲式金具可以保護(hù)導(dǎo)線本體，降低受損概率，但是惡劣工況下依然會(huì)發(fā)生導(dǎo)線斷股，見圖7。金具在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間舞動(dòng)后也容易受損，見圖8。

圖7 導(dǎo)線斷股Fig.7 Cable lay break

圖8 懸垂線夾金具磨損Fig.8 Wear of suspension clamp

因此，對(duì)于安裝碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的運(yùn)行線路，宜在有效利用預(yù)絞絲式金具的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)檢修維護(hù)，特別應(yīng)重視冬季舞動(dòng)后導(dǎo)線線夾部位的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。

4 結(jié)論

針對(duì)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的舞動(dòng)特性及受損問(wèn)題，利用試驗(yàn)觀測(cè)檔線路和導(dǎo)線舞動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)，開展了一系列試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

1）由于導(dǎo)線自身參數(shù)的差異，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的舞動(dòng)特征與普通鋼芯鋁絞線有明顯的區(qū)別。與普通鋼芯鋁絞線相比，在低風(fēng)速時(shí)，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線舞動(dòng)的動(dòng)態(tài)張力較?。划?dāng)高風(fēng)速時(shí)，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線舞動(dòng)的動(dòng)態(tài)張力較大。

2）由于高風(fēng)速時(shí)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的舞動(dòng)幅值和動(dòng)態(tài)張力可能被低估，因此，應(yīng)當(dāng)重視在運(yùn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的防舞動(dòng)工作，及時(shí)安裝防舞裝置并校驗(yàn)舞動(dòng)后動(dòng)態(tài)張力對(duì)桿塔承載的影響。

3）舞動(dòng)條件下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線會(huì)發(fā)生受損，如導(dǎo)線單絲斷股、金具磨損等。對(duì)于安裝碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的運(yùn)行線路，宜加強(qiáng)檢修維護(hù)，特別應(yīng)重視冬季舞動(dòng)后導(dǎo)線線夾部位的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。