第4章碳纤维复合芯导线机械性能试验.docx

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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5kN，保持20min；然后加热至120℃，到120℃后将导线张力提高至60kN；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4-3ACCC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4-2ACCC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

与风速v和导线的直径d有关。

根据试验可按下式计算：

（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

和相近在

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”

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：

（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。

（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：

此时驻波函数可以简化为：

（4-5）

此时可对y求导，可得到振动角度与波幅振幅的关系为：

（4-6）

图4-5架空导线的疲劳振动角

因此控制波幅振幅，就可以控制振动在所要求的角度内。

但是导线的疲劳振动试验发展到七十年代的时候出现的累积损伤疲劳理论逐渐代替了简单的振动角度理论。

接下来，我们简单介绍下累积疲劳损伤理论。

4.1.4.1.2导线累积损伤理论

近年来架空输电线路的微风振动一直颇受人们的关注，由于它是线路事故的主要原因之一，需及时测量并评估线路的振动状态，这对于掌握线路的运行状态、预防疲劳断股事故具有积极作用。

此外，对于其进行深入的研究就显得非常必要。

架空导线往往能够承受较大的静态力，但在较小的交变应力下却很容易受到破坏。

疲劳振动试验就是模拟架空导线运行中承受的微风振动，以考察导线承受这种交变应力的能力。

近年来，Miner累积损伤理论及Wohler安全曲线得到越来越多的国际关注，因为这个比之前的简单的以振动角来评判导线的受交变应力的能力更为精确，更为切合实际。

这是因为导线动弯应力（应变）是判断振动强度的是最直接的指标，而他与导线的结构、材质、铝股和碳纤维复合芯的比例，悬点高度以及张力等因素都有关联,而振动角的试验方法不能直接表征导线在线夹出口处的动弯应力（应变）,所以这个试验方法越来越遭到国际学术届的弃用。

鉴于这种情况,国际上普遍采用累积损伤理论,来估算架空导线的疲劳寿命。

“累积损伤”常常

用来描述在周期性载荷重复作用下结构元件的逐步损伤。

假设损伤函数为D，其值由0增至1时，在此期间，结构元件的全部使用寿命将消耗殆尽。

D函数与金属受到周期性载荷作用出现应变时的内部复杂变化有关。

在经过载荷系列作用以后,可根据函数D对结构元件的剩余使用寿命的百分数作出估计。

就理论本身及其需要的试验数据而论，对于任何一种累计损伤理论,Miner假说都是最简单和最容易被采用的。

它属于所谓“与应力级无关”和“无互相作用”的类型。

它认为损伤函数D是线性的,并可用以下方程表示：

式中

——循环比；

——作用于运行导线的或在试验室模拟试验中对导线施加规定的应力级

下的循环次数；

——在S-N曲线（振动应力与振动疲劳次数关系曲线）相应应力下的循环次数。

按照Miner假说,在下列情况下,损伤必然产生

“与应力级无关”意味着不管应力分量的大小如何,损伤表达式

总是符合规律的。

“无互相作用”意味着假定各种应力分量作用的顺序是无关紧要的。

张紧导线在交变应力

的作用下与耐振次数

存在着Wohler给出的曲线关系（见图）,此曲线是很保守的。

在无导线疲劳试验数据时,可用它来估算导线的疲劳寿命,但它的保守程度太大。

但是用实测导线的疲劳数据来估算线路导线的疲劳寿命是合理的,这是因为波幅振幅与线夹出口出导线的应变有如下的关系：

其中

：

线夹出口动弯应变（峰-峰值）；

d：

导线最外层线股直径；

m：

到按下单位长度质量；

EI：

导线动弯刚度；

：

导线波幅振幅（峰-峰值）。

因此可以通过控制波幅振幅来推算线夹出口处导线的应变，从而根据导线的应变推算出导线的应力，利用Wohler安全曲线可得到一个更为合理的安全曲线图用于导线的防振研究。

也正是由于波幅振幅和线夹出口出的导线有这样的对应关系，所以只需设定一定的振幅来对导线进行激振，就可以提出比Wohler安全曲线更为适合某种规格导线的安全曲线。

Wohler利用累计损伤理论及各种导线的疲劳验结果，提供了导线表面最大动弯应力

与振动次数N关系的安全范围曲线，即Wohler安全边界曲线，其表达式如下：

一层铝股：

（4-9）

多层铝股：

（4-10）

图4-6

-N多层铝股安全曲线图

4.1.4.2碳纤维复合芯铝合金绞线振动方案的确定

导线以25%RTS张力架设，一端悬垂，一端固定。

振动台在导线某个共振频率（一般取20～40Hz）下振动，并控制试验的振动角25′～30′，当振动30000000次后，打开悬垂线夹。

观察悬垂线夹处导线是否发生断股。

大多数研究导线的振动都是以单根导线为研究对象，我们这次试验主要是以4根相同型号的碳纤维复合芯导线来一起振动，因此可以利用有限的时间做出更好多试验效果，试验的过程大致是：

将4根导线编号为1，2，3，4.

（1）将激振台的激振幅度调为0.5mm，激振频率为39Hz，此时导线与激振器发生谐振，然后先振30000000次。

（2）取下其中的编号为1的碳纤维复合芯导线，换上新的同型号的碳纤维复合芯导线5继续振动，再振动30000000次，取下编号为2的导线继续振动。

（3）继续振动直到编号为3，4的导线有断股为止。

记下此时的断股时候的导线的振动次数。

图4-7碳纤维复合芯导线的振动试验

图4-8激振设置

4.1.4.3碳纤维复合芯铝合金绞线振动试验参数分析

通过振幅来利用理论知识计算出线夹出口出的应变，然后利用应变再根据碳纤维复合芯导线的弹性模量推算出线夹出口的应力，该点是应力集中的地方，疲劳断股往往先从这里发生。

但是导线的振动角不便于测量和控制，试验中一般测量导线振动的波幅振幅，并换算到振动角。

从而利用振幅也可以将导线的振动控制在标准要求的范围内。

由测振仪测得导线在该39Hz,0.5mm激振器下振动的波幅为0.72mm，有公式（4-8）可得此时碳纤维复合芯导线的应变，1号导线振动30000000次无断股，2号碳纤维复合芯导线振动60000000次无断股，3，4号导线振动7200多万次有断股。

由于碳纤维复合芯导线240为多层铝股，所以应用公式（4-10）可以得出铝股的耐振次数如公式（4-11）所计算的。

图4-9ACCC-300/50规格的碳纤维复合芯导线

（4-11）

所以

所以，

这个结果的意义在于利用疲劳振动试验数据可以将安全曲线放大到6.5倍左右，因此利用