第-4-章--碳纤维复合芯导线机械性能试验

第第 4 4 章章 碳纤维复合芯导线机械性能试验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 5 kN 保持 20min 然后加热至 120 到 120 后将导线张力提高至 60 kN 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 24 1 2 碳纤维复合芯铝合金绞线高温拉力试验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 3 ACCC 拉断力试验 4 1 34 1 3 碳纤维复合芯铝合金绞线热膨胀试验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 2 ACCC 温度 弧垂试验 4 1 44 1 4 碳纤维复合芯铝合金绞线微风振动疲劳试验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 w f 4 1 w v f d 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 w f c f 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 20 24 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 1 c T f m 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 sin 2 sin2yAxft 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 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 sin21ft 20 2020 20 20 20 2020 A R l Rm Ll 2 ln 0 3 30 3 1 U E H r r Em r 此时驻波函数可以简化为 4 5 sin 2 sin2yAxft 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 0 2 tan x y xA 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 iii DnN 式中 循环比 i D 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 i n ai 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 i N 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 1 ii nN 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 ii nN 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 ai i N 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 max b d m EI fY 其中 线夹出口动弯应变 峰 峰值 max 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 b Y 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 max 一层铝股 4 9 0 2007 max 0 1687 max 730 2 10 430 2 10 NN NN 多层铝股 4 10 0 2007 max 0 1687 max 450 2 10 263 2 10 NN NN 图 4 6 N 多层铝股安全曲线图 4 1 4 24 1 4 2 碳纤维复合芯铝合金绞线振动方案的确定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 40 Hz 下振动 并控制试验的振动角 25 30 当振动 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 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 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 34 1 4 3 碳纤维复合芯铝合金绞线振动试验参数分析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 次无断股 2 号碳 纤维复合芯导线振动 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 9 ACCC 300 50 规格的碳纤维复合芯导线 4 11 ai lg 263 0 168 i N 10 所以 6 i N 10 7 10 所以 70 10 76 54 i i n N 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 因此利用该数据就可以更为合理对碳纤维复合芯导线寿命进行更为精确 的评估 当然对导线进行疲劳寿命的评估必须结合现场测振的数据 现场测振 数据的周期一般为 14 天 因为这样在这样的周期内才可以捕捉到各种频率的 微风振动 当然也有日本的科学家指出 14 天是一个很不准确的数字 更为精 确的要测振 16 天 而且要分冬季和夏季来分别进行测振 然后根据这种情况 在进行对碳纤维复合芯导线的实际使用寿命进行更为准确的评估 由于我国的 发展水平限制 碳纤维复合芯导线在我国还没有得到有效的推广 更不用说要 得到现场测振数据了 所以这个试验也仅仅是对碳纤维复合芯导线的疲劳曲线 更为精确话 提供一个更为合理的标准 4 1 54 1 5 碳纤维复合芯铝合金绞线棒材试验碳纤维复合芯铝合金绞线棒材试验 1 复合芯抗弯性能与抗压性能是针对导线芯杆的测试项目 碳纤维复合 芯的型号为 ACCC LH 300 50 将碳纤维复合芯杆放于三点弯曲的夹具上 然后 设定压计算压力值进行压弯试验 然后再逐渐加大压力值 直到芯杆有断裂 读出试验机上的数字即可 2 更换夹具 将做碳纤维复合芯导线芯杆压扁的试验放于平盘上 然后 利用试验机先预加载一个数值将芯杆压紧 然后逐渐加大压力值直到芯杆压扁 读出此时的数值 图 4 10 复合芯抗弯试验 图 4 11 复合芯抗压试验 试验结果为 复合芯最大弯曲负荷为 4 7kN 复合芯最大抗压负荷为 34 7kN 相对于常规的钢芯铝绞线的钢芯 碳纤维复合芯属于脆性材料 当施加的压 力过大时 复合芯存在碎裂的危险 特别是以压接式接续金具替代目前碳纤维 导线所用的楔接式金具时 更应该注意复合芯的特点进行测定 3 复合芯卷绕试验 复合芯卷绕试验是针对碳纤维复合芯导线提出的检测项目 卷绕圆的直径 越小 越不易折断 可施工性越好 研发单位所做 ACCC LH 300 50 复合芯 直 径 9 mm 卷绕圆的直径达到 55mm ACCC LH 和 LR 240 35 复合芯 7 5 mm 卷 绕圆的直径达到 40mm 这完全满足现场施工需要 对于直径 9 mm 的复合芯 破断力已可达到 150kN 能满足一般超高压 特高压线路的应用需求 更大破 断力的复合芯将通过其它方式获得 不再采用单芯形式 以免复合芯卷绕性能 下降过大 图 4 12 复合芯卷绕试验 4 1 64 1 6 碳纤维复合芯导线过滑轮试验碳纤维复合芯导线过滑轮试验 试品为铝合金股碳纤维复合芯导线 ACCC LH 300 50 复合芯直径为 9mm 滑车为高强度尼龙轮滑车 1 试验采用 660 滑车 导线通过滑车的包络角为 32 度 导线试品大于 10m 导线张力 10kN 导线在滑车上往返 20 次 即通过 40 次 铝股未发现 明显破坏 将铝股剥开检查复合芯 芯杆无断裂 无损伤 此外 导线铝股与 复合芯之间无明显位移 即无明显缩芯现象 2 试验采用 660 滑车 导线通过滑车的包络角为 32 度 导线试品大于 10m 导线张力 15kN 导线在滑车上往返 12 次 即通过 24 次 时导线有断裂 声 铝股未发现明显破坏 将铝股剥开检查复合芯 芯杆有断裂点 3 试验采用 822 滑车 导线通过滑车的包络角为 45 度 导线试品大于 10m 导线张力 15kN 导线在滑车上往返 30 次 即通过 60 次 铝股未发现 明显破坏 将铝股剥开检查复合芯 芯杆无断裂 无损伤 此外 导线铝股与 复合芯之间无明显位移 即无明显缩芯现象 4 试验采用 822 滑车 导线通过滑车的包络角为 45 度 导线试品大于 10m 导线张力 20kN 导线在滑车上往返 24 次 即通过 48 次 时导线有断裂 声 铝股未发现明显破坏 将铝股剥开检查复合芯 芯杆有断裂点 综上所述 对于复合芯直径为 9mm 的碳纤维复合芯导线 包括铝合金股导 线 ACCC LH 30