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碳纤维复合芯导线舞动性能研究

更新时间:2009-03-28

0 引言

我国是世界上输电线路舞动最为严重的国家之一,形成了南到湖南、北到黑龙江广阔的舞动带。导线舞动易引发鞭击、烧伤、断股、断线、金具严重磨损、断裂、脱落、绝缘子钢脚断裂、杆塔倾倒、线路跳闸等现象,导致大面积停电等严重事故,给社会带来重大的经济损失。国内部分高校和研究机构对导线的舞动特性及抑舞措施开展了较为全面的研究[1-3]。研究多集中于钢芯铝绞线(Aluminum Conductor Steel Reinforced,ACSR)舞动机理、舞动特性、抑舞措施等方面,但钢芯铝绞线限于自身材质特性,近年来呈现出舞动区域越来越广、强舞现象越来越频繁的局面[4,5]

碳纤维复合芯材料导线(Aluminum Conductor Composite Core,ACCC)凭借其耐高温、单位载流量大、弧垂小等优势,能有效满足输变电领域节能、安全、环保和经济性的更高要求,符合国家电网公司推动“两型三新”线路建设的精神,在特定新建线路或老旧线路的改造上呈现出明显的经济价值和社会效益[6,7]。目前,国内外针对碳纤维复合芯导线的舞动性能研究工作较少。此外,自然条件下的舞动试验,受天气条件制约大,时效性差。本文对比研究了单重和张力对钢芯铝绞线和碳纤维复合芯导线舞动幅值的影响,选用单档单导线建立舞动模型对工况下碳纤维复合芯导线的舞动形态进行研究。并通过自制碳纤维复合芯导线舞动模拟试验平台,在不受自然条件约束的情况下实现对导线舞动的模拟,研究舞动张力和舞动次数对碳纤维复合芯导线性能的影响。

雨水是膨胀土边坡中主要的水分来源,降雨强度也将直接影响边坡的安全系数。为研究降雨强度对膨胀土边坡稳定性的影响,分别设置了10 mm/d、30 mm/d、50 mm/d、70 mm/d和90 mm/d五组降雨强度,降雨时长为3 d,裂隙深度取1 m,计算裂隙分别在坡顶、坡中时膨胀土安全系数的变化趋势,计算结果如图7所示。

1 试验

1.1 实验材料

试验选用碳纤维复合芯导线和钢芯铝绞线两种导线,其规格及常规参数如下表1:

 

表1 导线基本参数表

  

导线类型导线型号绞线直径(mm)单位长度质量(kg/m)额定拉断力(N)钢芯铝绞线LGJ-300/4023.901.131092360LGJ-400/3526.801.3475103670LGJ-630/4533.602.0576148890碳纤维复合芯导线JLRX/F1A-300/5023.960.9185129560JLRX/F1A-400/4526.821.1597117790JLRX/F1A-630/5533.701.8249159070

1.2 实验设备及方法

1.2.1 拉力试验机

WDW-E2000微机控制电子式万能试验机。

1.2.2 导线舞动试验模拟平台

式中:α——导线舞动单峰值,m;

  

图1 舞动试验平台示意图

2 结果与讨论

2.1 导线单重及张力对舞动幅值对比研究

选取等外径的钢芯铝绞线(LGJ-300/40、LGJ-400/35以及LGJ-630/45)和碳纤维复合芯导线(JLRX/F1A-300/50、JLRX/F1A-400/45、JLRX/F1A-630/55)。

建设绿色矿山、发展绿色矿业是矿业行业当前的必然选择和唯一选择,是矿业行业落实新发展理念的具体行动。建设绿色矿山,大力发展循环经济,协调矿山资源环境之间的关系,是树立起良好形象、实现转型升级的重要方式。

根据《国家电网公司新建输电线路防舞设计要求》(国家电网基建[2010]755号),舞动工况下导线的振幅估算公式为:

 

(1)

导线舞动模拟试验平台可以对一定长度(80m)的单导线施加一定的预紧力。预紧力大小通常为导线额定拉伸强度(Rated Tensile Strength,RTS)的1%~30%,即1%~30%RTS。导线在预紧力作用下拉直绷紧后,在导线剪切方向施加有规律的(频率由小到大)较小作用力使导线“舞动”,从而模拟自然风激励下导线舞动引起的张力大幅频变状态,最终研究大幅频的张力变化对导线寿命的影响。试验平台示意图如图1所示:

电熔管件产品尺寸不仅要满足澳新标准的要求,其同种规格产品的承口内径、承口不圆度、承插深度和管件壁厚的一致性也是衡量其品质的一个重要指标。对于电熔承插管件的生产一般情况是采取注塑成型,特别注意的是,缠绕电阻丝的内模厚度及电阻丝排列间距必须均匀,如果两者不均匀,在焊接时内部发热不均匀,将会导致在一个管件上的焊接质量不一致。另外,在管件限位环及承插口处的冷区长度一定要满足规范要求,它的作用主要是冷却焊接时熔融的塑料,不让焊接区域的熔融塑料在压力的情况下外溢,从而可以保证焊接区域无气孔产生。

ν——导线形心风速,m/s;

抚州历史文化底蕴深厚,散布在各地的古村落,是反映临川文化的载体。这些古村落建筑群以其建筑规模、建筑艺术、文化内涵,向世人展现了抚州古代传统文化,成为弥足珍贵的遗产。抚州乐安县流坑村以规模宏大的传统建筑、风格独特的村落布局而闻名,具有丰富的研究价值,被誉为“千古第一村”,是全国重点文物保护单位和全国首批历史文化名村。流坑古村的保护工作仍处于非常初级的阶段,面临着诸多问题及威胁。

η——舞动的气象系数,一般取0.15;

n——半波数,即舞动的阶次;

杨年丰说着,微微向前探过身子,逼视着坐在地上的高河:“年喜说的,跟你讲述的不一样啊。”说着,杨年丰再次用手指点了点床上的两张照片。

l——档距,m;

m——导线单位长度的重量,N/m;

在CB-Sync算法中,将信标节点的本地时间t作为整个网络的参考时间.如图3所示,信标节点以时间间隔tr周期性广播消息,每个广播消息的数据包都会包含从信标节点发送出去的时间t2n-1.当普通接收节点收到广播消息后,会记录下接收到该消息的本地时间T2n.显然,节点的本地时间T2n与相对于信标节点的逻辑时间t2n的关系可表示为T2n=θt2n+β.

T——导线的张力,N。

由式(1)可以看出,在某个特定的工况下,风速、档距以及夹角、半波数等参数均为常数,式(1)可以简化为下式。

假定最优工资设定之后,耐用品部门与非耐用品部门的工资调整直至k个时期之后才开始重新设定工资,这意味着与的有效期为k。定义与分别表示最优工资与有效期内t+k期的就业,与Justiniano et al.[6]类似,与灵活名义工资调整下的就业的关系满足:

 

(2)

K为一个与环境风速、导线档距、气动力参数有关的常数。由此可见,特定工况下,导线的舞动幅值仅与导线单位长度质量的重量和线路运行张力有关,即与m1/2成正比,与T1/2成反比。

β——风向与导线轴线的夹角;

碳纤维复合芯导线作为一种新型导线,由于使用经验不足和理论数据缺乏等原因,其运行张力与应用线路类型有关[8,9]。通常情况下,碳纤维复合芯导线用在老旧线路改造中时,为有效保护走廊资源,节约投资成本,采取“换线不换塔”的方式,导线的运行张力为同截面钢芯铝绞线额定拉断力的25%(25% RTSACSR)。而应用在新建线路中时,为充分发挥碳纤维复合芯导线的性能,运行张力为其自身额定拉断力的25%(25% RTSACCC)[10,11]。图2是钢芯铝绞线和碳纤维复合芯导线应用在老旧线路改造和新建线路中导线的舞动振幅图(注:风速为5m/s)。

  

图2 导线舞动幅值

从上图2(a)和图2(b)可以看出,导线应用于老旧线路改造时,同截面积不同类型的导线采用相同的运行张力,当选取档距为300m和700m时,碳纤维复合芯导线舞动幅值的算术平均值较钢芯铝绞线分别小0.26m和0.69m。由式1分析这种差异主要是由两种导线单位长度重量不同引起的。图2(c)和图2(d)则表明,当两种导线应用在新建线路中时,运行张力均为其额定拉伸强度的25%(25%RTS)时,选取档距为300m和700m,碳纤维复合芯导线舞动幅值比钢芯铝绞线分别降低了0.79m和2.34m,下降比例为17.95%和22.98%。综上所述,碳纤维复合芯导线应用在老旧线路改造中具有一定的抑舞效果,而应用在新建大跨越线路中时其抑舞效果更为显著。

2.2 导线舞动工况模拟

利用ABAQUS软件对单档单导线建立舞动模型,档距选择300m,模型偏心覆冰形状为新月形,偏心覆冰厚度为8mm,初始风攻角为15°,风速为7m/s,导线初始张力均为等外径钢芯铝绞线额定拉断力的25%。三种不同截面的钢芯铝绞线和碳纤维复合芯导线建立单档单导线舞动模型,其舞动轨迹如图3所示。

由上图3可以看出,模拟出的导线舞动形态为一阶,主要以垂直振幅为主。取导线舞动幅值最大点作为参考值,其最大振动振幅如下表2。结合图3和表2可以看出,碳纤维复合芯导线的舞动振幅明显小于钢芯铝绞线,且幅值的算术平均值比钢芯铝绞线小0.23m,与上节的计算结果有很好的吻合性。

  

图3 导线舞动轨迹图

 

表2 导线最大舞动幅值对照表

  

导线种类导线型号垂直振幅钢芯铝绞线LGJ-300/406.13LGJ-400/357.59LGJ-630/458.01碳纤维复合芯导线JLRX/F1A-300/505.85JLRX/F1A-400/457.35JLRX/F1A-630/557.82

2.3 碳纤维复合芯导线舞动疲劳性能研究

试验在图1所示的平台上进行,模拟碳纤维复合芯导线在工程条件下的挂线方式,试验导线JLRX/F1A-300/50,试验档距80m,安装单档分布试验。

试验结果如表3所示。试验发现,碳纤维复合芯导线在25%RTS张力强度下舞动,随着舞动次数的增加,安装预绞丝的线夹位置导线铝层容易出现疲劳损伤,出现划痕,如图4(a)所示。当舞动次数达到90万次时,安装预绞丝位置导线的铝线全部断股,如图4(b)所示。此外,碳纤维复合芯导线在完成连续舞动100万次后,取碳纤维复合芯测其拉伸强度为2232MPa(初始值2447MPa),强度保持率>90%。

在科研经费的使用过程中应加强高校的审计部门的监督,充分发挥高校审计部门的内部审计和监督作用。审计部门要从政策相符性、目标相关性、经济合理性的角度对科研经费从立项到结题的全过程进行科学、客观的管理监督和评价[7],对科研经费的使用提出建设性的意见或建议。科研部门、财务部门、审计部门共同探讨制定出适合高校科研经费特点的绩效考评办法,建立评价指标体系,对科研绩效进行客观的评价[8]。符合条件的科研成果应纳入统一的开放共享平台,实施绩效评价的机构应是专业的第三方机构,负责绩效评价的专家应坚持立项评审和绩效评价专家相分离的原则,同时实施回避制度,真正构建起科技财政投入的硬性约束机制[9]。

 

表3 碳纤维复合芯导线舞动疲劳试验结果

  

舞动次数(万次)碳纤维复合芯导线表观现象0外观良好10外观良好20外观良好

 

续表

  

舞动次数(万次)碳纤维复合芯导线表观现象30外观良好40外观良好50外观良好60安装预绞丝的线夹位置轻微划痕70安装预绞丝的线夹位置划痕明显,如图4(a)80安装预绞丝的线夹位置出现断股90安装预绞丝的线夹位置几乎全部断股,没有安装预绞丝的应力集中点导线铝层开始出现疲劳断股,如图4(b)所示100安装预绞丝的线夹位置全部断股,没有安装预绞丝的应力集中点导线铝层逾半数断股

  

图4 碳纤维复合芯导线疲劳破坏形态

3 小结

(1)在相同工况下,碳纤维复合芯导线舞动振幅小于同截面积的钢芯铝绞线的舞动振幅,其舞动性能比后者优异。

(2)碳纤维复合芯导线应用于新建大跨越线路时,抑舞效果明显。

(3)碳纤维复合芯导线连续舞动80万次,安装预绞丝的线夹位置出现断股。当碳纤维复合芯导线在完成连续舞动100万次后,碳纤维复合芯的拉伸强度保持率>90%,复合芯抗疲劳性能很好。

参考文献

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[6] 何州文,陈新,王秋玲,等.国内碳纤维复合芯导线的研究和应用综述[J].电力建设,2010,31(4):90-94.

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[9] 程晓磊,王乐媛.碳纤维复合芯导线在输电线路增容改造中应用的可行性分析[J].内蒙古电力技术,2012,30(5):65-68.

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阳武,兰逢涛,何州文,白会涛
《高科技纤维与应用》2018年第02期文献
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