架空导线碳纤维复合芯棒径向耐压试验及仿真.pdf

基金项目: 国家电网公司科技项目资助(大截面碳纤维导线施工技术 及机具研究)(GC71-17-007)。 Foundation item: Supported by the Scientific and Technological Project of State Grid Corporation of China (Research on Construction Technlogy and Construction Machines of Large Section Carbon Fiber Conductor) (GC71-17-007). 文章编号: 1674-0629(2018)01-0021-06 中图分类号: TM244 2 文献标志码: A DOI: 10 13648/ j cnki issn1674-0629 2018 01 004 架空导线碳纤维复合芯棒径向耐压试验及仿真 万建成, 刘晨, 江明, 杨磊, 郝玉靖 (中国电力科学研究院有限公司, 北京 100055) 摘要: 碳纤维复合芯导线芯棒轴向抗拉能力强, 径向抗剪切性能、 抗压性能、 抗劈裂能力较弱, 在线路施工如压接、 卡线器夹持过程中导线易出现径向耐压失效现象, 在输电线路施工、 安全运行等方面存在安全隐患, 目前针对芯棒径 向耐压应力相关研究较少。 对不同直径碳纤维复合芯导线芯棒进行了径向耐压试验, 获得不同直径芯棒试件径向耐压 试验失效压力。 利用 ABAQUS 软件建立芯棒径向耐压仿真模型, 根据芯棒径向耐压试验失效压力数据, 在有限元模 型中对压块加载竖直径向力, 通过有限元软件的数值计算, 得到了不同直径芯棒破坏失效应力。 研究结果表明碳纤维 复合芯导线芯棒径向耐压失效情形是其最外层玻璃纤维层被压扁造成芯棒试件整体劈裂, 不同直径碳纤维复合芯导线 芯棒径向耐压许用应力随芯棒直径增大而增大。 研究结果可为输电线路碳纤维导线用施工机具设计及施工工艺应用提 供参考依据。 关键词: 架空输电线路导线; 碳纤维复合芯棒; 径向耐压试验 Radial Pressure Test and Simulation on Carbon Fiber Composite Core for Overhead Conductor WAN Jiancheng, LIU Chen, JIANG Ming, YANG Lei, HAO Yujing (China Electric Power Research Institute, Beijing 100055, China) Abstract: Carbon fiber composite core has a strong axial tensile capacity, while the properties of radial shear resistance, compressive capacity and splitting resistance are weak. In the process of line construction, such as wire crimping and conductor clamping by grip jaw, radial pressure failure is easy to occur, which may cause security risks in transmission line construction and safe operation. At present, there is little research on the radial pressure of carbon fiber composite core. The radial pressure tests of carbon fiber composite core of different diameters are carried out to get the failure pressure of carbon fiber composite core test samples. With ABAQUS software the radial pressure simulation model is established. According to the failure pressure data of carbon fiber composite core in the radial pressure test, the vertical radial force is applied to the pressure block. The radial pressure maximum value of carbon fiber composite core of different diameter is obtained by numerical calculation of finite element software. The results show that the situation of failure of carbon fiber composite core is the outermost glass fiber layer flattened causing the test sample to split integrally. The radial compressive allowable stress of carbon fiber composite core with different diameters increases with the increase of the diameter. The research results provide a reference for the design and application of construction machines and tools for carbon fiber composite core of transmission line. Key words: overhead transmission line conductor; carbon fiber composite core; radial pressure test 0 引言 碳纤维复合芯导线是一种新型的架空输电线路 用导线, 具有抗拉强度大、 质量轻、 耐酸、 耐碱, 无电化学腐蚀、 工作温度高、 高温弧垂小等优 点1 4。 从结构形式来看, 该导线由碳纤维复合芯 棒和外层铝型线构成。 碳纤维芯棒(以下简称复合 芯棒)由树脂玻璃纤维及碳纤维通过复合工艺制成, 复合芯棒的轴向抗拉能力很强, 但是芯棒径向抗剪 切、 抗压性能、 抗劈裂能力较弱5 8。 在架空输电 导线放线施工过程中, 如压接、 卡线器夹持过程中 导线易产生径向耐压失效现象, 严重的当场断裂, 较轻的在运行过程中发生断裂, 存在安全隐患。 碳纤维复合芯导线试验检测包含复合芯棒、 软 第 12 卷 第 1 期南方电网技术Vol 12, No 1 2018 年 1 月SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGYJan 2018 万方数据 铝型线及绞线 3 个方面, 以往针对碳纤维复合芯棒 径向耐压失效判据的相关研究较少。 GB/ T 29324 2012 架空导线用纤维增强树脂基复合材料芯棒9 中径向耐压性能仅规定符合芯棒应承受不小于 30 kN 的压力, 未对不同直径芯棒径向耐压压力值进 行规定。 Q/ GDW 108512016 碳纤维复合材料芯 架空导线10中删掉了考核芯棒径向耐压压力值的 规定。 目前对于碳纤维复合芯棒径向耐压性能考核 指标缺乏合理的参考标准。 在紧线或临锚的施工过程中, 卡线器通过上、 下夹嘴夹持碳纤维导线, 夹嘴靠与导线间的摩擦力 产生对导线的握着力, 此时导线承受较大的径向压 力。 若从提高导线的压应力以缩短夹嘴长度入手优 化卡线器结构, 可使卡线器更为轻便, 便于施 工11 13。 导线压接机压接模具的长度和内径与压 接机对导线的压强、 芯棒径向耐压应力有直接关 系, 某工程耐张线夹压接过程中, 铝衬管压接处碳 芯局部变形产生断裂, 发生断线事故。 分析事故有 两种原因, 一是压模内径过小, 二是此导线采用 6 mm 碳纤维复合芯棒, 芯棒试件径向耐压试验失 效压力在 19 28 kN 区间内分布不均, 根据现有标 准 GB/ T 29324 则芯棒不合格。 由于没有不同直径 芯棒考核芯棒径向耐压标准失败效压力判据, 该事 故断线原因无法判断, 因此需对碳纤维复合芯棒的 径向耐压能力进行研究。 故本文采取芯棒径向耐压 试验确定碳纤维复合芯导线芯棒失效压力, 采用有 限元仿真方法获取芯棒径向耐压应力。 所得研究成 果, 可作为验证芯棒径向耐压的判据, 可为输电线 路碳纤维导线用施工机具设计及施工工艺应用提供 参考依据。 1 芯棒径向耐压试验 1 1 试验原理 选取 4 种型号规格不同碳纤维复合芯导线作为 研究对象, 技术参数如表 1 所示。 芯棒直径分别为 6 mm、 8 mm、 9 5 mm、 11 mm。 碳纤维复合芯棒 径向耐压试验原理如图 1 所示。 芯棒试件数量为 5 根, 每根试件长度为 150 mm。 上部用于加载的压 块长度为 100 mm。 试验时, 将复合芯棒试件水平 放置于试验台并保持与压块对中, 压块由上至下逐 步施压, 加载过程采取时间位移加载方式, 压块 以 2 mm/ min 进行持续加载, 直至芯棒材料失效, 将试验机卸载并保存试验数据。 1 2 试验结果 试验中压块载荷持续增加, 最终芯棒瞬时发生 失效。 芯棒失效形式为其最外层玻璃纤维层被压扁 造成芯棒试件整体劈裂, 玻璃纤维层发生失效, 以 玻璃纤维层失效压力作为芯棒破坏失效压力值。 失 效破坏位置由与压块接触部分延伸至芯棒试件两 端。 芯棒试件试验前后对比如图 2 所示, 芯棒失效 细节如图 3 所示。 不同直径芯棒试件径向耐压试验 失效压力值如表 2 所示。 表 1 碳纤维复合芯导线技术参数 Tab 1 Technical parameters of carbon fiber composite core 参数 JLZ2X1/ F2A- 1660/95 JLRX1/ F1A- 710/70 JLRX1/ F1A- 450/50 JLRX1/ F1A- 240/30 导线 外径/ mm 49 232 826 217 4 芯棒 直径/ mm 11 09 58 06 0 玻璃纤维层 厚度/ mm 0 980 740 720 80 图 1 芯棒径向耐压试验原理 Fig 1 Principle of radial pressure test of carbon fiber composite core 图 2 芯棒试件试验前后对比图 Fig 2 Comparison of carbon fiber composite core test samples before and after test 图 3 芯棒试件失效细节 Fig 3 Failure details of carbon fiber composite core test samples 22南方电网技术第 12 卷 万方数据 表 2 芯棒试件径向耐压试验失效压力 Tab 2 Failure pressure of carbon fiber composite core test samples 芯棒直 径/ mm 失效载荷/ kN 试件 1试件 2试件 3试件 4试件 5 最小值 625 127 925 726 125 225 1 837 337 538 037 638 137 3 9 544 743 243 945