基于真型試驗(yàn)線(xiàn)路的碳纖維導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)特性研究

艾文君 張博 宋高麗 劉澤輝

摘 要：碳纖維導(dǎo)線(xiàn)作為一種新型架空輸電導(dǎo)線(xiàn)，因其優(yōu)越的性能，已在電網(wǎng)中大范圍推廣應(yīng)用，但在舞動(dòng)區(qū)應(yīng)用的情況尚未可知。為了研究碳纖維導(dǎo)線(xiàn)的舞動(dòng)特性，本文以型號(hào)為500k JLRX/FIB-400/50的碳纖維導(dǎo)線(xiàn)為樣本，于舞動(dòng)區(qū)的真型試驗(yàn)線(xiàn)路進(jìn)行了為期18個(gè)月的掛網(wǎng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)期間，通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到導(dǎo)線(xiàn)實(shí)時(shí)舞動(dòng)張力數(shù)據(jù)，并據(jù)此對(duì)碳纖維導(dǎo)線(xiàn)的舞動(dòng)形態(tài)特征和張力特征進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：碳纖維導(dǎo)線(xiàn)；真型試驗(yàn)線(xiàn)路；舞動(dòng)形態(tài)特征；張力特征

中圖分類(lèi)號(hào)：TM752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）20-0078-03

Research on the Galloping Characteristic of Aluminum Conductor

Carbon Core based on True Type Test Lines

AI Wenjun1，2 ZHANGH Bo1，2 SONG Gaoli1，2 LIU Zehui1，2

（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450002；2. State Grid Key Laboratory of Power Overhead Transmission Line Galloping Prevention Technique， Zhengzhou Henan 450002）

Abstract： As a new type of overhead transmission line， ACCC（Aluminum Conductor Carbon Core） has been widely applied in the power grid because of its superior performance， but the application in the galloping area is not known. In order to study the galloping characteristics of ACCC， the model of 500k JLRX/FIB-400/50 ACCC was used as a sample， and a 18-month network test was conducted on the true type test line of the dancing area. During the test， the real-time dancing tension data of the wire was obtained through the online monitoring system， and the galloping characteristics and tension characteristics of ACCC were analyzed.

Keywords： ACCC；true type test line；galloping characteristic；tension characteristic

近年來(lái)，由于氣象復(fù)雜多變，輸電線(xiàn)路舞動(dòng)頻繁發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)造成了重大損害。我國(guó)地貌豐富多樣，是世界上舞動(dòng)災(zāi)害最頻發(fā)、舞動(dòng)區(qū)域最廣大的國(guó)家之一[1]。由于碳纖維導(dǎo)線(xiàn)在配電線(xiàn)路增容改造工程中的大量使用及其制造成本持續(xù)降低，在新建線(xiàn)路和高電壓等級(jí)線(xiàn)路中被大量推廣應(yīng)用，且得到廣泛認(rèn)可[2，3]。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(xiàn)線(xiàn)路。美國(guó)最早從2004年開(kāi)始在德克薩斯州230kV的輸電線(xiàn)路上安裝碳纖維導(dǎo)線(xiàn)，我國(guó)于2006年在福建省、遼寧省的220kV線(xiàn)路增容改造中使用這種導(dǎo)線(xiàn)，隨后在其他省份推廣應(yīng)用[4]。但目前，國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有關(guān)于碳纖維導(dǎo)線(xiàn)在舞動(dòng)區(qū)應(yīng)用的跟蹤報(bào)道，對(duì)碳纖維導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)形態(tài)特征及張力特征的研究也較少[5，6]。

因此，在新建線(xiàn)路和高電壓等級(jí)線(xiàn)路中大規(guī)模推廣碳纖維導(dǎo)線(xiàn)之前，有必要開(kāi)展碳纖維導(dǎo)線(xiàn)在舞動(dòng)區(qū)的應(yīng)用研究，重點(diǎn)關(guān)注碳纖維導(dǎo)線(xiàn)的舞動(dòng)特性。

本文通過(guò)碳纖維導(dǎo)線(xiàn)在真型線(xiàn)路中的掛網(wǎng)研究，監(jiān)測(cè)碳纖維導(dǎo)線(xiàn)在特定氣象條件下的舞動(dòng)數(shù)據(jù)，如導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)幅值、動(dòng)張力等，并據(jù)此分析碳纖維導(dǎo)線(xiàn)的舞動(dòng)形態(tài)特征和動(dòng)張力特征。

1 碳纖維導(dǎo)線(xiàn)的特點(diǎn)

碳纖維導(dǎo)線(xiàn)全稱(chēng)為碳纖維有機(jī)復(fù)合材料加強(qiáng)芯軟鋁絞線(xiàn)（Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal Wire，ACCC/TW），是一種全新概念的架空輸電線(xiàn)路用導(dǎo)線(xiàn)。其具有強(qiáng)度高、線(xiàn)損低、導(dǎo)電率高、弧垂小、允許工作溫度高、載流量大、重量輕、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)和投資比高等特點(diǎn)。

與具有相同直徑的普通鋼芯鋁絞線(xiàn)相比，碳纖維導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，內(nèi)部芯棒為碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料包覆一層玻璃纖維樹(shù)脂復(fù)合材料制成，外部?jī)蓪訛橐幌盗谐侍菪谓孛娴能涗X線(xiàn)絞合而成，如圖1所示。在性能上，碳纖維導(dǎo)線(xiàn)芯線(xiàn)抗拉強(qiáng)度是普通導(dǎo)線(xiàn)的2倍，彈性模量是普通導(dǎo)線(xiàn)的1/2，綜合拉斷力是普通導(dǎo)線(xiàn)的1.3倍。

2 真型試線(xiàn)路掛網(wǎng)方案

2.1 導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)

本文選用國(guó)內(nèi)典型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)廠家生產(chǎn)的碳纖維導(dǎo)線(xiàn)作為樣本，以三相四分裂的形式懸掛于實(shí)驗(yàn)室真型輸電線(xiàn)路的3#塔—6#塔之間。試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

2.2 導(dǎo)線(xiàn)布置

真型試驗(yàn)線(xiàn)路#3—#6段為緊湊型試驗(yàn)線(xiàn)路段，可懸掛四分裂導(dǎo)線(xiàn)和六分裂導(dǎo)線(xiàn)，線(xiàn)路三相呈倒三角布置（見(jiàn)圖2）。由#3—#6面向大號(hào)側(cè)分左右，各相導(dǎo)線(xiàn)由右至左（由南向北）依次命名為A相（南相）、B相（中相）和C相（北相）。試驗(yàn)檔距如表2所示，桿塔類(lèi)型參數(shù)如表3所示。

2.3 金具使用情況

為了模擬真實(shí)線(xiàn)路舞動(dòng)情況，此次研究中線(xiàn)路金具完全按照線(xiàn)路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。使用到的金具主要有以下4種。①耐張線(xiàn)夾，用于固定導(dǎo)線(xiàn)，以承受導(dǎo)線(xiàn)張力，并將導(dǎo)線(xiàn)掛至耐張串組或桿塔上的金具。②懸垂線(xiàn)夾，用于將導(dǎo)線(xiàn)固定在直線(xiàn)桿塔的絕緣子串上，廣泛使用的主要有2種類(lèi)型，即預(yù)絞式線(xiàn)夾和老式船型線(xiàn)夾。此次研究用到的是預(yù)絞式懸垂線(xiàn)夾。③防振錘，用來(lái)減少導(dǎo)線(xiàn)因風(fēng)力作用產(chǎn)生的震動(dòng)。④四分裂子間隔棒，用于分裂導(dǎo)線(xiàn)中限制子導(dǎo)線(xiàn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及在正常運(yùn)行情況下保持分裂導(dǎo)線(xiàn)的幾何形狀。常見(jiàn)的類(lèi)型有4種：預(yù)絞絲固定Ⅰ型、預(yù)絞絲固定Ⅱ型、常規(guī)Ⅰ型、常規(guī)Ⅱ型。此次研究中用到的是固定方式較為牢固的預(yù)絞絲式四分裂子間隔棒。

3 舞動(dòng)數(shù)據(jù)分析

3.1 導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)形態(tài)特征

本次試驗(yàn)中三相導(dǎo)線(xiàn)由于掛點(diǎn)位置的差異，其舞動(dòng)特征并不完全相同，具體舞動(dòng)特征如表4所示。其中，中相導(dǎo)線(xiàn)在#4—#6塔之間舞動(dòng)幅值與其他兩相不同；三相導(dǎo)線(xiàn)的舞動(dòng)頻率整體分布相似，只是細(xì)節(jié)上略微存在差別。導(dǎo)線(xiàn)雙半波模態(tài)如圖3所示。典型的頻譜分析結(jié)果如圖4所示。

<3.2 舞動(dòng)導(dǎo)線(xiàn)張力特征

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)時(shí)會(huì)在預(yù)緊力的基礎(chǔ)上產(chǎn)出交變載荷，引起動(dòng)態(tài)張力增大。試驗(yàn)中在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)的幅值和張力數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得出以下結(jié)論。①時(shí)間、風(fēng)速和幅值三者成正比關(guān)系[7]，這與已有研究成果一致。圖5為1次典型的導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)動(dòng)態(tài)張力隨風(fēng)速增加的過(guò)程。從圖中可以看出，初期，風(fēng)速增幅較大；后期處于平穩(wěn)狀態(tài)。風(fēng)速增大的同時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)張力幅值也隨之增大，且導(dǎo)線(xiàn)張力幅值曲線(xiàn)與風(fēng)速曲線(xiàn)形態(tài)相似；風(fēng)速和導(dǎo)線(xiàn)張力幅值曲線(xiàn)增幅呈指數(shù)增長(zhǎng)。②導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，最大動(dòng)態(tài)張力可以達(dá)到靜態(tài)覆冰張力的1.3～1.5倍。圖6為試驗(yàn)中選中的兩個(gè)不同舞動(dòng)時(shí)段的導(dǎo)線(xiàn)動(dòng)態(tài)張力值。

4 結(jié)論

通過(guò)此次碳纖維導(dǎo)線(xiàn)在真型線(xiàn)路的掛網(wǎng)試驗(yàn)中的分析研究可得出：碳纖維導(dǎo)線(xiàn)在適當(dāng)?shù)谋L(fēng)載荷作用下會(huì)發(fā)生舞動(dòng)；不同線(xiàn)路參數(shù)和冰風(fēng)條件下導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)幅值、張力動(dòng)態(tài)特性不同；線(xiàn)路舞動(dòng)時(shí)間、風(fēng)速和幅值三者成正比；在試驗(yàn)期間觀測(cè)到的碳纖維導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)后的最大幅值超過(guò)3m，最大動(dòng)張力為靜態(tài)覆冰張力的1.5倍。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃斌，徐姍姍，蘇文宇.輸電線(xiàn)路覆冰研究綜述[J].電瓷避雷器，2012（2）：13-15.

[2]魏晗興，朱波，陳原.新型碳纖維復(fù)合芯鋁合金導(dǎo)線(xiàn)的特性研究[J].功能材料，2009（12）：1993-1995.

[3]付晶晶.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)在輸電線(xiàn)路工程中的應(yīng)用研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2014.

[4]董國(guó)倫，龔堅(jiān)剛，余虹云，等.碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行與檢修[M].北京：中國(guó)電力出版社。

[5]鞠彥忠，李秋晨，孟亞男.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)與傳統(tǒng)導(dǎo)線(xiàn)的比較研究[J].華東電力，2011（7）：1191-1194.

[6]趙曉鋒.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)在輸電線(xiàn)路重冰區(qū)域上的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技，2013（6）：217-219.

[7]朱寬軍，劉超群，任西春.架空輸電線(xiàn)路舞動(dòng)時(shí)導(dǎo)線(xiàn)動(dòng)態(tài)張力分析[J].中國(guó)電力，2005（10）：41-44.