碳纤维导线应用分析及关键检测设备设计

周 超，赵士杰，刘衍平

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

0 引言

碳纤维导线的研发以及试验在17世纪末就已开始，用碳纤维复合芯材料代替传统的钢芯是输电线路发展的里程碑。棒状碳纤维导线可实现增容输电，全国挂网运行超过12 000 km，技术已经日趋成熟，但近年来碳纤维复合芯导线断线事故时有发生，严重危及电网安全运行。近期国网运检部、基建部联合发文提出ACCC加强碳纤维复合芯导线巡视和运维管理，开展导线隐患排查治理。多起碳纤维导线断线案例表明：导线的损伤多发生在紧线过程中卡线器临锚和导线压接处以及相关施工过程中。因此有必要对棒状碳纤维复合芯导线的性能做进一步总结，并对工程应用中的问题提出解决办法。

1 碳纤维导线与传统钢芯铝绞线

ACCC导线截面如图1所示，以炭纤维丝增强树脂,采用挤压成型工艺制造,包括浸胶——控胶——成型固化——二次固化——切割——收卷等环节。棒状碳纤维复合芯承载着碳纤维导线的主要重量,以及导线架空作业过程中的全部张力。它以玻璃纤维包覆碳纤维成为一体而形成单根复合芯棒，根据碳纤维、环氧树脂的抗拉性能强等特点,拉伸碳纤维和玻璃纤维后,在环氧树脂中沉浸,再经高温固化得到复合芯线[2]，值得注意的是和芯线外层铝股丝一般为梯形线。类似于ACSR钢芯铝绞线，棒状碳纤维导线以芯棒为主要承力件承受导线质量、应力以及风、雨、雪、霜等情况下的负载，铝股丝主要起导电作用。经过不同形式的试验以及实际的架线作业，这种棒状碳纤维导线在机械和电气方面呈现出优越的性能。

（1）强度高。碳纤维复合芯棒的抗拉强度2399 MPa，分别为一般钢丝（1240 MPa）、高强钢丝（1410 MPa）的 1.93倍和 1.73倍[3]。

图1 棒状碳纤维复合芯导线截面

（2）导电率高，载流量大，耐高温。高导电率、大载流量且耐高温在输送相同负荷时，其导体层63%IACS（International Annealing Copper Standard，国际退火铜标准导电率）的梯形软型铝线的独特结构设计，使导线整体截面积比一般圆截面线股导线大，在如今增容扩容发展中显得尤为重要。相同直径的ACCC导线铝材截面为常规钢芯铝绞线导线的1.29倍，可以提高载流量29%。传统的ACSR导线运行温度为70℃，而碳纤维复合芯导线能在140℃下长期有效运行[4，5]。碳纤维导线与LGJ普通导线的允许载流量对比见表1。

表1 碳纤维导线与LGJ普通导线的允许载流量对比

（3）脱冰效果好、不易覆冰且可减少电磁辐射、电晕损失，节能效果显著。鉴于碳纤维导线可连续在高温条件下运行，导电部分采用退火纯软铝，铝股线为梯形，填充系数0.93（普通导线0.75），导线表面结构紧凑、远比ACSR光滑且其耐高温特性也使得冰雪附着力极差，可有效提高输电线路的抗冰雪能力，调研研究发现运行中电晕损耗小，不会产生磁损和涡流损耗，电晕起始电压比传统钢芯铝绞线高，节能效果明显[6，7]。两种导线截面见图2。

（4）弧垂低，线膨胀系数小。导线承力芯是碳纤维复合芯，线膨胀系数约是一般ACSR导线的1/8，为 1.6×10-6/℃，因此ACCC导线比一般导线具有更低的驰度。从图3可以看出，新型导线弧垂的增加量是一般导线的10%左右，铝和钢的膨胀系数均大于碳纤维，故完全异于常规导线的是在拐点温度之后，碳纤维导线的绝大部分张力载荷由碳纤维芯承担，其外层铝导体部分只起到导流的作用。

图2 ACSR和ACCC导线截面

图3 碳纤维导线和钢芯铝绞线弧垂——温升曲线

（5）重量轻、密度小。ACCC导线碳纤维复合芯密度（1800 kg/m3）远小于常规 ACSR 导线钢芯密度（7850 kg/m3），在相同的外径下,导线自身的荷载降低，单位长度质量也显著降低到普通导线的60%～80%，充分显示了ACCC导线重量轻的优点[8]。

（6）耐腐蚀，寿命长。外层由玻璃纤维绝缘材料包覆的碳纤维复合芯与环境亲和，有较高的耐腐蚀性能，复合芯为非金属材料，具导体在通电时不存在铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，可较好地解决传统钢芯铝绞线的腐蚀问题[6]，使用寿命是普通导线的2倍以上。

（7）微风振动和舞动情况降低。具有更加紧凑的结构的梯形绕制铝线的碳纤维导线与钢芯铝绞线相比，若铝截面相同，ACCC导线的外径可下降10%，导线所承载冰、风载荷也随之下降，导线外径减小加之梯形绕制，更加平滑的铝绞线外表面减小了空气动力系数因而可达到上述优势[9]。

计算表明，碳纤维导线低密度特性可使其自重减轻导线自身载荷降低25%，承载能力增加20%。鉴于碳纤维材料密度小弧垂低的特性，输电线路采用碳纤维复合芯导线可有效保证对地的安全距离、降低铁塔高度，使铁塔结构紧凑，在施工作业时可适当增大档距减少杆塔和线路走廊的使用，缩短工期、降低工程费用。同时导线运行的安全性、可靠性也得到进一步保障。

2 工程应用中的问题

（1）碳纤维复合芯棒柔韧性差。单根棒状碳纤维复合芯弯曲半径达到55D（D为复合芯棒直径），在架线施工过程中易发生脆性断裂。架线施工过程中要求更多，需更加小心谨慎以防损伤碳芯。一旦因操作失误导致芯棒断裂，要进行补修，严重时要重新更换导线，一方面导致工期延长，另外工程造价也将进一步提高。

（2）铝线容易起鼓（灯笼）。软铝塑性变形较大，导线展放过程中，特殊放线段会使用大张力、多滑车及大转角等，导线与滑轮的挤压变形、长久摩擦以及应力集中，铝线股变形形成松股甚至起灯笼，运行中难以修复，松散的铝线也导致碳纤维芯长期暴露在空气中，对铝线股、碳纤维芯不利。

（3）碳纤维芯和铝伸缩率差异较大。利用网套连接器在输变电线路施工中容易发生碳纤维芯缩颈现象，严重时会有几米的相对滑移量；在运行维护阶段，如果需要剪断导线重新接续，缩颈现象容易导致整跟导线更换。

（4）ACCC导线的碳纤维复合芯是一种脆性材料，硬度高韧性较差，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,在施工、运行等方面存在安全隐患，且目前针对芯棒径向耐压应力相关研究较少。多起碳纤维导线断线案例表明：导线的损伤多发生在紧线过程中卡线器临锚和导线压接处以及相关施工过程中。

3 解决建议及研究方案

3.1 导线起“灯笼”问题

施工作业时工人需持证上岗，严格按照工艺标准操作，解决导线起“灯笼”问题就是要减小铝线股的变形，可采取：①施工作业中单盘导线长度≤2.5 km，利用中间接续管对长距离耐张段中间连接，可以阻断软铝变形的积累，避免上述缺陷的发生[10]；②耐张线夹的施压有2种方法：正压、反压。当档距或耐张段较长时，一般采用正压，当档距或耐张段＜100 m，为防止灯笼的产生，可采用反压。③导线挂线受到张力后可消除大部分“灯笼”，个别没有完全恢复的“灯笼”，首先进行出线赶压，可采用麻绳绞赶方式，尽可能使该处导线恢复平整，如仍有不平整的，可采用预绞丝对导线进行包覆，屏蔽外表不光滑可能产生的起始电晕降低现象，同时该档导线应在“灯笼”处理完毕后方可安装防振锤、间隔棒等附件[10]。

3.2 芯棒缩芯问题分析

针对碳纤维芯和铝伸缩率差异较大的问题，在对JLZX1K/F2A-530（630）/55碳纤维扩径导线进行型号为SLW-60单头网套连接器兼容性载荷实验时，发现试验后的导线除芯棒出现缩芯问题外，没有出现打滑、损伤、导线表面没有明显划痕、外径大小无变化等问题并且拆卸灵活，证实了工程施工应用中棒状碳纤维复合芯导线易缩芯问题。

（1）试验方案（图4）。将与网套连接器相适应的JLZX1K/F2A-530（630）/55碳纤维扩径导线插入网套连接器中，到位后用钢卷尺测量导线插入长度是否不小于30倍的直径，合格后用合适的铁丝将网套连接器末端缠绕扎紧，将钢丝绳与网套连接器的另一端连接，将导线的一端和钢丝绳的另一端分别固定在卧式拉力机卡具中（注：如果载荷不大不用铁丝扎紧网套连接器末端）。

图4 网套连接器和扩经碳纤维导线兼容性试验

（2）负载试验（载荷系数为1）。用卧式拉力机对被试验网套连接器施加载荷，加载至100%的额定载荷并保持10 min后，观察被试验网套连接器是否有打滑现象；过载试验（载荷系数1.25）：用卧式拉力机对被试验网套连接器施加125%的额定载荷并保持10 min后,观察被试验网套连接器是否有打滑现象。2次试验进行2次。加载过程见表2，其中530k630/55导线用网套连接器额定载荷为57.483 kN（取60 kN）。芯棒试验前后如图5所示。

图5 芯棒试验前后

表2 试验式样、载荷及加载方式

此外，又对该导线进行型号SKQT-530K装配式牵引器的兼容性破断力实验（图6），实验从另一方面证明采，用装配式牵引器在施工放线时可杜绝缩芯现象的发生。

（3）原因分析。装配式牵引器（图7）主要由橡胶套、蛇节、过渡连接件、下连接件、大卡爪、中间连接件、小卡爪、小卡爪安装座、上连接件、压盖与压盖螺栓组成。

图6 装配式牵引器和扩经碳纤维导线兼容性试验

图7 装配式牵引器结构

导线在拉力载荷作用下网套连接器仅依靠与导线外表面的摩擦力牵引导线，而装配式牵引器具有两级楔形夹紧装置内层夹紧碳纤维复合材料芯与楔形线夹楔形夹、楔形夹座的自锁原理一样，外层夹紧碳纤维复合材料芯架空导线整体。由于铝线塑性变形量远大于碳芯，故当拉力载荷达到一定值时，承力芯-碳纤维复合芯棒将承担全部拉力，因而无缩芯现象发生。故≥400 mm2的碳纤维复合材料芯架空导线牵引应采用装配式牵引器，不应采用单头网套连接器；而＜400 mm2的碳纤维复合材料芯架空导线可采用装配式牵引器进行牵引，但在跨越铁路、高速公路、重要输电通道、居民密集区时，应采用装配式牵引器牵引。

3.3 智能移动无损检测装置的设计

ACCC导线芯棒抗剪切性能、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。将X射线无损检测设备和一般巡检机器人结合、根据国网运检部、基建部联合发文提出的加强ACCC导线巡视和运维管理，开展导线隐患排查治理的要求，设计一套智能移动无损检测装置。

3.3.1 检测设备

结合已有无损检测设备——X射线无损检测设备，设置一套碳纤维复合芯导线智能移动式实时检测装置（图8）。检测设备整体尺寸1.6 m×0.8 m×1.2 m，通过自重平稳悬挂在导线上，整体结构装配简单、易操作。

图8 智能移动无损检测装置

如图8所示，检测设备包括：①供电及控制系统。为整个设备提供电源，实现自动控制的基本任务；②X射线发射源。发射X射线扫描拍摄碳纤维复合芯导线的芯棒，并将芯棒整体结构图像映射到平板探测器上，最终通过无线传输至地面终端；③滑动导轨。能够实现夹紧轮的上下移动，使夹紧轮在最合适的位置夹紧导线；④行走轮及其配套电机。用于实现整套无损检测设备在导线上的稳定行走移动；⑤挡板。其可以绕突出轴进行360°旋转，以便将整体设备安装在导线上，之后通过固定螺钉将挡板固定在夹紧轮连接板上；⑥平板探测器。用于接收X射线发射源扫描拍摄的图像并将其传输至地面终端；⑧连接板。用于将无损检测装置的整体框架连接成一个整体；⑨夹紧轮。用于夹紧导线[11]固定螺钉。用于在整体装置在导线上安装完毕之后将可旋转的挡板固定；[12]无线传输装置。用于将平板探测器接收到的数据传送至地面终端。调整供电及控制系统等其他设备的位置并进行平衡移动实验进而确定各个设备的相对位置，使整套装置依据重力达到平衡。

3.3.2 检测方法

对相关ACCC导线预先进行径向耐压试验以及拉断力损伤模拟实验,将实验中导线发生损伤时的各类实验数据汇总建立碳纤维复合芯导线紧线损伤数据库；在横担附近将装置安装在导线上后，通过远程控制实现设备的线上移动作业，对碳纤维复合芯导线耐张线夹及其出口20 m以内导线进行在线检测，检测数据无线传输至地面终端，自动处理和生成导线检测图像，并通过已建立的导线损伤数据库进行损伤智能判别；当与数据库中的数据对应度达到一定范围内时，地面数据检测终端发出报警，表示此处导线有损伤；记录报警信号发出时检测装置在导线上的相应位置，当对线夹附近范围内的导线检测完成之后统一对导线各个报警位置进行修复。能在工程验收、运检过程中尽早发现隐患，智能报警，避免人员高空操作，提高施工过程的安全性，降低运行时断线造成的损失，为线路安全运行提供保障；同时避免射线对人体危害以及无损检测设备扫描拍摄的图像经处理后、多根据操作人员经验进行损伤判别，误差大、效率低的问题。

3.4 绞合型碳纤维复合芯导线的应用

在2013年海南电网福丰I线220 kV增容改造项目中，我国第一条绞合型碳纤维芯导线成功架空运行，其在海南北部尤其于海口地区有极为重要的供电任务。

绞合型碳纤维复合芯导线（ACMCC）以其优越的性能、独特的结构（图9）解决了棒状碳纤维导线的种种问题：ACCC弯曲半径为55 D（D为复合线芯直径），易发生脆性断裂；而ACMCC弯曲半径可达到40 D，韧性很好，更有利于运输和架线施工；绞合型碳纤维复合芯绞绕而成，其外表面与临层的铝线摩擦力远大于棒状碳纤维芯与临层铝线之间的摩擦力，又具有很好的韧性，使其在施工中可很大程度避免缩芯问题的产生。

图9 绞合型碳纤维复合芯导线

绞合型碳纤维芯由单股碳芯绞制而成，股与股之间各位一体，即使某一单股断裂，也只是损失了几分之一的拉力，避免像棒形碳纤维芯那样当芯线发生损坏断裂，整个承力体结构的稳定性将遭受极大破坏[11]；ACMCC线芯由于其绞线结构，具有传导、转移和分散外力的作用，提高了芯线抗侧压的能力，解决了棒状碳纤维芯抗剪切性能、抗压性能、抗劈裂能力弱的问题，两种结构的碳纤维复合芯线断裂过程见图10。

在海南省福丰I线220 kV增容改造项目后，由于应用经验不足，与之配套的关键金具配合应用问题较多，绞合型碳纤维复合芯导线架空运行的案例很少为人所知，它的推广、普及应用也相对比较困难。因此，绞合型碳纤维芯导线可逐步在需要的线路上尝试短距离挂网试运行，进一步积累施工经验和运行参数，逐步改进相关金具与之兼容性的问题，尽快形成施工导则。

图10 ACCC和ACMCC碳纤维芯裂痕发展过程

4 结语

棒状碳纤维复合芯导线以其高强度、高导电率、大载流量、耐高温、脱冰效果好、不易覆冰且可减少电磁辐射、电晕损失低、节能效果显著、弧垂低、线膨胀系数小、重量轻、密度小、耐腐蚀、可降低微风振动和舞动等优势，广泛应用在输电线路上。但在施工应用中也存在一些问题，针对其韧性差、易起灯笼、缩芯问题给出解决方案，尤其针对其抗剪切性能、抗压性能、抗劈裂能力弱的问题、结合已有巡检机器人和X射线检测设备，设计一套智能移动无损检测装置，并给出具体检测方法，同时对近期投用的绞合型碳纤维复合芯导线作出简要分析，以期为碳纤维复合芯导线的研究应用提供经验。