张 博，马 杰，刘 博，艾文君，李梦丽

（1.国网河南省电力公司电力科学院研究院，郑州 450052；2.国家电网公司输电线路舞动防治技术重点实验室，郑州 450052；3.国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州 450052）

0 引言

碳纤维复合芯导线是最常见的增容导线之一[1]。由于引入了有机复合材料，该导线具有强度高、线损低、电导率高、弧垂小、运行工作温度高、载流量大、质量轻、耐腐蚀及使用寿命长等优点[2-4]。

近年来，随着碳纤维复合芯导线在配电线路增容改造工程中的大量使用及制造成本的持续降低，建议在新建线路和高电压等级线路中大量推广应用的呼声也越来越高[5-6]。这意味着未来将会出现大量穿越舞动高发区的碳纤维导线线路。但是目前国内外尚没有关于碳纤维导线在舞动区应用的跟踪报道。对碳纤维导线舞动特征及防护问题的研究也较少[7-8]。

我国是世界上舞动灾害最频发、舞动区域最广泛的国家之一[9-11]，因此，在新建线路和高电压等级线路中大规模推广碳纤维导线之前，有必要开展碳纤维导线在舞动区的应用预研，重点关注碳纤维导线的舞动特性及受损特征。

笔者利用观测档试验线路，对碳纤维复合芯导线的舞动特性进行了试验研究；利用导线舞动模拟试验机，对碳纤维复合芯导线和金具的舞动疲劳受损的情况进行了试验研究。

1 碳纤维复合芯导线的基本特征

碳纤维复合芯导线的内部是一根碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的复合芯，外部由一系列呈梯形截面的软铝线绞合而成，其结构见图1。

图1 碳纤维复合芯导线Fig.1 Aluminum conductor carbon core

碳纤维复合芯导线与常规钢芯铝绞线相比主要有两大特点：

1）碳纤维复合芯导线的梯形软铝线结构使其外表面相对光滑。已有研究表明：导线表面相对光滑的特征对导线整体覆冰厚度和形态影响不大[12]，碳纤维导线依然存在非均匀覆冰和舞动的可能性。

2）碳纤维复合芯导线因采用复合材料芯棒代替钢芯，其弹性模量、线密度、弧垂等参数均比普通钢芯铝绞线小。一旦舞动，导线的舞动特性可能不同于普通钢芯铝绞线。

另外，有观点认为碳纤维导线作为增容导线，运行温度一般较高，不易覆冰和舞动。但是本文通过对部分河南电网在运碳纤维导线的调研发现：由于受线路设计输送裕量的影响，在运碳纤维复合芯导线冬季运行温度较低，尚不足以防止覆冰，存在覆冰舞动的可能性。

2 碳纤维复合芯导线舞动特性试验

为直观反映碳纤维复合芯导线的舞动特点，本文选取了一组型号接近的碳纤维复合芯导线和普通钢芯铝绞线，利用试验观测档线路，开展了在人工模拟覆冰条件下的舞动试验，并对比了两种导线的舞动差异。

对比的试验导线型号：碳纤维复合芯导线ACCC-300/45和钢芯铝绞线LGJ-300/40。两种导线以双分裂的形式平行悬挂于档距40 m试验观测档线路上，见图2。

图2 试验观察档实景Fig.2 The real photo of small-scale test line

两种试验导线的弧垂按张力相同的原则设置。由于碳纤维导线的密度小，其弧垂明显较小，见图3。

图3 试验观察档线路Fig.3 The sag for the small-scale test line and monitoring equipments

试验导线上安装的模拟冰选用起舞风速较低、危害较严重的D型冰，其等值覆冰厚度为15 mm。

试验线路上安装在线监测设备，可以持续监测整个试验过程中的环境风速和导线张力。试验过程中导线的舞动幅值，主要利用标尺人工现场测量获得，见图2。

表1为两次导线舞动幅值的测量结果和对应导线动态张力分量的相对值（相对于静态张力的倍数）。由表可见，两种导线的舞动幅值与导线动态张力之间均存在正相关关系；当舞动幅值变大时，导线的动态张力也变大。这与已有研究成果一致[13]。基于该特征，考虑到导线舞动时动态张力的监测数据较完整，后文对舞动特征的分析以动态张力分析为主。

表1 试验导线的舞动幅值和舞动张力Table 1 The galloping amplitude and maximum tension of the test lines

下面以舞动事件为例，对比两种导线的舞动特征。图4为某次舞动过程中的垂直导线方向的等效风速和舞动引起的导线动态张力分量（相对导线静态张力的倍数）的变化曲线。由图可知，在相同覆冰和风速条件下，碳纤维导线舞动引起动态张力分量较小，特别是在风速小于9 m/s时，碳纤维导线舞动引起动态张力分量显著小于普通导线。

图4 导线动态张力幅值的变化Fig.4 The tension amplitude of galloping line

表2为两种导线舞动时动态张力的频率分析结果。由表可知，即使使用张力相同，两种导线特性的差异依然会造成舞动特性的显著差别。

表2 频率参数对比Table 2 Performance comparison between ACCC and ordinary wire

为了更直观地反映导线舞动与风速的相关关系，将导线舞动引起的动态张力进行离散化处理：以1 min为时间段，得到了不同平均风速（1 min平均风速）下两种导线舞动时动态张力分量幅值的变化规律，见图5。从图中可知：相同的平均风速下，导线动态张力的幅值并不稳定，具有一定的波动性。其原因主要是不同时间间隔内，自然风的风谱特征不同。

图5 导线动态张力与风速的关系Fig.5 The relationship between the tension amplitude of galloping line and the wind velocity

为消除风谱特征的影响，对数据进行最小二乘法拟合，得到两种导线舞动时动态张力幅值随平均风速变化的曲线，见图5，可知：当风速较小时，碳纤维导线的动态张力比普通导线小；随着风速的增大，碳纤维导线动态张力的增大比普通导线快；当风速超过12 m/s时碳纤维导线的动态张力大于普通导线。这一特征可能会使悬挂碳纤维导线的杆塔承受超出预期的动态荷载，必须重视。

另外，由于导线舞动时动态张力和舞动幅值具有相关关系[13]，当风速较大时，碳纤维导线的舞动幅值也可能会超出预期。因此，对于在运碳纤维复合芯导线也应重视其舞动的可能性，应当重视在运碳纤维复合芯导线的防舞动工作，及时安装防舞装置并校验舞动后动态张力对杆塔承载的影响。

3 导线和金具的舞动受损特征

线路舞动会加剧导线受弯，特别是悬垂线夹出口处的导线尤为严重。一般认为碳纤维复合芯导线（特别是芯棒）抗弯能力较差[14-16]，长时间舞动可能会引起导线受损。本文利用导线舞动模拟试验机，试验模拟了悬垂线夹处导线长时间舞动受弯，见图6。

图6 试验机Fig.6 The testing machine

试验结果表明：经过10%RST、50万次舞动试验后，碳纤维复合芯导线可能会发生舞动疲劳断股。预绞丝式金具可以保护导线本体，降低受损概率，但是恶劣工况下依然会发生导线断股，见图7。金具在经历长时间舞动后也容易受损，见图8。

图7 导线断股Fig.7 Cable lay break

图8 悬垂线夹金具磨损Fig.8 Wear of suspension clamp

因此，对于安装碳纤维复合芯导线的运行线路，宜在有效利用预绞丝式金具的基础上，加强检修维护，特别应重视冬季舞动后导线线夹部位的检查，及时发现并排除故障。

4 结论

针对碳纤维复合芯导线的舞动特性及受损问题，利用试验观测档线路和导线舞动疲劳试验机，开展了一系列试验研究，结果表明：

1）由于导线自身参数的差异，碳纤维复合芯导线的舞动特征与普通钢芯铝绞线有明显的区别。与普通钢芯铝绞线相比，在低风速时，碳纤维复合芯导线舞动的动态张力较小；当高风速时，碳纤维复合芯导线舞动的动态张力较大。

2）由于高风速时碳纤维复合芯导线的舞动幅值和动态张力可能被低估，因此，应当重视在运碳纤维复合芯导线的防舞动工作，及时安装防舞装置并校验舞动后动态张力对杆塔承载的影响。

3）舞动条件下，碳纤维复合芯导线会发生受损，如导线单丝断股、金具磨损等。对于安装碳纤维复合芯导线的运行线路，宜加强检修维护，特别应重视冬季舞动后导线线夹部位的检查，及时发现并排除故障。