CN111855470A - 一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统以及方法，通过施力装置模拟绞合式碳纤维导线的机械载荷，通过将绞合式碳纤维导线接入电源回路来模拟绞合式碳纤维导线的输电热载荷，从而综合评估热载荷和机械载荷同时作用下绞合式碳纤维导线的承载能力。

Description

一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统及方法

技术领域

本发明涉及于输配电技术领域，尤其涉及一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统及方法。

背景技术

绞合式碳纤维复合芯导线是近年来研制的一种新型导线，由于具有重量轻、弧垂性能好、耐腐蚀性能好等优点，尤其相比棒形碳纤维芯导线有柔软性更好、金具连接更方便、更好的抗压性、稳定度更高等优势，其用于增容改造工程或土地资源稀缺地区新建工程具有较大的优势。目前绞合式碳纤维导线的工程应用线路相对较少，业内无法充分评估其运行特性及运行状态，其运行特性研究的不深入影响了这种新型导线的推广应用。

导线在实际运行过程中，在受到机械振动载荷作用下，常常伴随有由于温度分布不均而产生的温度应力的作用。因此，评估热载荷与机械载荷同时作用下绞合式碳纤维复合芯导线的承载能力，是对其综合性能评定的重要内容之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统及方法，来对热载荷和机械载荷同时作用下绞合式碳纤维导线的承载能力进行综合评估。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明第一方面提供了一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，包括机箱，所述机箱内设有施力装置以及温度检测装置，所述施力装置包括底板、顶板、第一电动伸缩杆，所述底板固定于所述机箱底部，所述第一电动伸缩杆设置于所述底板与所述顶板之间，所述底板上固定有若干第一绝缘子串，所述顶板上固定有第二绝缘子串，所述第一绝缘子串分别与对应的第一金具相连，所述第二绝缘子串分别与对应的第二金具相连，所述第一金具与所述第二金具之间通过绞合式碳纤维导线相连，所述机箱内还设有电源，所述电源正极通过连接线与一个第二金具相连，所述电源负极通过连接线与另一个第二金具相连，所述第一金具之间还通过连接线相连，所述电源、若干第一金具、若干第二金具、绞合式碳纤维导线之间构成闭合电路回路，所述温度检测装置用于检测第一金具、第二金具以及绞合式碳纤维导线的温度情况。

优选的，所述顶板上设有若干拉力传感器，所述拉力传感器的下端设有连接环，所述第二绝缘子串与对应的所述连接环相连。

优选的，所述底板上设有第二电动伸缩杆，所述电源设置于所述第二电动伸缩杆的端部，所述电源包括电源外壳以及电源本体，所述电源本体设置于所述电源外壳内，所述电源外壳外壁对称设有红外发射管，所述第二绝缘子串上分别设有红外接收管。

优选的，还包括主控制器，所述主控制器分别与所述第一电动伸缩杆、第二电动伸缩杆、拉力传感器，红外接收管信号相连。

优选的，所述温度检测装置包括动作机构以及温度探头，所述动作机构包括双轴电机、转动杆、主动伞齿轮、从动伞齿轮、限位杆、滑套，所述双轴电机设置于所述机箱顶部，所述主动伞齿轮设置于所述双轴电机的输出端上，所述转动杆设置于所述机箱内部两侧，且所述转动杆与所述机箱内腔底部转动相连，从动伞齿轮设置于所述转动杆的自由端，所述主动伞齿轮与所述从动伞齿轮啮合传动，所述限位杆设置于所述转动杆一侧，所述滑套与所述转动杆螺纹相连，所述限位杆从所述滑套处穿过，所述滑套上设有若干支臂，所述温度探头分别设置于所述支臂上，所述主控制器用于控制所述双轴电机启动/关闭。

优选的，所述温度探头包括外壳体，所述外壳体固定于所述支臂上，所述外壳体内部设有隔离板，所述隔离板上端设有气泵，所述隔离板下端固定有波纹管，所述气泵通过进气管、出气管与所述波纹管相连，所述波纹管的自由端上设有底座，所述底座内部设有红外线发生器，所述底座上设有导热探针，所述导热探针上设有柔性导热线，所述柔性导热线与温度传感器的导热外壳相连，所述导热针内部设有与所述红外线发生器相连通的导光通道，所述气泵、温度传感器均与所述主控制器信号相连。

优选的，所述外壳体的一个侧面设有保护罩，所述保护罩上设有导热探针出口，所述保护罩外表面设有红外线接收装置，所述红外线接收装置与所述主控制器信号相连。

本发明第二方面还提供了一种绞合式碳纤维导线热循环试验方法，所述方法包括以下步骤：

S1、根据所提供的绞合式碳纤维导线热循环试验系统，将待试验的绞合式碳纤维导线和配套金具安装至机箱内；

S2、通过所述施力装置向绞合式碳纤维导线施加大小不同的拉力，模拟绞合式碳纤维导线的受力情况，通过电源回路向绞合式碳纤维导线施加电流电压，模拟绞合式碳纤维导线的输电热循环过程，通过温度检测装置测量不同拉力条件下，所述绞合式碳纤维导线、第一金具、第二金具在热循环过程中的温度情况。定期采集并储存温度和拉力值；

S3、在热循环试验过程中，周期测量绞合式碳纤维导线和金具的电阻值。在一定次数的热循环试验结束后，开展导线和金具的相关测试，评估其老化情况。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：

本发明提供的一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统及方法，通过施力装置模拟绞合式碳纤维导线的机械载荷，通过将绞合式碳纤维导线接入电源回路来模拟绞合式碳纤维导线的输电热载荷情况，从而通过热载荷和机械载荷同时作用实现绞合式碳纤维导线承载能力的综合评估，更接近于输电线路运行实际，为绞合式碳纤维导线的大规模应用提供理论和试验依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统的整体结构图；

图2为图1中A部分放大示意图；

图3为图1中B部分放大示意图；

图4为温度探头内部结构示意图；

图5为本发明提供的一种绞合式碳纤维导线热循环试验方法的流程图。

图中，1机箱，2底板，3顶板，4第一电动伸缩杆，5第一绝缘子串，6第二绝缘子串，7第一金具，8第二金具，9电源，10绞合式碳纤维导线，11拉力传感器，12连接环，13第二电动伸缩杆，14红外发射管，15红外接收管，16双轴电机，17转动杆，18主动伞齿轮，19从动伞齿轮，20限位杆，21滑套，22支臂，23外壳体，24隔离板，25气泵，26波纹管，27进气管，28出气管，29底座，30导热探针，31柔性导热线，32温度传感器，33保护罩，34红外线接收装置，35主控制器，36红外线发生器。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1至图4，本发明第一方面公开了一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，包括机箱1，所述机箱1内设有施力装置以及温度检测装置，所述施力装置包括底板2、顶板3、第一电动伸缩杆4，所述底板2固定于所述机箱1底部，所述第一电动伸缩杆4设置于所述底板2与所述顶板3之间，所述底板2上固定有若干第一绝缘子串5，所述顶板3上固定有第二绝缘子串6，所述第一绝缘子串5分别与对应的第一金具7相连，所述第二绝缘子串6分别与对应的第二金具8相连，所述第一金具7与所述第二金具8之间通过绞合式碳纤维导线10相连，所述机箱1内还设有电源，所述电源正极通过连接线与一个第二金具8相连，所述电源负极通过连接线与另一个第二金具8相连，所述第一金具7之间还通过连接线相连，所述电源、若干第一金具7、若干第二金具8、绞合式碳纤维导线10之间构成闭合电路回路，所述温度检测装置用于检测第一金具7、第二金具8以及绞合式碳纤维导线10的温度情况。

其机箱1外壳由透明材料制成，方便操作人员查看机箱1内部情况，并且机箱1上设有箱门，关上箱门可使机箱1内部构成一个密闭空间，在使用时，在底板2上安装两个第一绝缘子串5，在顶板3上安装两个第二绝缘子串6，并且在对应的第一绝缘子串5上安装第一金具7，在对应的第二绝缘子串6上安装第二金具8，其第一金具7、第二金具8之间通过绞合式碳纤维导线10相连，。控制第一电动伸缩杆4来调节顶板3与底板2之间的不同距离，从而模拟绞合式碳纤维导线10所承受的不同拉力，同时通过电源正负极的接入，使得第一金具7、第二金具8、绞合式碳纤维导线10、电源之间构成一个闭合的导电回路，从而使得绞合式碳纤维导线10上流过周期变化的电流，模拟绞合式碳纤维导线10的输电情况。绞合式碳纤维导线10以及第一金具7、第二金具8在流过周期变化电流时会出现升温、保温、降温三个温度变化阶段，即为导线热循环过程，在此过程中，通过温度检测装置可检测第一金具7、第二金具8以及绞合式碳纤维导线10的温度，在导线热循环过程结束后，可开展导线和金具的相关测试，评估其老化情况，本实施例通过施力装置以及温度检测装置，能实现热载荷和机械载荷同时作用下导线承载能力的综合评估，从而更接近于输电线路运行实际，为绞合式碳纤维导线10的大规模应用提供理论和试验依据。

具体的，所述顶板3上设有若干拉力传感器11，所述拉力传感器11的下端设有连接环12，所述第二绝缘子串6与对应的所述连接环12相连，通过所述拉力传感器11，可获得绞合式碳纤维导线10所承受的拉力值。

在本发明的一些实施例中，所述底板2上设有第二电动伸缩杆13，所述电源设置于所述第二电动伸缩杆13的端部，所述电源包括电源外壳以及电源本体，所述电源本体设置于所述电源外壳内，所述电源外壳外壁对称设有红外发射管14，所述第二绝缘子串6上分别设有红外接收管15，在电源与所述第二绝缘子串6无法保持在同一水平高度时，红外接收管15无法接收来自红外发射管14的红外信号，此时控制调节第二电动伸缩杆13的长度，进而不断调节电源与底板2之间的距离，最终使红外接收管15能接收来自红外发射管14的红外信号，使得电源与所述第二绝缘子串6保持在同一水平高度，通过红外发射管14以及红外接收管15，可判断电源与所述第二绝缘子串6是否保持在同一水平高度。

具体的，还包括主控制器35，所述主控器分别与所述第一电动伸缩杆4、第二电动伸缩杆13、拉力传感器11，红外接收管15信号相连，所述主控制器35可根据红外接收管15信号，调节第二电动伸缩杆13的拉伸长度，并且其主控制器35可调节第一电动伸缩杆4的拉伸长度，并且其主控制器35能接收拉力传感器11所获得的拉力数据。

在本发明的一些实施例中，所述温度检测装置包括动作机构以及温度探头，所述动作机构包括双轴电机16、转动杆17、主动伞齿轮18、从动伞齿轮19、限位杆20、滑套21，所述双轴电机16设置于所述机箱1顶部，所述主动伞齿轮18设置于所述双轴电机16的输出端上，所述转动杆17设置于所述机箱1内部两侧，且所述转动杆17与所述机箱1内腔底部转动相连，从动伞齿轮19设置于所述转动杆17的自由端，所述主动伞齿轮18与所述从动伞齿轮19啮合传动，所述限位杆20设置于所述转动杆17一侧，所述滑套21与所述转动杆17螺纹相连，所述限位杆20从所述滑套21处穿过，所述滑套21上设有若干支臂22，所述温度探头分别设置于所述支臂22上，所述主控制器35用于控制所述双轴电机16启动/关闭；

滑套21上设有至少三个支臂22。并且三个支臂22从上至下依次排列，在使用时，双轴电机16带动主动伞齿轮18旋转，进而主动伞齿轮18带动从动伞齿轮19啮合旋转，从动伞齿轮19带动转动杆17旋转，通过旋转的转动杆17可使得滑套21沿转动杆17上下运动，通过转动杆17旁设置的限位杆20，可使得滑套21保持上下运动的固定姿态，而不会随着转动杆17自转而旋转，操作人员通过肉眼判断滑套21上的三个支臂22是否分别对准第一金具7、第二金具8以及绞合式碳纤维导线10，在对准时，通过支臂22上连接的温度探头同时对第一金具7、第二金具8以及绞合式碳纤维导线10的温度测量，另外，通过调节滑套21的不同位置，可实现对第一金具7、第二金具8以及绞合式碳纤维导线10不同垂直位置上的温度检测，通过设置支臂22的方式，也有效的将不同温度探头互相隔离，避免产生测量误差。

在一些实施例中，所述温度探头包括外壳体23，所述外壳体23固定于所述支臂22上，所述外壳体23内部设有隔离板24，所述隔离板24上端设有气泵25，所述隔离板24下端固定有波纹管26，所述气泵25通过进气管27、出气管28与所述波纹管26相连，所述波纹管26的自由端上设有底座29，所述底座29内部设有红外线发生器36，所述底座29上设有导热探针30，所述导热探针30上设有柔性导热线31，所述柔性导热线31与温度传感器32的导热外壳相连，所述导热针内部设有与所述红外线发生器36相连通的导光通道，所述外壳体23的一个侧面设有保护罩33，所述保护罩33上设有导热探针30出口，所述保护罩33外表面设有红外线接收装置34，所述气泵25、温度传感器32、红外线接收装置34均与所述主控制器35信号相连；

在测量第一金具7、第二金具8以及绞合式碳纤维导线10的温度时，其主控制器35启动气泵25，气泵25通过进气管27将外界空气抽至波纹管26内，使得波纹管26长度伸长，从而使得波纹管26上固定的导热探针30从导热探针30出口处向外运动并最终与第一金具7或第二金具8或绞合式碳纤维导线10相接触，导热探针30可传导第一金具7、第二金具8以及绞合式碳纤维导线10处的热量，在所述导热探针30上所设置的柔性导热线31能进一步将热量传递至温度传感器32的导热外壳上，由温度传感器32分别测量出第一金具7、第二金具8以及绞合式碳纤维导线10处的温度；

在导热探针30向外运动时，其底座29内部的红外线发生器36发出红外光，且该红外光由导热探针30上的导光通道射出，当红外线到达第一金具7或第二金具8或绞合式碳纤维导线10后，红外线被反射，红外线的反射信号被设置于保护罩33外表面的红外线接收装置34所接收，主控制器35根据上述来自红外线接收装置34的信息获得导热探针30与第一金具7或第二金具8或绞合式碳纤维导线10之间的距离，当导热探针30与第一金具7或第二金具8或绞合式碳纤维导线10之间的距离到达预定值时，即导热探针30与与第一金具7或第二金具8或绞合式碳纤维导线10相接触时，所述主控制器35控制气泵25停止吸气；

在测量结束时，其主控制器35控制气泵25通过出气管28抽取波纹管26内部的空气，使得波纹管26长度恢复原样，最终使得导热探针30与第一金具7或第二金具8或绞合式碳纤维导线10相分离。

参见图5，本发明第二方面还公开一种绞合式碳纤维导线热循环试验方法，所述方法包括以下步骤：

S1、根据所提供的绞合式碳纤维导线热循环试验系统，将待试验的绞合式碳纤维导线10、配套金具7和8安装至机箱1内；

S2、通过所述施力装置向绞合式碳纤维导线10施加大小不同的拉力，模拟绞合式碳纤维导线10的受力情况，通过电源回路向绞合式碳纤维导线10施加电流电压，模拟绞合式碳纤维导线10的输电热循环过程，通过温度检测装置测量不同拉力条件下，所述绞合式碳纤维导线10、第一金具7、第二金具8在热循环过程中的温度情况。每5分钟自动采集温度和拉力值，并储存于主控制器35内；

其绞合式碳纤维导线10热循环温度曲线约3-5个小时/次，单次热循环包括通电加热升温、保温、断电降温三个阶段。在本实施例中，绞合式碳纤维导线10进行1400次热循环试验，保温温度为导线表面最大持续运行温度180℃。

在一些实施方式中，可设定拉力值为变量，即初始施加拉力为25％的额定断裂强度RBS，单次循环中导线热胀冷缩使得拉力值先降低再升高。如果单次热循环降温结束时，拉力值低于20％RBS，样品会被重新拉紧至初始拉力25％RBS。

在一些实施方式中，可设定拉力值为定值，即施加恒定拉力为25％的额定断裂强度RBS。

S3、在热循环试验过程中，周期测量绞合式碳纤维导线10和金具的电阻值。具体为，前期每100次热循环测一次绞合式碳纤维导线10和金具的电阻，后期每50次热循环测一次绞合式碳纤维导线10和金具的电阻。每次测量电阻前，样品应已冷却至环境温度。

经1400次热循环后，开展绞合式碳纤维导线10和金具的相关测试，评估其老化情况，包括外观观察、射线探伤、导线拉力试验、金具拉力试验、芯拉力试验、芯剪切强度、玻璃化转变温度等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，其特征在于，包括机箱，所述机箱内设有施力装置以及温度检测装置，所述施力装置包括底板、顶板、第一电动伸缩杆，所述底板固定于所述机箱底部，所述第一电动伸缩杆设置于所述底板与所述顶板之间，所述底板上固定有若干第一绝缘子串，所述顶板上固定有第二绝缘子串，所述第一绝缘子串分别与对应的第一金具相连，所述第二绝缘子串分别与对应的第二金具相连，所述第一金具与所述第二金具之间通过绞合式碳纤维导线相连，所述机箱内还设有电源，所述电源正极通过连接线与一个第二金具相连，所述电源负极通过连接线与另一个第二金具相连，所述第一金具之间还通过连接线相连，所述电源、若干第一金具、若干第二金具、绞合式碳纤维导线之间构成闭合电路回路，所述温度检测装置用于检测第一金具、第二金具以及绞合式碳纤维导线的温度情况。

2.根据权利要求1所述的一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，其特征在于，所述顶板上设有若干拉力传感器，所述拉力传感器的下端设有连接环，所述第二绝缘子串与对应的所述连接环相连。

3.根据权利要求2所述的一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，其特征在于，所述底板上设有第二电动伸缩杆，所述电源设置于所述第二电动伸缩杆的端部，所述电源包括电源外壳以及电源本体，所述电源本体设置于所述电源外壳内，所述电源外壳外壁对称设有红外发射管，所述第二绝缘子串上分别设有红外接收管。

4.根据权利要求3所述的一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，其特征在于，还包括主控制器，所述主控制器分别与所述第一电动伸缩杆、第二电动伸缩杆、拉力传感器，红外接收管信号相连。

5.根据权利要求4所述的一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，其特征在于，所述温度检测装置包括动作机构以及温度探头，所述动作机构包括双轴电机、转动杆、主动伞齿轮、从动伞齿轮、限位杆、滑套，所述双轴电机设置于所述机箱顶部，所述主动伞齿轮设置于所述双轴电机的输出端上，所述转动杆设置于所述机箱内部两侧，且所述转动杆与所述机箱内腔底部转动相连，从动伞齿轮设置于所述转动杆的自由端，所述主动伞齿轮与所述从动伞齿轮啮合传动，所述限位杆设置于所述转动杆一侧，所述滑套与所述转动杆螺纹相连，所述限位杆从所述滑套处穿过，所述滑套上设有若干支臂，所述温度探头分别设置于所述支臂上，所述主控制器用于控制所述双轴电机启动/关闭。

6.根据权利要求5所述的一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，其特征在于，所述温度探头包括外壳体，所述外壳体固定于所述支臂上，所述外壳体内部设有隔离板，所述隔离板上端设有气泵，所述隔离板下端固定有波纹管，所述气泵通过进气管、出气管与所述波纹管相连，所述波纹管的自由端上设有底座，所述底座内部设有红外线发生器，所述底座上设有导热探针，所述导热探针上设有柔性导热线，所述柔性导热线与温度传感器的导热外壳相连，所述导热针内部设有与所述红外线发生器相连通的导光通道，所述气泵、温度传感器均与所述主控制器信号相连。

7.根据权利要求6所述的一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，其特征在于，所述外壳体的一个侧面设有保护罩，所述保护罩上设有导热探针出口，所述保护罩外表面设有红外线接收装置，所述红外线接收装置与所述主控制器信号相连。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种绞合式碳纤维导线热循环试验系统，其特征在于，还包括一种绞合式碳纤维导线热循环试验方法，所述方法包括以下步骤：

S1、根据所提供的绞合式碳纤维导线热循环试验系统，将待试验的绞合式碳纤维导线和配套金具安装至机箱内；

S2、通过所述施力装置向绞合式碳纤维导线施加大小不同的拉力，模拟绞合式碳纤维导线的受力情况，通过电源回路向绞合式碳纤维导线施加电流电压，模拟绞合式碳纤维导线的输电热循环过程，通过温度检测装置测量不同拉力条件下，所述绞合式碳纤维导线、第一金具、第二金具在热循环过程中的温度情况；

S3、在热循环试验过程中，周期测量绞合式碳纤维导线和金具的电阻值。在一定次数的热循环试验结束后，开展绞合式碳纤维导线和金具的相关测试，评估其老化情况。

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