碳纤维复合芯导线损伤检测
第２４卷第１２期Ｎｏ．１２
２０１１年１２月
ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ嗍ＩＣ
广东电力
Ｖ０１．２４ｐ０ＷＥＲＤｅｃ．２０１１
碳纤维复合芯导线损伤检测
钟飞１，黄丰１，张春雷１，朱波２
（１．广东电网公司电力科学研究院，广东广州５１００８０；２．山东大学材料科学与工程学院碳纤维工程技术研究中心，山东济南２５００６１）
摘要：针对碳纤维复合芯导线抗剪切强度低、易劈裂，其损伤无法用肉眼识别，易造成断线事故的问题，探讨利用超声波和红外线对碳纤维复合芯棒损伤进行检测的可行性，实际测试结果证明，利用超声检测短距离碳纤维复合芯棒的缺陷是可行的。
关键词：碳纤维复合芯导线；Ｘ射线实时成像技术；红外成像检测；激光超声中图分类号：ＴＭ９３７
文献标志码：Ｂ
文章编号：１００７．２９０Ｘ（２０１１）１２．００６７．０３
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ＺＨＯＮＧＦｅｉｌ，ＨＵＡＮＧＦｅｎ９１，ＺＨＡＮＧＣｈｕｎ－ｌｅｉｌ，ＺＨＵＢ０２
（１．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏｒｐ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５１００８０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ
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ｄｏｎｇ２５００６１，Ｃｈｉｎａ）
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碳纤维复合芯导线是近年来出现的一种新型导距；无法用肉眼识别在搬运、施工过程中造成的损线，其质量比同规格普通导线轻２０％左右，热膨伤，易造成断线事故。本文通过实例说明复合材料胀系数小于２×１０。６℃～，在高温下弧垂不到常规缺陷早期检测的重要性，并针对碳纤维复合芯导线钢芯铝绞线（ＡｃＳＲ）导线的１／１０，抗拉强度大于２的损伤检测进行初步分析。
１００ＭＰａ，运行温度可达１８０℃，相同直径时铝材截面积为常规ＡＣＳＲ的１．２９倍，载流量大［１‘２］，１碳纤维复合芯导线损伤实例
具有良好的发展前景。但碳纤维复合芯导线也存在２０１０年１２月１５Ｅｔ，１１０ｋＶ社南线１５号至
一些缺点，如抗剪切强度低、易劈裂；国产碳纤维１６号杆Ｌ３相碳纤维复合芯导线断裂的主要原因是复合芯棒卷绕直径约为碳纤维芯棒标称直径的７０导线线芯受损，造成导线拉断力下降［３］。故障导线倍，与常规ＡＣＳＲ需求的５０～５５倍相比还有差
如图１所示。芯线受损或折断时，导线外表一般无异常，无法通过外表判断芯线的受损情况，目前国收稿日期：２０１１－１０—２６
内外也无相应的仪器能够在不拨开外表铝导线的情基金项目：山东省科技攻关项目（２００７ＧＧｌ０００４００５）；
况下检测到芯线受损或折断的具体情况。
南方电网重点科技项目（Ｋ．ＧＤ２０１１－４３５）
２００８年６—９月，波兰Ｋｏｚｉｅｎｉｃｅ－Ｍｏｒｙ线
广东电力第２４卷
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意位置、任意旋转角度下对产品实时在线检测，所检测到的图像具有较高的清晰度和灵敏度１５Ｊ。
一段长１５０ｍｍ的碳纤维复合芯棒超声检测如图３所示。缺陷回波和实际缺口的位置较好地吻合，可见用超声检测短距离碳纤维复合芯棒的缺陷是可行的。
图１社南线中断裂的碳纤维复合芯导线
（ＡＣＣＣ碳纤维复合芯导线）先后３处发生断裂，原因是在安装过程中滑轮直径太小而放线张力过大，过度弯曲导致芯棒损伤，轴向拉力下多股芯线
断裂“Ｊ。
复合材料的失效行为有其独特性，一旦失效，则会迅速扩展，所以对复合材料缺陷的早期检测显
得尤为重要。
２碳纤维复合芯导线损伤检测分析
ＡＣＣＣ碳纤维复合芯导线结构如图２所示。
其以碳纤维为中心层，以玻璃纤维包覆制成单根芯
棒，其外为Ｔ型铝绞线。为了确定在运输或安装
置愁涸ｉ心？蒯＿‰置赚
（ａ）中间有缺口的碳纤维复合芯棒
（ｂ）芯棒缺口超声Ａ扫
（ｃ）一端有缺口的碳纤维复合芯棒
（ｄ）芯棒缺口超声Ａ扫
过程中芯棒是否受损，需对导线整体进行检测。如何消除铝绞线的影响而对碳纤维复合芯棒的缺陷进行检测，是一个难度较大的问题。
图３碳纤维复台芯棒超声检测
普通超声检测需要耦合剂，但输电导线表面不光滑，声波发散性大，因此该方法不适用于对长距离输电导线的检测。同时，输电导线长度为几百米到上千米，缺陷信号的衰减和检测也是问题。激光超声是利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，形成热应力，从而在物体内部产生超声波。虽然激光超声在航空领域已用于碳纤维复合材料零件和结构的无损检
（ａＪ不问类型导线
图２
‘ｂＪ
ＡＣＣＣ导线复合芯界面
ＡＣＣＯ碳纤维复合芯导线结构
测［０］，但碳纤维复合芯导线外层铝绞线会对激光能量产生反射和屏蔽，因此该方法也难以应用于对碳纤维复合芯棒的损伤检测。
２２碳纤维复合芯棒损伤红外成像检测分析
根据碳纤维复合导线的结构，芯棒的玻璃纤维将碳纤维束和铝绞线分隔开，因此可单独对碳纤维通电发热，然后用红外热像仪对其进行检测。红外检测利用物体的辐射检测物体或材料表面的缺陷，例如用金属、非金属、玻璃、陶瓷等材料制成板、棒、管材，因受到冲击或在制造过程中可能形成空洞、裂纹、厚度不匀等缺陷，而这些缺陷使热量传递不均匀，表现为各处温度不同。因此，利用红外探测器探测不同的导线温度分布，经处理后在示波
２
１碳纤维复合芯棒损伤超声检测分析
对于常规ＡＣＳＲ，可同时使用涡流检测原理和
漏磁检测原理分别对导线的铝绞线和钢芯损伤情况进行检测。但因碳纤维复合材料不导磁，无法采用漏磁检测、金属磁记忆检测等方法。
由于外层铝绞线的影响，无法采用传统的射线照相法进行检测，照相过程中各种影像层叠，检测到的缺陷图像是累积的。而采用ｘ射线实时成像技术，使射线的透照方向沿垂直于芯棒的切线方向，在导线旋转时，可检测到大多数界面缺陷。可在任
第１２期
钟飞，等：碳纤维复合芯导线损伤检测
ＣｏｎｄｕｃｔｏｒｆｏｒＬｏｗＳａｇａｔＨｉ曲Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
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器或计算机显示屏上显示出来，即可检测到导线的损伤情况。
测试采用１段长３０８ｍｉｌｌ、直径为９ｍｍ的碳纤维复合芯棒，其中部有明显断口；电阻为４．８ｎ，两端接２．４Ｖ的直流电源。红外热成像照片和实物如图４所示。测试时，热点温度为４８．９℃，辐射率为０．９８，反射温度为３０℃。缺陷处温度较高，呈鲜亮的红色，温差接近２０℃。
ＰｏｗｅｒＤｅｌｉｖｅｒｙ，２００５，２０（３）：２１９３—２１９９
Ｉ－２］彰宁云，黎继军新型耐热铝合金导线输电技术的应用研究
［Ｊ］．广东电力，２０１０，２３（２）：１８—２２
ＰＥＮＧＮｉｎｇ－ｙｕｎ，Ｌ１Ｊｉ・ｊ∞ＲｅｓｅａｒｃｈＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｏｎ
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＮｅｗ
Ａｌｕｍｉｎｕｍ—ａｌｌｏｙ
ｏｆＨｅａｔ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ
Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ［Ｊ］ＧｕａｎｇｄｏｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，２０１０，２３（２）：１８－
２２．
［３］中国南方电网有限责任公司２０１０年度典型安全生产事故汇编
［Ｇ］广州：南方电网有限责任公司，２０１１．
ＣｈｉｎａＳｏｕｔｈｅｒｎＰｏｗｅｒＧｒｉｄ
２０１０＇Ｉ、ｒｐｉｃａｌｓａｆｅｔｙＡｃｃｉｄｅｎｔｓ
Ｓｏｕｔｈｅｒｎ
Ｐｏｗｅｒ
ＣｏｍｐｉｌａｔｉｏｎＥＧ］Ｇｕａｎｇｚｂｏｕ：Ｃｈｉｎａ
２０１１
Ｇｒｉｄ・
［４］ＭＡＣＩＥＩＫ，ＤＡＮＩＥＬＡ，ＢＲＩＡＮＢＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｄｕｃｔｏｒ
Ｃｏｎ－
Ｒｅｓｅａｒｃｈａｔｔｈｅ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
Ｄｅｎｖｅｒ－ｒｅｃｅｎｔＤｅｖｅｌｏｐ・
ｒｎｅｎｔｓ［Ｒ］Ｄｅｎｖｅｒ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
“，习．叫陆删心‘；
ｒ【、，峨。ｆ推吐订．二，、：１９
ｏｆＤｅｎｖｅｒ，２０１１
［５］史建军，李得天碳纤维复合材料气瓶的ｘ射线实时成像技
术［Ｊ］．宇航材料工艺，２００９（６）：６５—６６
ＳＨＩＪｉａｎ－ｊｕｎ，ＬＩＤｅ－ｔｉａｎＲｅａｌＴｉｍｅＸ－ｒａｙＩｍａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏ－ｇＹｆｏｒＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ
图４碳纤维复合芯红外检测照片和实物
ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＣｙｌｉｎｄｅｒｓ［Ｊ］ＡｅｒｏｓｐａｃｅＭａｔｅ－
ｒｉａｌｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，（６）：６５—６６
３结束语
新型碳纤维复合芯导线的芯棒为无机非金属复合材料，其损伤检测可采用ｘ射线实时成像技术；裸芯棒损伤可采用通大电流后利用红外技术来检测；实践证明，利用超声检测短距离碳纤维复合芯棒的缺陷是可行的。
参考文献：
［１］ＡＨＭＡＤＡ，ＥＲＩＣＪＢ．ＳＴＥＶＥＮＲＮ
ＡＣｏｍｐｏｓｉｔｅＣｏｒｅ
［６］刘松平，郭思明，刘菲菲。等激光超声检澍碳纤维增强树脂
基复合材料的缺陷评估技术研究［Ｊ］无损检测，２００７，２９
（７）：３９６—３９８
ＬＩＵＳｏｎｇ－ｐｉｎｇ，ＧＵＯＥｎ－ｒｕｉｎｇ．ＬＩＵＦｅｉ・ｆｅｉ，ｅｔａｌｏｆ
ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｂｙＬａｓｅｒＵｌ・
ＤｅｆｅｃｔｓｉｎＣａｒｂｏｎ
Ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ｔｒａｓｏｎｉｃ３９６—３９８．
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］．ＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉｎｇ．２００７，２９（７）：
作者简介：钟飞（１９７９），男，湖南武冈人。工学博士，主要从
事电力器材和材料的无损检测。
（上接第５０页）ｔｒｉｅｓ
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ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌ船［Ｊ］Ｐｏｗｅｒ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，３５（２）：１２７１１３１
［９］辛建渡：温字宾，李睿电动汽车规模应用对江西电网的影响
分析［Ｊ］．江西电力，２０１０，３４（４）：１—４．２０．
ＸＩＮＪｉａｎ—ｂｏ，ＷＥＮＹｕ－ｂｉｎ，ＬＩＲｕｉ
ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＷｉｄｅｌｙＡｐ—
Ｓ州ｂｍＴｋｈ∞Ｉｏｇｙ，２０１０，３４（１１）：１２６—１３０
［６３蒋浩电动汽车充电站谐波的抑制与消除［Ｊ］．广东电力，
２０１０．２３（８）：１６—１９ＪＩＡＮＧＩ－ｌａｏ
ＨａｒｍｏｎｉｃＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄＥｌｉｍｉｎａｔｉｏｎｉｎＣｈａｒ－
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ｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｏｎＪｉａｎｇｘｉＰｏｗｅｒＧｒｉｄ［Ｊ］．ＪｉａｎｇｘｉＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ．２０１０，３４（４）：１－４，２０．
垂ＤｇＳｔａｔｉｏｎ
ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］ＧｕａａｇｄｏｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗ・
ｅｒ．２０１０，２３（８）：１６－１９．
［１０］王辉，文福拴，辛建波电动汽车充放电特性及其对配电系
［７３樊扬，余欣梅，王路南方电网区域发展电动汽车综合效益分
析［Ｊ］南方电网技术，２０１１。５（４）：５１—５４
ＦＡＮＹａｎｇ，ＹＵＸｉｎ－ｍｅｉ，ＷＡＮＧＬｕ
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统的影响分析［Ｊ］华北电力大学学报，２０１１（９）：１７—２４．ＷＡＮＧＨｕｉ．ＷＥＮＦｕ－ｓｈｕａｎ．Ｘ矾Ｊｉａｎ－ｂｏＣｈａｒｇｉｎｇａｎｄ
ＤｉｓｃｈａｒｇｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓｔｈｅｉｒＩｍｐａｃｔｓ
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ＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１。５（４）：５１－５４．
［８３高赐威，张亮电动汽车充电对电网影响的综述［Ｊ］电网技
术．２０１１，３５（２）：１２７—１３１．
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作者简介：谢莹华（】９７８）．女，湖南长沙人。助理研究员，工
学博士，研究方向为电力系统规划和设计。