吳少雷，馮 玉，吳 凱，陳 銳，王 偉

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引言

社會生產(chǎn)力的提高使得機(jī)關(guān)廠礦和百姓對電力的依賴程度日益增強(qiáng)。絕緣穿刺線夾作為一種電力接續(xù)金具，已被廣泛運(yùn)用于配網(wǎng)架空線路、建筑施工等多個領(lǐng)域。絕緣穿刺線夾主要是用來完成1 kV，10 kV或20 kV電纜、絕緣導(dǎo)線(以下簡稱線纜)主、支線的接續(xù)技術(shù)，與以往接續(xù)技術(shù)相比較，絕緣穿刺線夾的結(jié)構(gòu)特性更符合電纜的供電形式。由于絕緣穿刺線夾具有安裝簡便、可靠安全以及高性價比等優(yōu)越性，在發(fā)達(dá)國家早已廣泛使用，并且在線路安全穩(wěn)定運(yùn)行時長超過40年。近年來，在國內(nèi)穿刺線夾連接方式逐漸取代電纜分線箱和預(yù)分支電纜等連接方式，解決了線纜接續(xù)面臨的技術(shù)難點(diǎn)，同時創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，很有發(fā)展前途。

在使用絕緣穿刺線夾進(jìn)行電力線路接續(xù)作業(yè)的過程中，其安裝方式主要是依靠絕緣防護(hù)措施近距離操作，實(shí)施難度高、人力物力耗費(fèi)大，同時在安全性上還存在一定的風(fēng)險。因此，電力企業(yè)對如何更安全、高效的安裝線夾投入了很大精力，例如優(yōu)化線夾設(shè)計，又或是研制相關(guān)的絕緣安裝工具，使得工作效率和安全性得到極大的提升。

1 絕緣穿刺線夾簡介

絕緣穿刺線夾如圖1所示。它主要由絕緣體、穿刺接觸刀片、密封膠圈、力矩螺母與螺栓等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 絕緣穿刺線夾

圖2 絕緣穿刺線夾結(jié)構(gòu)

其工作原理是：在擰緊力矩螺母的過程中，絕緣穿刺線夾的2塊絕緣體同時緊閉，隨著絕緣體的運(yùn)動，絕緣體內(nèi)部嵌套的穿刺接觸刀片從接觸線纜的絕緣皮層進(jìn)入，再刺破絕緣皮層與金屬導(dǎo)線接觸。當(dāng)穿刺刀片與線纜金屬導(dǎo)線接觸效果達(dá)到最佳時，即擰緊和穿刺力度達(dá)到最佳時，力矩螺母會自動斷裂脫落，穿刺完成。在整個穿刺過程中，隨著絕緣體的閉合，線夾內(nèi)部密封膠圈不斷壓迫穿刺位置附近，同時絕緣體內(nèi)的硅脂也會溢出，填充穿刺產(chǎn)生的間隙，以達(dá)到密封防水效果。

2 安裝作業(yè)現(xiàn)狀

在配電線路中，許多線纜架空敷設(shè)，工作人員在地面無法直接開展絕緣穿刺線夾的安裝作業(yè)。

目前，國內(nèi)外絕大多數(shù)絕緣穿刺線夾安裝采用絕緣斗臂車輔助安裝。因斗臂車具有良好的絕緣性能，可保證工作人員的人身安全；且結(jié)構(gòu)機(jī)動性好，使得作業(yè)空間范圍廣，升空作業(yè)十分方便。當(dāng)工作人員在絕緣斗臂車上工作時，必須事先做好絕緣防護(hù)措施，包括絕緣服與絕緣手套的穿戴。在工作過程中，需事先將支線纜放入線夾支線槽，讓線夾主線槽定位主線纜。在保持與主、支線槽良好配合的主、支線纜相互平行后，再完成線纜接續(xù)工作。

但在地形復(fù)雜、路面傾斜等復(fù)雜條件下，或是斗臂上方存在障礙物時，絕緣斗臂車的使用就受到了限制，帶電作業(yè)無法順利開展。此時，一般是在作業(yè)對象附近搭建絕緣平臺來開展帶電作業(yè)；但搭建絕緣平臺人力物力耗費(fèi)龐大，且勞動強(qiáng)度更大，不是理想作業(yè)方式。

2.1 直接作業(yè)

直接作業(yè)法就是在絕緣防護(hù)條件下帶電安裝絕緣穿刺線夾的作業(yè)方法。此方法需要多個工作人員合作完成；不僅需要確定穿線線夾與主、支線纜的把持定位，還要依靠輔助工具(套筒扳手)擰緊絕緣穿刺線夾力矩螺母。這就使得絕緣穿刺線夾安裝可靠性受到人為操作和工作人員專業(yè)水平的影響。

為了提高線夾安裝可靠性，從絕緣穿刺線夾本身結(jié)構(gòu)入手，提出了一些改進(jìn)措施，如對普通絕緣穿刺線夾進(jìn)行優(yōu)化，加長了緊固力矩螺母，以方便操作桿安裝；在線夾絕緣體兩側(cè)增加了導(dǎo)線柔性固定器，從而限制導(dǎo)線的位置；另外，在不影響穿刺效果的前提下，對穿刺刀片的刀刃進(jìn)行圓潤處理，提高了刀片與線纜金屬導(dǎo)線的接觸面積。

2.2 絕緣工具作業(yè)

在直接作業(yè)法中，由于人體與帶電體間隔過近，必須占有帶電設(shè)備固有凈空，設(shè)置、拆除絕緣遮蔽過程較危險，操作程序復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)過程中存在較大的安全風(fēng)險；所以配套設(shè)計了絕緣工具，使人體無需占據(jù)帶電設(shè)備固有凈空，與帶電體的安全距離得到保證，作業(yè)安全性得到改善。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，沈一平等通過分析絕緣穿刺線夾本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對線夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，在絕緣外殼部分增加了支線固定裝置，以及在螺栓部分配置了操作桿的軌道裝置，研制出了一種新型絕緣穿刺線夾及其絕緣聯(lián)動桿配套操作裝置，并開展了相關(guān)性能試驗(yàn)和實(shí)地運(yùn)行，接續(xù)性能穩(wěn)定可靠。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，詹斌等設(shè)計了一種間接接引法及其應(yīng)用延伸的10 kV帶電安裝絕緣穿刺線夾工具，可在線纜接續(xù)位置進(jìn)行引線測量和量取，并利用操作桿將穿刺線夾舉入安裝位置；此時可將主線纜推至線夾的主線槽內(nèi)，再利用鎖桿定位支線纜將其推送至穿刺線夾的支線槽，最后利用操作桿間接控制扳手，擰緊穿刺線夾的力矩螺栓。

絕緣工具的使用是更高效普遍的線夾安裝技術(shù)，省時省力，大大減少人員勞動強(qiáng)度。在絕緣工具設(shè)計時不僅要考慮安全性，也需要關(guān)注工具的可靠、高效和便捷。

2.3 機(jī)器人作業(yè)

隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器和人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，絕緣穿刺線夾安裝作業(yè)以及其他帶電作業(yè)機(jī)器人的研究也在不斷推進(jìn)。帶電作業(yè)機(jī)器人可輔助人員操作，或是直接代替工作人員完成整個作業(yè)過程；不僅保證了工作人員的人身安全，而且提高了工作效率，操作規(guī)范性強(qiáng)。但機(jī)器人價格昂貴，對作業(yè)空間也有一定要求，目前在復(fù)雜架設(shè)方式的配電線路上難以使用，離大規(guī)模商用還存在一定差距。

3 存在問題和改進(jìn)措施

絕緣穿刺線夾本身質(zhì)量不過關(guān)是配電線路線夾運(yùn)行出現(xiàn)故障的重要原因。質(zhì)量問題集中體現(xiàn)在：線夾緊固力矩螺母的強(qiáng)度和尺寸大小不同，會造成與導(dǎo)線金屬部位的穿刺接觸面大小有異；絕緣殼體材料性能差、嵌套的穿刺刀片組數(shù)少或刀片材料導(dǎo)電性差、密封設(shè)計及安裝工藝不合理等。這些問題都會造成線夾使用壽命下降，甚至導(dǎo)致線路故障。

3.1 線夾設(shè)計

穿刺線夾力矩螺母扭矩值的設(shè)定是線夾安裝可靠性的關(guān)鍵。從穿刺線夾的工作原理可以看出，線夾完成主線纜與支線纜的接續(xù)完全依靠穿刺刀片刺穿線纜絕緣皮層直至接觸金屬導(dǎo)線。

良好的接觸效果必須依靠力矩螺母扭矩值的合理設(shè)定。如果緊固力矩螺母的扭矩值預(yù)設(shè)太小，會造成上述過程中的接觸不到位，刀片與金屬導(dǎo)線的實(shí)際電氣接觸面積較小，從而使接觸電阻變大，電流通過時產(chǎn)生過高的焦耳熱，甚至燒毀線夾和導(dǎo)線。如果力矩螺母的扭矩值預(yù)設(shè)太大，穿刺刀片會刺破導(dǎo)線金屬表層使導(dǎo)體損傷，影響導(dǎo)線的載流量，同時使一直承受線路張力的導(dǎo)線機(jī)械強(qiáng)度降低，極有可能引發(fā)線路斷開事故。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]，李禾等通過試驗(yàn)探討了絕緣穿刺線夾力矩螺母扭矩值的確認(rèn)方法，為解決當(dāng)前在穿刺線夾應(yīng)用中存在的主要問題提供了思路。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，應(yīng)含含等針對線纜長期運(yùn)行可能發(fā)生的蠕變現(xiàn)象，在穿刺線夾固定扭矩值力矩螺母設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加配置了一種碟形彈力墊片，可在力矩螺母達(dá)到預(yù)定扭矩斷裂時吸收產(chǎn)生的反彈能量。該能量可在線纜蠕變時及時釋放補(bǔ)償，從而保證原有的穿刺與接觸效果，使安裝可靠性得以延續(xù)。

穿刺刀片作為線纜的過渡導(dǎo)體，與導(dǎo)線的接觸問題也是影響安裝可靠性的重要因素。宏觀上，穿刺線夾的穿刺點(diǎn)是面接觸。從線夾的工作原理來看，在緊固力矩螺母的過程中，隨著力矩螺母的繼續(xù)緊固，穿刺刀片會繼續(xù)深入穿透絕緣層，同時刀片尖頭會與絕緣層摩擦，摩擦?xí)沟镀忸^逐漸變成禿頭，最終刀片尖頭與導(dǎo)體接觸時會變成面接觸。為了保證更好的有效接觸面積和導(dǎo)電性能，穿刺接觸刀片多是利用高導(dǎo)電合金外加鍍銅鋅工藝制成，有利于銅鋁制電纜導(dǎo)線的過渡。為了適用于直徑異同的線纜連接，刀片的穿刺結(jié)構(gòu)設(shè)計呈圓弧形，擴(kuò)大了線纜的連接范圍。另外，單個穿刺線夾所含的刀片組數(shù)依據(jù)作業(yè)條件也有限定，組數(shù)過少會使接觸電阻過大；組數(shù)過多則會造成對導(dǎo)體的損傷，降低導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度和載流性能。

傳統(tǒng)穿刺刀片對殼體的壓力太大，刀片背部的絕緣體阻力太小，受熱膨脹后容易與殼體脫離一段距離，從而形成虛接。另外，穿刺線夾在運(yùn)行過程中，會受到線纜的拉力、雨水腐蝕、風(fēng)吹震動和積雪覆蓋，這些都對線夾絕緣體的材料性能提出了更高要求。因此，選擇絕緣體材料時，必須關(guān)注其是否具有良好的抗扭防震、防水耐腐蝕、耐高溫和較高的硬度彈性等特性。

3.2 安裝工藝

穿刺線夾的選用不僅需根據(jù)電壓或其他條件，還要事先測量所連接的主、支線纜的線徑，挑選合適的線夾。選型不匹配極有可能帶來導(dǎo)線虛接或?qū)Ь€斷裂等后果。

絕緣穿刺線夾多為雙力矩螺母結(jié)構(gòu)，且2個螺母相距較近。目前使用的力矩螺母擰緊工具為單輸出結(jié)構(gòu)的套筒扳手，操作時必須先后交替擰緊螺母，擰緊不同步很容易導(dǎo)致穿刺變形，影響穿刺接觸效果。同樣，在利用單輸出結(jié)構(gòu)的絕緣力矩螺母擰緊工具進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時，工具輸出端口與力矩螺母的配合需要來回切換，過程繁瑣并且費(fèi)時費(fèi)力，大大降低了工作效率。

安徽省電力公司電力科學(xué)院在2018年研制了一種對絕緣穿刺線夾力矩螺母輸入扭矩的同步雙輸出沖擊裝置，由電機(jī)帶動沖擊塊旋轉(zhuǎn)，通過沖擊塊的儲能、減速，再經(jīng)過齒輪組的傳動，給雙輸出軸輸出動力。螺栓尾部的沖擊式擊斷可以保證擰緊力矩，進(jìn)而保證觸點(diǎn)的接觸。2個輸出端的同步靜差率通過測試保持在0.06 %以內(nèi)，完成單個線夾安裝平均耗時0.5 min，作業(yè)效率得到顯著提高。

使用絕緣工具安裝作業(yè)時，主線與支線的定位也值得考究，若安裝過程中主線或支線滑移甚至脫落，會造成安裝不可靠或失敗，這是研制工具時值得重視的一點(diǎn)。安徽省電力公司電力科學(xué)院設(shè)計了一種安裝工具，由操作人員先將線夾與支線纜夾緊固定在工具上，再利用整個工具去捕獲定位主線纜進(jìn)行安裝，待安裝完成后利用工具的解鎖機(jī)構(gòu)同步解鎖線夾、主線纜和支線纜，保證了工藝質(zhì)量，自動化程度高，操作簡單。

4 結(jié)束語

絕緣穿刺線夾作為工程、電力等行業(yè)廣泛應(yīng)用的電氣設(shè)備，解決了線纜接續(xù)的技術(shù)難題，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，開發(fā)更為高效、安全、可靠的絕緣穿刺線夾安裝方式已逐步成為現(xiàn)階段的研究趨勢。