胡光亞，胡淑兵，吳 浩，孫東旺

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江西 南昌 330043；2.中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對電力的需求也在逐年增加，隨之引起了架空線路輸送容量在局部區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重不足的情況，其增容、倍容問題亟待解決。社會與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在新時代、大環(huán)保條件下對輸電線路建設(shè)也提出了更加嚴(yán)格的要求。在輸電線路輸送容量增加的同時，需確保輸電線路本體性質(zhì)的安全和可靠的運行，其次還需降低環(huán)境的破壞程度。由此產(chǎn)生了新型倍容導(dǎo)線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線就是其中一種。相對于常規(guī)的鋼芯鋁絞線，新型倍容導(dǎo)線優(yōu)點是強度高、載流量大、線路損耗較低、耐熱性能好及其重量較輕、線路熱膨脹系數(shù)小，相對的就是線路高溫弧垂較小，更加防腐蝕。相對于相同截面的鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在輸送容量方面有了很大的提升，已經(jīng)成為目前全世界架空輸電線路中理想的新型科技產(chǎn)品。但近期國家電網(wǎng)公司連續(xù)發(fā)生了4起碳纖維導(dǎo)線斷線的嚴(yán)重事故，嚴(yán)重影響了輸電線路的安全可靠運行。本文對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與配套金具傳統(tǒng)的楔形連接方式進(jìn)行了介紹，并分析了其優(yōu)缺點[1-2]，同時對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線握著力的影響因素進(jìn)行了淺析，對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在預(yù)絞絲安全備份線夾保護(hù)條件下其壓接的工藝進(jìn)行相應(yīng)措施的改進(jìn)，該方法在碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與配套金具壓接施工方面具有積極的指導(dǎo)作用。

1 國內(nèi)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線研產(chǎn)及使用情況分析

1.1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研產(chǎn)情況

相對于美國、日本等國家開發(fā)的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，我們國家對于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線研究起步較晚，但從2005年始，許多單位及企業(yè)開始重視對碳纖維芯復(fù)合導(dǎo)線的研究。劉春成等人利用A N S Y S有限元分析軟件模擬碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在溫度荷載作用下的弧垂變化特性并繪制了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線溫度-弧垂特性曲線[3]。山東大學(xué)魏晗興等人對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線線芯的密度、拉升強度、弧垂以及導(dǎo)線的應(yīng)力應(yīng)變曲線等性能做了相關(guān)研究[4]，研究結(jié)果表明碳纖維復(fù)合芯的密度很小，斷裂強度卻大大超過了普通鋼芯鉛絞線的鋼芯。中國電力科學(xué)研究院王秋玲等人主要對碳纖維復(fù)合芯的成型工藝還有其他影響因素進(jìn)行了分析研究，對其成型的工藝條件進(jìn)行了分析，其中包含了工藝影響因素和對工藝參數(shù)的一個設(shè)定[5]，給碳纖維復(fù)合芯國產(chǎn)化的進(jìn)程打下了基礎(chǔ)。牛海軍結(jié)合中國電力科學(xué)研究院碳纖維梯形軟鉛導(dǎo)線的研制、試驗情況，對導(dǎo)線的工藝流程進(jìn)行了介紹，著重說明了碳纖維復(fù)合芯的研發(fā)和導(dǎo)線絞制以及梯形軟侶單絲拉制[6]。針對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的性質(zhì)，谷俊秀等人完成了讓碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線跟金具的連接可靠，比如像一些接續(xù)管或者耐張線夾等[7]。其次，谷俊秀等人還對輸電線路以及變電站用的接續(xù)管或者耐張線夾進(jìn)行了研制。國家《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》里面提出，需著力研產(chǎn)新型材料、先進(jìn)材料、復(fù)合材料。為了響應(yīng)國家號召，國家電網(wǎng)公司對于碳纖維復(fù)合芯材料相繼出臺了一系列的方案，針對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，對其國產(chǎn)化的使用、如何減少成本、材料的安全使用壽命、線路的在線及無損耗檢測等進(jìn)行了相關(guān)分析。

1.2 輸電線路中碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在我國得到了大量的使用，目前為止，我們國家使用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的輸電線路里程已經(jīng)超出了7 000 km，尤其在220 kV及以下電壓等級線路中使用最多，相對于全球復(fù)合芯導(dǎo)線輸電線路總長度，已占一半以上。

在電壓等級、地理方位、冰、風(fēng)區(qū)因素等不同條件下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在我們國家的運行狀況表現(xiàn)良好，但也有個別輸電線路出現(xiàn)了斷線斷股等嚴(yán)重影響輸電線路運行的重大事故。因此需要進(jìn)一步對碳纖維導(dǎo)線的壓接工藝、改進(jìn)措施等方面展開研究。

2 傳統(tǒng)液壓壓接工藝

相對于鋼芯鋁絞線，考慮碳纖維復(fù)合芯材料比較特殊的性質(zhì)，與之配套的金具產(chǎn)生了較多的改變，因此引起了導(dǎo)線的的液壓壓接工藝有很大的不同。

結(jié)合碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線其相配套的金具，考慮其握著力影響因子及其拉斷力研究經(jīng)驗，本文對其液壓壓接工藝進(jìn)行說明對比，在后面電網(wǎng)輸電線路使用這類導(dǎo)線的液壓壓接方面具有積極指導(dǎo)作用。

2.1 配套金具的作用分析

與普通的鋼芯鋁絞線相比，與碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配合的金具具有兩部分的差異：一個為耐張線夾，另一個為接續(xù)管。其中，對于耐張線夾，它的作用為把導(dǎo)線的頭部與耐張桿塔上的耐張絕緣子串連接在一起。對于導(dǎo)線的全部張力，耐張線夾需全部承載，并且其需導(dǎo)電。對于接續(xù)管，顧名思義，其需對導(dǎo)線兩個頭部進(jìn)行接續(xù)，也需全部承載導(dǎo)線張力。接續(xù)管也需有導(dǎo)電性，并且其可以使用在導(dǎo)線斷股的情況下。

分析得出，對于導(dǎo)線以及避雷線的拉力，耐張線夾幾乎全部承載。按照規(guī)定，線夾握著力需在被安裝的那個導(dǎo)線其額定抗拉力95%以上，所以對于導(dǎo)線是否符合規(guī)格需對其金具握力進(jìn)行分析研究。

2.2 配套金具的運行原理

碳纖維復(fù)合芯此類導(dǎo)線材料具有抗拉，不抗折以及芯棒比較脆和弱的特性。對于此類復(fù)合材料，其縱向的抗壓能力以及碳纖維的彎曲程度為造成材料損壞的重要因素，一旦產(chǎn)生非均勻的受力時，芯棒極易發(fā)生斷裂。所以針對碳纖維復(fù)合芯類的導(dǎo)線，與之配套的金具跟常規(guī)的鋼芯鋁絞線不再類似，需使用廠家有針對性設(shè)計的配套金具。

碳纖維導(dǎo)線專用耐張線夾主要由耐張線夾本體、耐張線夾鋼錨、楔殼、楔芯、鋁襯管組成，見圖1。碳纖維導(dǎo)線專用接續(xù)管主要由鋁管本體、楔殼、楔芯、中間連接器、頂塊、鋁襯管組成，見圖2。

圖1 碳纖維導(dǎo)線專用耐張線夾組成實物圖

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線跟常規(guī)的鋼芯鋁絞線與線夾相接方式比較，其是采用鋼錨和楔型線夾相互連接。因此，楔型線夾相對于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的握著力是衡量線路施工和投運的指標(biāo)因子。正是利用安裝后芯棒和楔型夾、楔型夾和楔型夾座存在的靜摩擦，達(dá)到聯(lián)結(jié)的作用，并且楔形夾針對芯棒移動后會夾得更緊，其連接也更加牢固。

2.3 配套金具的特性分析

對于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與之配套的金具，國內(nèi)大多數(shù)都是根據(jù)楔形結(jié)構(gòu)的基本理論實現(xiàn)研究分析的。例如針對楔形結(jié)構(gòu)，在里面加入鎖緊塞，抑或是針對連接部分，將外螺紋變成內(nèi)螺紋，通過不斷的升級改造，以此降低線夾的大小。其特點如下：

1）碳纖維復(fù)合導(dǎo)線與之配套的金具是廠家有針對性生產(chǎn)的，對其易折、易脆等特點進(jìn)行加強，并減少了配套金具不合理、不匹配等因素；

2）相對于鋼芯鋁絞線內(nèi)部鋼芯壓接后的“一次性”應(yīng)用特性，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以循環(huán)使用，節(jié)省成本；

3）相對于常規(guī)的鋼芯鋁絞線壓接要求，碳纖維復(fù)合導(dǎo)線與之配套的金具連接更嚴(yán)格，對工作人員的要求也更高；

4）楔形夾跟楔形夾座以及內(nèi)部螺紋之間需配合精確，這樣確保金具握力。因此，其制作工藝要求較高，精度更高，相對的其制造成本也提高；

5）跟常規(guī)的金具比較，配套金具多了連接的材料，增加了金具大小，因此有時在施工放線時可能比較費時。

3 影響碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線握著力的因素分析

在輸電線路設(shè)計中，金具的設(shè)計至關(guān)重要，金具的握力合格與否，是否滿足規(guī)程規(guī)范要求，直接影響著輸電線路的安全性、可靠性。導(dǎo)線握力受多方面因素的影響，因此較為精準(zhǔn)地對其握力進(jìn)行分析就顯得困難重重，以往專家學(xué)者對握力研究的資料也十分有限，本文綜合以往研究經(jīng)驗及成果，通過對影響導(dǎo)線握力的因素進(jìn)行深入綜合分析，初步形成如下結(jié)論：一是導(dǎo)線自身在生產(chǎn)加工過程中存在缺陷，在預(yù)拉之前導(dǎo)線拉斷力就達(dá)不到設(shè)計值；二是導(dǎo)線配套金具在加工過程中存在缺陷，導(dǎo)致金具噸位達(dá)不到應(yīng)有的設(shè)計值，或者設(shè)計人員在選擇配套金具時，其噸位值選擇過小，與噸位設(shè)計值不匹配等。三是導(dǎo)線與配套金具壓接時存在問題，比如壓接不實，壓接過程中接觸面存在縫隙、氣泡等缺陷。

影響碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線握著力的因素從以下幾個方面進(jìn)行分析：

1）壓接模具因素。

壓模對邊距對導(dǎo)線的握著力起著至關(guān)重要的影響，壓模對邊距過大、過小都將嚴(yán)重影響導(dǎo)線的握著力；壓模對邊距過大，會導(dǎo)致接觸面的密實度過小，即通常所說的壓不緊，時間長了極易導(dǎo)致導(dǎo)線掙脫金具出現(xiàn)導(dǎo)線滑動或脫落。壓模對邊距過小，也會帶來一系列問題：壓接時會過分?jǐn)D壓壓接管，這將導(dǎo)致壓接管與導(dǎo)線的有效接觸面積顯著減少，即導(dǎo)線在較小的集中面積上承受過大的壓力，極易導(dǎo)致導(dǎo)線挫傷，時間長了就會導(dǎo)致導(dǎo)線斷股、斷線的發(fā)生。因此壓模對邊距尺寸應(yīng)設(shè)置合理的數(shù)值，不宜過大，也不宜太小，壓接時選擇一種較為合理的壓接距范圍，使導(dǎo)線與金具結(jié)合時達(dá)到最佳的握力要求值。

2）液壓壓接工藝因素。

施工單位采用的液壓壓接工藝與導(dǎo)線握著力有著緊密的關(guān)系，碳纖維導(dǎo)線具有“硬而脆”的特點，因此碳纖維導(dǎo)線的壓接工藝也不同于一般鋼芯鋁絞線，綜合碳纖維導(dǎo)線自身的特性，其在壓接過程中，需特別注意如下問題：

（1）碳纖維導(dǎo)線所承受的拉力集中在導(dǎo)線碳纖維芯棒上，碳纖維芯棒與配套金具的連接是否可靠，直接影響著碳纖維導(dǎo)線的握著力，碳纖維導(dǎo)線與配套金具壓接過程中要嚴(yán)格按照施工工藝施工，嚴(yán)禁違規(guī)操作，杜絕圖快，圖省工，壓接過程中一定要保證碳纖維導(dǎo)線芯棒沒有裂痕，沒有損傷，否則就會給后期運行過程中導(dǎo)線斷線埋下隱患。操作工人采用扳手?jǐn)Q緊配套金具的連接設(shè)備時，要做到施力均勻，禁止碳纖維導(dǎo)線受到其他方向上的扭力導(dǎo)致芯棒受損。

（2）施工單位在導(dǎo)線分割時，應(yīng)根據(jù)碳纖維導(dǎo)線的機(jī)械特性來進(jìn)行，由于碳纖維導(dǎo)線芯棒的徑向受力很小，所以在切割時，一定要采取措施，防止芯棒突然受到其難以承受的剪切力，從而導(dǎo)致芯棒斷裂。在使用剪切工具操作時，一定要邊操作邊觀察，防止操作過程中芯棒出現(xiàn)影響芯棒抗拉力的裂紋。

（3）施工單位在進(jìn)行脫模施工時，一定要按照施工工藝操作，堅決杜絕“習(xí)慣性”違章操作，比如強力拖拽導(dǎo)線使其脫模，這樣極易導(dǎo)致導(dǎo)線某點集中受力，從而使其芯棒出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，同時也使得外層鋁股導(dǎo)線出現(xiàn)散股、斷股情況，給后期導(dǎo)線的安全運行帶來安全隱患。

（4）避免導(dǎo)線產(chǎn)生“燈籠”或者散股情況。對于壓接的步驟需采用積極的方法避免松股，對于壓接準(zhǔn)備工作，對盤卷導(dǎo)線，需對其弄直，并加上必要的綁帶。對于接續(xù)管，在其外接管的管口處，三模壓接環(huán)節(jié)后，需在金具一定距離位置，將鋁股絞弄緊，避免導(dǎo)線應(yīng)力較為集中，出現(xiàn)“燈籠”情況。耐張線夾的兩頭以及接續(xù)管構(gòu)成的纖維導(dǎo)線試樣為防止導(dǎo)線出現(xiàn)松股情況，由線夾和接續(xù)管構(gòu)成的個碳纖維導(dǎo)線試樣一頭使用正壓，另一頭使用反壓來實現(xiàn)液壓壓接。

4 基于預(yù)絞絲安全備份線夾保護(hù)的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線連接工藝改進(jìn)措施

在安裝過程中，如施工不當(dāng)，極易造成內(nèi)部芯棒損傷甚至斷裂，且這類損傷目前尚無可靠的檢測手段。近期隨著部分線路出現(xiàn)芯棒斷裂造成線路停電的事故，為保證碳纖維線路工程可以穩(wěn)定運行，必需采取合理的措施來避免出現(xiàn)安全事故。

基于碳纖維導(dǎo)線的特點，本文提出了基于預(yù)絞絲安全備份線夾保護(hù)的碳纖維導(dǎo)線連接工藝改進(jìn)方案（見圖3），對耐張線夾出口外20 m范圍導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)該范圍內(nèi)的碳纖維導(dǎo)線任意位置發(fā)生斷芯時，預(yù)絞絲安全備份線夾第一時間會承載拉力防止斷線。一旦原碳纖維導(dǎo)線在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障或者原壓縮耐張線夾失效，此碳纖維導(dǎo)線耐張備份成套裝置可以繼續(xù)拉緊導(dǎo)線，防止導(dǎo)線跌落而引起更大的事故，給搶修贏得寶貴時間，極大增加線路整體系統(tǒng)安全可靠性。

圖3 預(yù)絞絲安全備份線夾連接示意圖

5 結(jié)語

本文對國內(nèi)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線研發(fā)生產(chǎn)及應(yīng)用情況作了介紹分析，并對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與配套金具楔形連接方式進(jìn)行了介紹，并分析了其優(yōu)缺點：

1）優(yōu)點：配套金具內(nèi)部結(jié)構(gòu)可重復(fù)利用，節(jié)約資源；配套金具需要廠家專門生產(chǎn)，減少了配套金具不合理、不匹配等因素產(chǎn)生的導(dǎo)線握著力變動問題；

2）缺點：較常規(guī)的鋼芯鋁絞線的液壓壓接方式，配套的金具連接方式要求加嚴(yán)格；楔形夾跟楔形夾座以及內(nèi)部螺紋之間需配合精細(xì)，在確保金具握力的同時增加了生產(chǎn)成本；接續(xù)管增加了配套金具大小，給施工時放線造成很大不便；碳纖維導(dǎo)線芯棒“抗拉但是不抗折”，在施工放線時可能比較費時，給后期線路運行埋下隱患。

本文同時還對碳纖維導(dǎo)線握著力的影響因素進(jìn)行了淺析，提出了基于預(yù)絞絲安全備份線夾保護(hù)的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線壓接工藝改進(jìn)措施，對其與配套金具壓接工藝具有積極的指導(dǎo)作用。