張志剛，張瑞永，賈振宏

（1.國網(wǎng)青海省電力公司海北供電公司，青海西寧 810029；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇南京 211102）

0 引言

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、導(dǎo)電率高、載流量大、重量輕、弧垂小、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，隨著制造成本持續(xù)降低，在110～500 kV 線路增容改造工程中大量使用，并在新建線路和高電壓等級線路中得到了認(rèn)可[3,4]。

為在增容改造和新建線路中規(guī)模推廣碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)相繼進(jìn)行了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析、架線壓接、舞動后受損研究[5,6]，但目前碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在交貨驗(yàn)收、掛網(wǎng)運(yùn)行和缺陷檢測方面仍缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)，特別是在2017 至2018 年連續(xù)發(fā)生了多起碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線斷線事故，而無法進(jìn)行有效的隱患排查，給輸電線路的安全可靠帶來相當(dāng)大的安全隱患。

2 典型斷線事故

2.1 500 kV 線路斷線

2017 年12 月，某500 kV 線路47#塔B 相4#子導(dǎo)線斷裂，斷線時負(fù)荷900 MW，電流約1000 A，天氣多云轉(zhuǎn)晴，氣溫5℃～9℃，當(dāng)日風(fēng)力5～10 m/s，風(fēng)力等級為3-4 級。該線路2017 年4 月完成碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線更換，導(dǎo)線型號JLRX/F2A-460/40。導(dǎo)線斷裂位置位于38#至47#塔大號側(cè)耐張段內(nèi)，距離47#塔約10.4 m。導(dǎo)線斷裂后，一端垂于耐張線夾，一端垂于第一個間隔棒。

導(dǎo)線斷裂處的鋁線未見明顯外部損傷，鋁線斷口呈拉伸頸縮狀，變形量較大，斷口平齊；小號側(cè)斷口芯棒內(nèi)縮20 mm 左右，大號側(cè)斷口芯棒內(nèi)縮50 mm。兩側(cè)芯棒斷裂面較為整齊，碳纖維未出現(xiàn)炸裂分散現(xiàn)象，芯棒外圍殘存部分玻璃纖維絲，斷口形貌與常規(guī)拉斷力試驗(yàn)形成的斷口有明顯差異，與芯棒折斷斷口相似。

2.2 220 kV 線路斷線

2018 年01 月，某220 kV 線路A 相跳閘，重合不成功。故障巡視發(fā)現(xiàn)該線路17#塔大號側(cè)A 相雙分裂導(dǎo)線下子導(dǎo)線在距離耐張線夾出口約2 m 處斷開。該線路采用JLRX1/F1B-400/50型碳纖維復(fù)合芯軟鋁導(dǎo)線，2016 年2 月投運(yùn)。故障時該地區(qū)天氣為大雪，最低氣溫零下3～6 ℃，東北風(fēng)4-5 級。

故障導(dǎo)線斷口距耐張線夾出口2.4 m，距第一個防振錘0.9 m，斷口兩端外層鋁股散開，其中耐張線夾側(cè)外層鋁股已嚴(yán)重變形。直線塔側(cè)斷線位置芯棒內(nèi)縮，芯棒裂開，斷口大部分較為平齊，裂開的玻璃纖維層有拉伸伸長痕跡。

3 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線斷線原因分析

500 kV 線路及220 kV 線路斷線均發(fā)生在平原地區(qū)，無惡劣氣象條件記錄，斷線均發(fā)生在冬季，無未覆冰，風(fēng)力一般；斷線位置臨近耐張塔，導(dǎo)線供貨、架線施工和監(jiān)理為不同的參建單位。

3.1 導(dǎo)線質(zhì)量檢測

對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線取樣進(jìn)行檢測分析，取樣位置為斷口處遠(yuǎn)離耐張側(cè)約20 m 位置，檢測項(xiàng)目包括導(dǎo)線性能、芯棒性能和軟鋁型線性能（表1）。檢測結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線各項(xiàng)性能均符合招投標(biāo)技術(shù)規(guī)范書和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 故障導(dǎo)線質(zhì)量檢測結(jié)果

3.2 承載力試驗(yàn)

碳纖維芯棒具有極良好的縱向承力性能，但耐彎折能力較差。通過對故障導(dǎo)線選取一段進(jìn)行人工彎折試驗(yàn)，當(dāng)彎折約80°角時，聽見明顯的芯棒斷裂清脆聲，此時碳纖維全部斷裂，玻璃纖維部分?jǐn)嗔?。?dāng)聽見導(dǎo)線發(fā)出“啪”的清脆響聲后停止彎折，再進(jìn)行導(dǎo)線拉伸直至鋁線全部斷開，測得碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的承載拉力見表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，芯棒折斷后導(dǎo)線剩余承載力接近鋁線的計算拉斷力，說明芯棒彎折后已受損，不能承受載荷作用。

表2 芯棒折斷后的承載拉力

3.3 斷口形貌對比

由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的承力結(jié)構(gòu)主要為碳纖維芯棒，為進(jìn)一步分析導(dǎo)線斷裂原因，將不同斷裂形式下芯棒斷口進(jìn)行對比分析，見圖1。現(xiàn)場故障導(dǎo)線芯棒斷口和人工彎折導(dǎo)線芯棒斷口較為整齊，外層玻璃纖維分散成較少的幾股，只有一側(cè)呈細(xì)絲狀，有拉伸痕跡。而正常拉斷導(dǎo)線芯棒，外層玻璃纖維層已完全呈細(xì)絲狀，內(nèi)部碳纖維斷裂位置隨機(jī)，且在剝除外層鋁線時斷口附近掉落大量碳纖維絲。

圖1 芯棒斷口形貌對比

3.4 綜合分析

對比分析故障導(dǎo)線、人工彎折導(dǎo)線、正常拉斷導(dǎo)線芯棒斷口形貌，現(xiàn)場故障導(dǎo)線芯棒斷口形貌和人工彎折導(dǎo)線芯棒斷口形貌非常相似。據(jù)此判斷導(dǎo)線發(fā)生斷裂前，內(nèi)部芯棒已受損，甚至已斷裂。

芯棒受損或斷裂后，剩余鋁線承載全部的導(dǎo)線張力，但在環(huán)境、應(yīng)力等因素的長期作用下，鋁線承載能力逐漸下降，低溫條件下導(dǎo)線的應(yīng)力變大，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在低溫和冰雪的共同作用下，導(dǎo)線張力超過了剩余鋁線允許張力，最終發(fā)生斷線故障。

4 改進(jìn)及預(yù)防措施

在導(dǎo)線生產(chǎn)、運(yùn)輸、架線施工和運(yùn)行等環(huán)節(jié)，均可能導(dǎo)致碳纖維芯棒受損，為減少碳纖維芯棒受損引發(fā)的事故，可從4 個方面進(jìn)行改進(jìn)和預(yù)防。

4.1 芯棒生產(chǎn)的質(zhì)量管控

制造企業(yè)加強(qiáng)導(dǎo)線生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品保護(hù)和質(zhì)量管控。根據(jù)碳纖維復(fù)合導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)，芯棒的玻璃纖維將碳纖維束和鋁絞線分隔開，因此在外層鋁線絞線前，逐根單獨(dú)對碳纖維芯棒通電發(fā)熱，用紅外熱像儀對其進(jìn)行通長檢測。通過對碳纖維通電發(fā)熱，空洞、裂紋、厚度不勻等缺陷會造成熱量傳遞不均勻，利用紅外探測器探測不同的導(dǎo)線溫度分布，經(jīng)處理后在示波器或計算機(jī)顯示屏上顯示出來，即可檢測到導(dǎo)線的損傷情況。

4.2 導(dǎo)線架線

如碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在安裝中施工不當(dāng)，極易造成內(nèi)部芯棒損傷甚至斷裂，且這類損傷在耐張線夾接續(xù)后尚無可靠的檢測手段，為此應(yīng)嚴(yán)格控制施工工藝。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線放線滑車應(yīng)滿足輪槽底部直徑大于導(dǎo)線直徑的30 倍，輪槽深度大于導(dǎo)線直徑1.25 倍，輪槽口寬度大于導(dǎo)線直徑2.4 倍，且能保證順利通過各種聯(lián)接器的要求。在放線過程中，放線滑車上的包絡(luò)角超過25°，或滑車輪槽底部直徑小于30 倍直徑時，應(yīng)加掛雙放線滑車，必要時采用多輪復(fù)合式滑車。同時建議放線施工結(jié)束后，截斷碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線卡線器以外的部分。

4.3 放線后芯棒試?yán)?/h3>

碳纖維芯棒的失效行為較為獨(dú)特，一旦失效，會迅速擴(kuò)展，所以在耐張線夾和接續(xù)管接續(xù)前，需及時檢測碳纖維芯棒的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)芯棒斷裂受損、僅由鋁線持力的帶病投運(yùn)現(xiàn)象的發(fā)生。

建議放線施工后、耐張線夾接續(xù)安裝前，適當(dāng)放松緊線器，對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線芯棒以導(dǎo)線架線張力緊線試?yán)箤?dǎo)線張力完全由芯棒承擔(dān)，受損的芯棒很容易因受力從導(dǎo)線中拉出，以及時暴露碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線芯棒受損或斷裂缺陷。

4.4 連接工藝改進(jìn)

在碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的斷線事故中，耐張線夾壓接不良、卡線器過滑車或卡線器卡線不當(dāng)，均會造成耐張線夾出口處斷線，上述事故點(diǎn)一般集中在耐張線夾出口外20 m 范圍內(nèi)。預(yù)絞絲備份線夾可對耐張線夾出口外20 m 范圍導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)，一旦保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障或耐張線夾失效時，備份線夾可以繼續(xù)拉緊導(dǎo)線，防止導(dǎo)線跌落引起二次事故，贏得搶修時間。

5 結(jié)語

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的承力結(jié)構(gòu)主要為碳纖維芯棒，在導(dǎo)線生產(chǎn)、運(yùn)輸、架線施工和運(yùn)行等環(huán)節(jié)，均可能導(dǎo)致碳纖維芯棒受損，但在導(dǎo)線架線完成后，剩余鋁線可在一般荷載條件下短期承載全部的導(dǎo)線張力，由于缺少有效的架線后檢測手段，導(dǎo)致芯棒受損的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線帶病運(yùn)行，線路斷線事故已無法避免。為減少碳纖維芯棒受損引發(fā)的斷線事故，可分別針對芯棒生產(chǎn)質(zhì)量管控、導(dǎo)線架線、放線后芯棒試?yán)约斑B接工藝等方面進(jìn)行質(zhì)量控制和改進(jìn)，及時暴露事故隱患，并進(jìn)行隱患點(diǎn)備份、贏得搶修時間。