新型铝包覆碳纤维复合芯导线连接金具应用研究

刘洪正

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

新型铝包覆碳纤维复合芯导线连接金具应用研究

刘洪正

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

基于碳纤维复合芯导线连接金具的运行特点和存在问题，采用全新液压式工艺对碳纤维复合芯导线和复合碳芯进行连接，实现铝包覆碳纤维复合芯导线与耐张线夹、接续管等金具的可靠结合，成功解决了碳纤维连接金具造价成本高，施工工艺复杂，易对碳纤维芯造成损伤等问题。通过研制新型碳纤维复合芯导线耐张线夹和接续管，并进行力学性能测试，探讨对铝包覆碳纤维复合芯导线复合芯径向耐压性能和抗剪切力性能的影响。实验结果表明，新型碳纤维复合芯导线连接金具不仅具备传统碳纤维复合芯导线配套金具的优点，同时造价低，施工工艺与普通钢芯铝绞线相同，大幅提高了现场施工的安全性，为特高压输电线路安全运行提供可靠保障。

碳纤维复合芯导线；铝包覆；连接金具；接续管；耐张线夹

0 引言

基于碳纤维复合芯导线的优点，如电气、机械等性能方面优于普通钢芯铝绞线、应用优势突出、结构新颖等，有利于提高压接管、耐张线夹与导线的压接强度［1-2］。但是碳纤维复合芯导线依靠承力芯承载，夹紧固定需要特殊的要求，耐张金具、中间接续金具与普通导线不同，压接及安装方法明显区别于普通导线确保在安装时对碳纤维复合芯导线不产生任何损伤。因此在施工过程中，工艺复杂，施工质量要求高，其中以金具压接最为突出。同时，在施工过程中需特别注意不能损伤导线。在实际使用过程中，运行时的备品备件、应急抢修等方面均存在一定的难度，限制了碳纤维导线的应用。

1 传统碳纤维复合芯导线金具

1.1 连接金具设计原理

传统碳纤维复合芯导线配套金具是根据碳纤维复合芯导线结构特性，采用楔形自锁内螺纹自锁原理，楔形自锁无逆向力的理论研制而成［3］，如图1所示。

图1 楔型金具示意图

当楔形内套受到外预紧力P时，整个楔形内套和碳纤芯沿P方向前进，因楔形内套开有双向间隔槽，楔芯受力状况是随P增大而增大，而且越来越大，当槽中双向间隔达到最小值时，碳纤维复合芯的握紧力受挤压即正压力达到最大，不可逆向、自锁［4-5］。基于传统碳纤维复合芯导线金具设计及使用情况，在实际使用中其受力情况如图2所示。

图2 楔型金具受力图

从受力可以看出，当预紧力达到最大时，在其接触处的碳纤维复合芯约束力 （法向反力N与最大静摩擦力Fmax的合力）与反力N之间的夹角θ称为静摩擦角、静摩擦力的方向与相对滑动趋势的方向相反，它的大小在零与最大值之间，是个未知量；摩擦角的正切等于静摩擦系数［9］，即

Fmax-P=0时，处于平衡静止中。从中分析楔形力与物体间摩擦系数和摩擦角（楔形锥度）密切有关，有一定函数关系。在摩擦的平衡中，如果作用于物体的全部主动的合力P作用在摩擦角θ之内，则无论这个力多大，物体必保持静止，这就是自锁原理［6］。

楔芯握力大小与楔外套和楔形内套之间摩擦系数开口间隙和锥度及碳纤维复合芯摩擦系数（碳纤维复合芯主要受挤压即正压力），物与物间摩擦系数、楔形锥度和楔形内套开口间隙选择，就是设计楔形线夹握力的关键技术，楔形长度不是决定性因素。

1.2 传统碳纤维复合芯导线配套金具存在问题

传统碳纤维复合芯导线配套金具缺点［9-10］：造价成本高，是普通液压式金具的4～6倍；施工工艺复杂，施工作业人员要求严格；由于施工工艺特殊性，容易对碳纤维复合芯造成损伤，现场压接时施工作业人员劳动强度高，需要专业技术人员现场指导。

2 碳纤维复合芯导线新型连接金具

2.1 连接金具设计

新型碳纤维复合芯导线是根据普通钢芯铝绞线使用的液压式金具优化改进而成。采用原理与普通钢芯铝绞线使用的液压式金具相同［11-12］。结构如图3、图4所示。

图3 新型碳纤维复合芯导线配套耐张金具

图4 新型碳纤维复合芯导线配套接续管

新型碳纤维复合芯导线配套的液压式金具拉断力计算，首先计算内衬管、铝管的铝层截面积，再乘以相关材料的材料强度。比如新型碳纤维复合芯导线的配套金具，其中新型碳纤维复合芯导线计算拉断力为234 kN，内衬管外径为Φ29 mm，内径为Φ19 mm，计算内衬管的握力为141.3 kN；铝管的外径为Φ68 mm，内径为Φ39 mm，计算铝管的握力为328.8 kN。计算公式

式中：F为计算拉断力；D外为外径尺寸；D内为内径尺寸；Rm为材料强度，铝材的强度为135 MPa，Q235钢材的强度为375 kN。

从理论计算中表明可以使用普通钢芯铝绞线相同的液压式金具。主要需要考虑的为碳纤维复合芯导线在压接过程中不受到外力的损伤，影响碳纤维复合芯的强度［13-14］。

2.2 性能测试

铝材进行压接需要增加长度，保证内衬管、铝管与碳纤维复合芯导线之间有足够的摩擦力，通过摩擦力提供足够的握力；Q235钢材进行压接需要确保对铝包覆压接后的铝的压缩比的计算，压缩比过大容易造成芯棒的损坏，压缩比过小容易造成滑移现象。通过分析确定使用铝材质和Q235钢材质后，采用拉力试验机，并参考新型碳纤维复合芯导线的试验情况，按照不同压接比例进行对铝材质和Q235钢材质进行拉力试验，如图5所示。

图5 耐张金具试验照片

依据GB／T 2315—2008《电力金具标称破坏载荷系列及连接型式尺寸》，对耐张金具进行拉力试验，分析并确定最终金具的尺寸和其他参数，具体情况如表1所示。

表1 压接长度测试平均值

通过分析确定金具的尺寸，对新型碳纤维复合芯导线连接金具进行不同压力对压接的影响分析如表2所示。

表2 压力测试平均值

通过分析，确定连接金具压力值为75 MPa，压力达到75 MPa后即可满足GB／T 2314—2008《电力金具通用技术条件》内对金具握力对导线计算拉断力要求。而针对不同材质金具在压接时还要进行保压，从而确定进行不同保压时间对压接效果和碳纤维复合芯的影响，如表3所示。

表3 保压时间测试平均值

根据上述试验数据和GB／T 2315—2008《电力金具标称破坏载荷系列及连接型式尺寸》，可以确定使用铝材质和Q235钢材质制造的连接金具，压接长度达到计算长度后继续增加长度不会再增加拉力，压接时压力达到75 MPa后即可满足要求，压力达到要求后，保压是为了使金具和导线的结合更充分、更牢固，而碳纤维复合芯棒的特殊性，如保压时间过长会造成芯棒损伤，进而影响导线复合芯径向耐压性能和抗剪切力性能。

2.3 新型金具应用

2.3.1 接续管

新型碳纤维复合芯导线接续管压接步骤为金具清洁、导线校直、剥软铝型线、清洗导线涂电力脂、衬管穿管、衬管压接、铝管穿管及预偏、铝管压接、清理飞边、测量尺寸、检验。

衬管压接。首先检查接续管衬管内碳纤维芯是否符合要求，第一模压模中心应与接续管衬管中心相重合，然后分别依次向管口端连续施压。一侧压至管口后再压另一侧。压接操作时，应以模具达到合模状态为标准，合模时的参考压力值约为75 MPa。两侧液压完成后，从液压机中取出。用板锉清除毛刺。测量压接后的长度、对边距、两侧铝线端头的距离、衬管端头距铝线端头间距等尺寸并记录。接续管衬管压接如图6所示。

图6 接续管衬管压接示意

铝管穿管及预偏。先将铝管中心与衬管中心对齐的位置在铝管管口处做出标记，然后根据铝管总伸长量的一半为偏移量向牵引场侧偏移，使用2 000 kN压接机时预偏量参考值为35 mm。接续管铝管穿管预偏如图7所示。

图7 接续管铝管穿管并预偏

铝管压接时取量 180 mm、360 mm、180 mm，并在这3处做上标记。从牵引场侧管口开始压第一模，逐模向张力场侧施压至同侧压接标记，压接长度为180 mm；跳过不压区360 mm后，再从另一侧压接标记逐模施压至张力场侧管口，压接长度为180 mm。压接操作时，应以合模为标准，合模时的参考压力值约为75 MPa。前后模间应有重叠区，每后一模重叠前一模应不小于5 mm。接续铝管压接如图8所示。

图8 接续铝管压接

其他压接方式及注意事项与普通钢芯铝绞线压接金具相同。经过大量的试验和实际应用证明，采用上述方式进行接续管应用时具有最佳的应用效果。

2.3.2 耐张金具

铝包覆碳纤维复合芯导线耐张金具压接分为金具清洁、导线校直、剥软铝型线、衬管穿管、钢锚及衬管压接、铝管穿管及预偏、铝管压接、清理飞边、测量尺寸、检验。

钢锚及衬管压接时，压接铝管前应注意检查钢锚及衬管管口是否与定位标记重合，以防管内异物造成穿管不到位。压接时，第一模自耐张线夹钢锚衬管侧开始，依次向管口端连续施压。压接操作应使模具达到极限以合模状态为标准，合模时的参考压力值约为75 MPa，前后模间应重叠不小于5 mm。压接完成后清除衬管压接飞边、毛刺，测量压接后衬管长度、对边距、铝线端头距衬管管口间距等尺寸并记录。钢锚及衬管穿管如图9所示。

图9 钢锚及衬管穿管

铝管穿管及预偏时，将铝管穿至极限位置后根据预偏量往回预偏一定距离。使用2 000 kN压接机时预偏量参考值为45 mm。铝管压接时，液压操作人员根据工程的施工技术文件，确定耐张线夹钢锚环与铝管引流板的方向。调整耐张线夹钢锚和铝管至规定的方位。铝管穿管并预偏如图10所示。

为了防止液压机妨碍铝管的正常施压，应可将铝管引流板调至向上方向。再次确认预偏量，从导线侧管口处开始压接压接长度为210 mm，逐模施压至不压区标记，隔过不压区，再从另一侧不压区标记逐模压至钢锚侧管口。铝管压接如图11所示。

图10 铝管穿管预偏示意

图11 铝管压接

铝管压接的其他方式其及注意事项与普通钢芯铝绞线压接金具相同。经过大量的试验和实际应用证明，采用上述方式进行接续管应用时具有最佳的应用效果。

3 结语

通过创新传统碳纤维复合芯导线连接金具工艺。采用全新液压式方法研制适用于新型铝包覆碳纤维复合芯导线的配套金具，其施工工艺相较于碳纤维导线配套金具，具有价格低、工艺简单、易掌握优点。金具通过与铝包覆技术碳纤维复合芯导线有效连接，力学性能优异且对铝包覆碳纤维复合芯导线复合芯径向耐压性能和抗剪切力性能无明显影响。因此大幅度降低了施工过程中对碳纤维复合芯导线造成损伤的可能，提高了现场施工的安全性，保证了电网运行的安全可靠性。新型铝包覆碳纤维复合芯导线液压式金具可大幅降低特高压线路的综合建设成本，对我国特高压电网建设和能源互联网建设具有重要意义。

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Research on Link-fittings of New Carbon Fiber Composite Core Conductor Metallized Aluminium

LIU Hongzheng
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

Based on the operation characteristics and existing problems of new link-fittings of the carbon fiber composite core conductor，a new type of hydraulic technology on carbon fiber is used to connect wires and carbon core.Therefore，the metallized aluminium carbon fiber composite core conductor is connected with the splicingsleeve and strain clamp successfully.The problems and shortcomings of the high cost，complicated construction process，and easy to damage the carbon fiber core are solved for the metallized aluminium carbon fiber composite core conductor.Through the research and mechanics performance testing of the splicingsleeve and strain clamp，its influence on the radial pressure resistance and shear force of composite core is discussed for the carbon fiber composite core conductor.The experimental results show that the new link-fittings of carbon fiber composite core conductor not only has the advantages of traditional carbon fiber composite core link-fittings，but also has the low cost，and its construction process is the same as that of ordinary aluminium cable steel reinforced.The security of site construction is greatly improved to provide reliable guarantee for the safe operation of UHV transmission lines.

carbon fiber composite core conductor；metallized aluminium；link fittings；splicingsleeve；strain clamp

TM211

A

1007－9904（2017）11－0069－05

2017-09-13

刘洪正（1962），男，研究员，主要研究方向为电气工程。