基于预绞丝安全备份线夹保护的碳纤维复合芯导线压接工艺改进浅析

2019-01-11胡光亚胡淑兵孙东旺

江西电力 2018年12期

胡光亚，胡淑兵，吴浩，孙东旺

（1.国网江西省电力有限公司经济技术研究院，江西南昌 330043；2.中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西南昌 330096）

0 引言

中国经济的迅猛发展，对电力的需求也在逐年增加，随之引起了架空线路输送容量在局部区域发生了严重不足的情况，其增容、倍容问题亟待解决。社会与经济的发展在新时代、大环保条件下对输电线路建设也提出了更加严格的要求。在输电线路输送容量增加的同时，需确保输电线路本体性质的安全和可靠的运行，其次还需降低环境的破坏程度。由此产生了新型倍容导线，碳纤维复合芯导线就是其中一种。相对于常规的钢芯铝绞线，新型倍容导线优点是强度高、载流量大、线路损耗较低、耐热性能好及其重量较轻、线路热膨胀系数小，相对的就是线路高温弧垂较小，更加防腐蚀。相对于相同截面的钢芯铝绞线，碳纤维复合芯导线在输送容量方面有了很大的提升，已经成为目前全世界架空输电线路中理想的新型科技产品。但近期国家电网公司连续发生了4起碳纤维导线断线的严重事故，严重影响了输电线路的安全可靠运行。本文对碳纤维复合芯导线与配套金具传统的楔形连接方式进行了介绍，并分析了其优缺点[1-2]，同时对碳纤维复合芯导线握着力的影响因素进行了浅析，对碳纤维复合芯导线在预绞丝安全备份线夹保护条件下其压接的工艺进行相应措施的改进，该方法在碳纤维复合芯导线与配套金具压接施工方面具有积极的指导作用。

1 国内碳纤维复合芯导线研产及使用情况分析

1.1 碳纤维复合芯导线的研产情况

相对于美国、日本等国家开发的碳纤维复合芯导线，我们国家对于碳纤维复合芯导线研究起步较晚，但从2005年始，许多单位及企业开始重视对碳纤维芯复合导线的研究。刘春成等人利用A N S Y S有限元分析软件模拟碳纤维复合芯导线在温度荷载作用下的弧垂变化特性并绘制了碳纤维复合芯导线温度-弧垂特性曲线[3]。山东大学魏晗兴等人对碳纤维复合芯导线线芯的密度、拉升强度、弧垂以及导线的应力应变曲线等性能做了相关研究[4]，研究结果表明碳纤维复合芯的密度很小，断裂强度却大大超过了普通钢芯铅绞线的钢芯。中国电力科学研究院王秋玲等人主要对碳纤维复合芯的成型工艺还有其他影响因素进行了分析研究，对其成型的工艺条件进行了分析，其中包含了工艺影响因素和对工艺参数的一个设定[5]，给碳纤维复合芯国产化的进程打下了基础。牛海军结合中国电力科学研究院碳纤维梯形软铅导线的研制、试验情况，对导线的工艺流程进行了介绍，着重说明了碳纤维复合芯的研发和导线绞制以及梯形软侶单丝拉制[6]。针对碳纤维复合芯导线的性质，谷俊秀等人完成了让碳纤维复合芯导线跟金具的连接可靠，比如像一些接续管或者耐张线夹等[7]。其次，谷俊秀等人还对输电线路以及变电站用的接续管或者耐张线夹进行了研制。国家《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》里面提出，需着力研产新型材料、先进材料、复合材料。为了响应国家号召，国家电网公司对于碳纤维复合芯材料相继出台了一系列的方案，针对碳纤维复合芯导线，对其国产化的使用、如何减少成本、材料的安全使用寿命、线路的在线及无损耗检测等进行了相关分析。

1.2 输电线路中碳纤维复合芯导线的应用

碳纤维复合芯导线在我国得到了大量的使用，目前为止，我们国家使用碳纤维复合芯导线的输电线路里程已经超出了7 000 km，尤其在220 kV及以下电压等级线路中使用最多，相对于全球复合芯导线输电线路总长度，已占一半以上。

在电压等级、地理方位、冰、风区因素等不同条件下，碳纤维复合芯导线在我们国家的运行状况表现良好，但也有个别输电线路出现了断线断股等严重影响输电线路运行的重大事故。因此需要进一步对碳纤维导线的压接工艺、改进措施等方面展开研究。

2 传统液压压接工艺

相对于钢芯铝绞线，考虑碳纤维复合芯材料比较特殊的性质，与之配套的金具产生了较多的改变，因此引起了导线的的液压压接工艺有很大的不同。

结合碳纤维复合芯导线其相配套的金具，考虑其握着力影响因子及其拉断力研究经验，本文对其液压压接工艺进行说明对比，在后面电网输电线路使用这类导线的液压压接方面具有积极指导作用。

2.1 配套金具的作用分析

与普通的钢芯铝绞线相比，与碳纤维复合芯导线配合的金具具有两部分的差异：一个为耐张线夹，另一个为接续管。其中，对于耐张线夹，它的作用为把导线的头部与耐张杆塔上的耐张绝缘子串连接在一起。对于导线的全部张力，耐张线夹需全部承载，并且其需导电。对于接续管，顾名思义，其需对导线两个头部进行接续，也需全部承载导线张力。接续管也需有导电性，并且其可以使用在导线断股的情况下。

分析得出，对于导线以及避雷线的拉力，耐张线夹几乎全部承载。按照规定，线夹握着力需在被安装的那个导线其额定抗拉力95%以上，所以对于导线是否符合规格需对其金具握力进行分析研究。

2.2 配套金具的运行原理

碳纤维复合芯此类导线材料具有抗拉，不抗折以及芯棒比较脆和弱的特性。对于此类复合材料，其纵向的抗压能力以及碳纤维的弯曲程度为造成材料损坏的重要因素，一旦产生非均匀的受力时，芯棒极易发生断裂。所以针对碳纤维复合芯类的导线，与之配套的金具跟常规的钢芯铝绞线不再类似，需使用厂家有针对性设计的配套金具。

碳纤维导线专用耐张线夹主要由耐张线夹本体、耐张线夹钢锚、楔壳、楔芯、铝衬管组成，见图1。碳纤维导线专用接续管主要由铝管本体、楔壳、楔芯、中间连接器、顶块、铝衬管组成，见图2。

图1 碳纤维导线专用耐张线夹组成实物图

碳纤维复合芯导线跟常规的钢芯铝绞线与线夹相接方式比较，其是采用钢锚和楔型线夹相互连接。因此，楔型线夹相对于碳纤维复合芯导线的握着力是衡量线路施工和投运的指标因子。正是利用安装后芯棒和楔型夹、楔型夹和楔型夹座存在的静摩擦，达到联结的作用，并且楔形夹针对芯棒移动后会夹得更紧，其连接也更加牢固。

2.3 配套金具的特性分析

对于碳纤维复合芯导线与之配套的金具，国内大多数都是根据楔形结构的基本理论实现研究分析的。例如针对楔形结构，在里面加入锁紧塞，抑或是针对连接部分，将外螺纹变成内螺纹，通过不断的升级改造，以此降低线夹的大小。其特点如下：

1）碳纤维复合导线与之配套的金具是厂家有针对性生产的，对其易折、易脆等特点进行加强，并减少了配套金具不合理、不匹配等因素；

2）相对于钢芯铝绞线内部钢芯压接后的“一次性”应用特性，碳纤维复合芯导线内部结构可以循环使用，节省成本；

3）相对于常规的钢芯铝绞线压接要求，碳纤维复合导线与之配套的金具连接更严格，对工作人员的要求也更高；

4）楔形夹跟楔形夹座以及内部螺纹之间需配合精确，这样确保金具握力。因此，其制作工艺要求较高，精度更高，相对的其制造成本也提高；

5）跟常规的金具比较，配套金具多了连接的材料，增加了金具大小，因此有时在施工放线时可能比较费时。

3 影响碳纤维复合芯导线握着力的因素分析

在输电线路设计中，金具的设计至关重要，金具的握力合格与否，是否满足规程规范要求，直接影响着输电线路的安全性、可靠性。导线握力受多方面因素的影响，因此较为精准地对其握力进行分析就显得困难重重，以往专家学者对握力研究的资料也十分有限，本文综合以往研究经验及成果，通过对影响导线握力的因素进行深入综合分析，初步形成如下结论：一是导线自身在生产加工过程中存在缺陷，在预拉之前导线拉断力就达不到设计值；二是导线配套金具在加工过程中存在缺陷，导致金具吨位达不到应有的设计值，或者设计人员在选择配套金具时，其吨位值选择过小，与吨位设计值不匹配等。三是导线与配套金具压接时存在问题，比如压接不实，压接过程中接触面存在缝隙、气泡等缺陷。

影响碳纤维复合芯导线握着力的因素从以下几个方面进行分析：

1）压接模具因素。

压模对边距对导线的握着力起着至关重要的影响，压模对边距过大、过小都将严重影响导线的握着力；压模对边距过大，会导致接触面的密实度过小，即通常所说的压不紧，时间长了极易导致导线挣脱金具出现导线滑动或脱落。压模对边距过小，也会带来一系列问题：压接时会过分挤压压接管，这将导致压接管与导线的有效接触面积显著减少，即导线在较小的集中面积上承受过大的压力，极易导致导线挫伤，时间长了就会导致导线断股、断线的发生。因此压模对边距尺寸应设置合理的数值，不宜过大，也不宜太小，压接时选择一种较为合理的压接距范围，使导线与金具结合时达到最佳的握力要求值。

2）液压压接工艺因素。

施工单位采用的液压压接工艺与导线握着力有着紧密的关系，碳纤维导线具有“硬而脆”的特点，因此碳纤维导线的压接工艺也不同于一般钢芯铝绞线，综合碳纤维导线自身的特性，其在压接过程中，需特别注意如下问题：

（1）碳纤维导线所承受的拉力集中在导线碳纤维芯棒上，碳纤维芯棒与配套金具的连接是否可靠，直接影响着碳纤维导线的握着力，碳纤维导线与配套金具压接过程中要严格按照施工工艺施工，严禁违规操作，杜绝图快，图省工，压接过程中一定要保证碳纤维导线芯棒没有裂痕，没有损伤，否则就会给后期运行过程中导线断线埋下隐患。操作工人采用扳手拧紧配套金具的连接设备时，要做到施力均匀，禁止碳纤维导线受到其他方向上的扭力导致芯棒受损。

（2）施工单位在导线分割时，应根据碳纤维导线的机械特性来进行，由于碳纤维导线芯棒的径向受力很小，所以在切割时，一定要采取措施，防止芯棒突然受到其难以承受的剪切力，从而导致芯棒断裂。在使用剪切工具操作时，一定要边操作边观察，防止操作过程中芯棒出现影响芯棒抗拉力的裂纹。

（3）施工单位在进行脱模施工时，一定要按照施工工艺操作，坚决杜绝“习惯性”违章操作，比如强力拖拽导线使其脱模，这样极易导致导线某点集中受力，从而使其芯棒出现折断现象，同时也使得外层铝股导线出现散股、断股情况，给后期导线的安全运行带来安全隐患。

（4）避免导线产生“灯笼”或者散股情况。对于压接的步骤需采用积极的方法避免松股，对于压接准备工作，对盘卷导线，需对其弄直，并加上必要的绑带。对于接续管，在其外接管的管口处，三模压接环节后，需在金具一定距离位置，将铝股绞弄紧，避免导线应力较为集中，出现“灯笼”情况。耐张线夹的两头以及接续管构成的纤维导线试样为防止导线出现松股情况，由线夹和接续管构成的个碳纤维导线试样一头使用正压，另一头使用反压来实现液压压接。

4 基于预绞丝安全备份线夹保护的碳纤维复合芯导线连接工艺改进措施

在安装过程中，如施工不当，极易造成内部芯棒损伤甚至断裂，且这类损伤目前尚无可靠的检测手段。近期随着部分线路出现芯棒断裂造成线路停电的事故，为保证碳纤维线路工程可以稳定运行，必需采取合理的措施来避免出现安全事故。

基于碳纤维导线的特点，本文提出了基于预绞丝安全备份线夹保护的碳纤维导线连接工艺改进方案（见图3），对耐张线夹出口外20 m范围导线进行保护，当该范围内的碳纤维导线任意位置发生断芯时，预绞丝安全备份线夹第一时间会承载拉力防止断线。一旦原碳纤维导线在保护范围内发生故障或者原压缩耐张线夹失效，此碳纤维导线耐张备份成套装置可以继续拉紧导线，防止导线跌落而引起更大的事故，给抢修赢得宝贵时间，极大增加线路整体系统安全可靠性。