基于碳纳米合金的智慧线夹

桂卓为 张教练 王万亭 陈贤辉 郑素群

（杭州电力设备制造有限公司临安恒信成套电气制造分公司）

0 引言

在配电工程中，导线连接是极其关键的工序[1]。金具、线夹接头处质量的好坏将直接影响线路的运行及使用寿命，在线路长期运行过程中，金具、线夹等处常出现表面氧化腐蚀、紧固螺栓松动、触点接触不良等问题，造成设备过热，从而导致火灾和大面积的停电事故，造成重大的经济损失及严重的社会影响[2]。

根据电力运维部门的调查统计，在实际线路抢修故障中由电线电缆本体质量问题而引发的故障占比相对较小，而超过六成故障发生在缘导线与线夹下引线之间的连接点处。线夹作为输电线路中最常见的接续金具，它不但起到了导线之间的接续作用，而且还是电流的载体。但是由于投入线路中的线夹使用的金属材料各不相同、数量繁多，而且缺乏统一的标准来核验安装完成后是否满足用电要求，这就使线夹成为输电线路中最薄弱的环节[3]。

在实际应用中，铸铁金具的应用最为广泛，但是其质量较大、容易发热等弊端在线路运行中逐渐暴露出来，而且生产过程中金具表面热镀锌工艺对环境污染严重，也不符合国家电网“绿色、清洁”的发展方向。智能电网作为电力系统发展建设的方向，要求对线路的运行状态进行实时监测，以便及时发现并排除线路故障。农网线路作为配网的重要组成部分，线路分支多，覆盖面积广，因此配网线路的接续处需要大量的使用连接线夹来进行配网建设，非常不便于巡检和排故。对于线路中安装线夹的地方，如果能够对一些重点线路进行实时监测和预警，就能够大大提高线夹的安全性和适用性[4]。然而，由于输电线运行时存在电压，且距地面较高，难以进行人工巡查测温或采用有线方式测温。长期以来，电力运营部门缺乏对输电线路进行实时温度监测的有效手段，一种基于无线温度并带有故障定位传感器网络技术的智慧线夹应运而生。

1 新型智慧线夹的材料及结构

目前，我国配电线路仍在大规模使用铸铁金具，在实际运行中会产生巨大的能耗，并且铸铁金具的镀锌污染问题也与国家提倡的绿色电力不符。在行业早期，就采用铝合金材料作为节能金具材料，但由于铝合金强度不足的天然缺陷，极大限制了它在金具领域的进一步推广与使用。因此材料是高性能节能金具发展的最大瓶颈。现在主要从两个方面提升铝合金材料的强度，一种方法是通过添加某些合金元素，形成合金材料起到强化作用；另一种方法是添加如氧化铝、碳化硅等铝基复合材料。方法一对材料的性能提升较大，但是有一定的局限，且容易导致材料加工性能变差；第二种方法目前主要采用粉末冶金的工艺，能大幅提升基体材料的强度，但是不适合批量化生产。

用新材料、新工艺和新技术，探索提质增效与绿色发展的道路，是电网建设的发展方向。新型智慧线夹是在武汉南瑞技术团队推出的纳米碳合金金具产品基础上，将原来接续线夹进行材料改进，形成了以纳米碳合金为材料的接续线夹。其特点是无须进行热镀锌处理，避免了对环境的污染，且其本体重量仅为相同规格铸铁金具的30%～50%。线夹本身结构如图1所示。

图1 线夹本体结构

该智慧线夹是作为输配电系统的非承力型线路连接装置，适用于10kV及以下输电线路中绝缘导线的接续与分流，能够解决线路连接处的问题和消除事故隐患。线夹本体的结构和原理如下：

智慧线夹本体设有两个固定导线的线夹，每个智慧线夹包含线夹本体、固定凹槽、动夹头、静夹头、逆齿固定块、矩形压簧等结构，线夹本体与凹槽开口方位相反的一侧设有一个螺栓孔，通过调节螺栓穿过该螺栓孔与线夹本体固定连接的同时，与动夹头顶接。动夹头的侧面设向下逆止的止逆锯齿，动夹头的止逆锯齿外侧设有与之配合的防松脱止逆齿固定块，动夹头与逆齿固定块通过矩形压簧压紧。逆齿固定块与压簧靠近侧设置了可使逆齿固定块与动夹头的止逆锯齿松开的解锁机构。动夹头嵌在线夹本体的凹槽内，拧动穿过线夹本体螺栓孔与动夹头顶接的螺栓，推动动夹头移动靠近线夹本体固定的静夹头，缩小空间，压紧置于其中的电线。动夹头与静夹头相对的面都设为凹槽，实现与电线最大面积接触，凹槽内布有凸起咬牙，可进一步固定牢固电线。动夹头的移动行程在设计时设计得比较大，使同一个型号的线夹可适用于不同线径。线夹本体设置有凹槽，动夹头置于装置凹槽内，通过转动过线夹本体螺栓孔与动夹头顶接的螺栓实现在凹槽移动。动夹头与止逆锯齿块通过压簧压紧，两个接触面有逆止齿，动夹头向静夹头移动时，锯齿为顺向，可正常移动，同时扁形压簧压紧止逆锯齿块靠近动夹头，两个接触面的锯齿不断分开扣合。动夹头移动到位后，锯齿同时扣合完成，当动夹头有向下松动迹象时，锯齿为逆向，已经卡进，阻止其松动。

2 新型智慧线夹无源无线测温技术

由于目前的物联网技术的发展，未来各种各样的传感器会集成在电力设备中，但是要保证电力一次设备能够和传感器的完美融合，需要进行技术的革新和良好的设计，该智慧线夹融合了传感器技术，将测温传感器和金具的结构结合在一起，结构如图2所示。

图2 扩展温度传感器

扩展温度传感器是由固线螺栓和SAW温度传感器、SAW天线组成，传感器采用SAW芯片内置于螺栓内靠近滑块处，天线放于螺帽中，能够保证测量温度等尽可能地靠近导体，保证整个传感器测量的准确度和可靠性[5]。

智慧线夹为一种简单实用的配电自动化解决方案，系统由主站后台、采集单元、汇集单元以及必要的公共通信网络组成，适用于3～35kV架空线路的在线监测，具备线路温度汇集、温度故障信息主动上报主站等功能，具有使用简单、运行稳定、维护方便、可靠性高、开放性好、性价比高等特点。

输电线路中智慧线夹一般安装三只，每个线夹就相当于监测子站。线夹内置高精度温度传感器、GPRS/4G 网络通信模块等，负责从各采集点接收数据，并将其通过 GPRS/4G 网络发送给测控终端。测控终端部署在电杆合适位置上，如图3所示。测控终端采用太阳能与蓄电池结合供电的方式[3]，很好地解决了测控终端取电困难的问题。通过短距离低功耗无线技术实现智慧线夹和测温终端的通信。

图3 测控终端

监控终端对智慧线夹温度等状态参数进行数据存储、显示、统计报表并结合环境温度等参数进行分析，完成多参数预警功能。

2.1 产品特性

采用进口温度传感器，测量精度高、范围宽；采用太阳能供电系统和高能电池供电，安装维护方便；系统可选用感应取电方式，使取电更为方便快捷；通信方式灵活，支持ZIGBEE/WIFI/GSM/CDMA/GPRS和3G网络；系统采用低功耗计，采用动态电源管理策略以满足节点要求。

2.2 技术指标

各项技术指标如下表所示。

表 技术指标

发送间隔 10～70s（温度越高，温度上传时间越短）使用寿命 ≥10年

3 结束语

随着社会的不断进步以及人们的生活质量的不断提升，用户对电力公司所提供的电力服务提出了更高的要求[5]，本文对智慧线夹在电力线路温度监测及故障定位中的应用进行研究和探讨。在实际操作的过程中，通过对先进的无线传感器网络技术进行在线监测，能够实现对区域的全方位监控。从而更好地预防电网、设备事故的发生，为社会提供更加稳定的电力供应。