碳纖維導(dǎo)線及壓接施工工藝探討

朱健飛，潘洪峰

( 國網(wǎng)湖南省電力公司懷化供電分公司，湖南 懷化418000)

城市用電負荷不斷上升，對城市規(guī)劃的要求越來越高，而提升城區(qū)終端變電源線路輸電能力提升困難，而城區(qū)部分區(qū)段已無法對鐵塔進行改造，鐵塔的受力與線路的輸送能力不足。懷化供電分公司運維的110 kV 灣長線投運于1982 年，線路嚴重老化，線徑過小，已不能滿足城區(qū)終端變供電需求，且原線路G01—G08 塔經(jīng)過懷化城市規(guī)劃區(qū)。2012年決定對該線路進行全線擴容改造。由于碳纖維導(dǎo)線具有比重輕、輸送容量大的特點，在城區(qū)擴容改造上具有良好的經(jīng)濟效益〔1〕，因此灣長線G01—G08 塔改造選用了此類導(dǎo)線。

1 碳纖維導(dǎo)線

碳纖維導(dǎo)線是一種新型導(dǎo)線，其芯線是由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的單根芯棒，外層與鄰?fù)鈱愉X線股為梯形截面，如圖1 所示〔2〕。

圖1 碳纖維芯鋁絞線(左) 與普通鋼絞線(右)

碳纖維芯一般采用拉擠工藝成型，將環(huán)氧樹脂、固化劑和填充料等混合并攪拌均勻，然后注入特定的樹脂浸槽中，碳纖維和高強玻璃纖維預(yù)拉伸后浸漬樹脂，最終在模具中高溫固化。

碳纖維復(fù)合芯承擔導(dǎo)線總的力學性能，具有強度高、密度小、膨脹系數(shù)小、耐腐蝕等特點。外層軟鋁具有導(dǎo)電率高、電阻小、自阻尼性能強的特點。碳纖維復(fù)合芯與軟鋁線絞制而成的導(dǎo)線具有優(yōu)良的性能:導(dǎo)線重量輕，電阻小，表面光滑不易舞動，拉力質(zhì)量比大，弧垂隨溫度的變化小等〔3〕。

碳纖維導(dǎo)線的芯線密度為1.9 g/cm3，遠低于鋼芯的7.78 g/cm3。碳纖維芯主要原材料組成有3種:碳纖維、高強玻璃纖維和環(huán)氧樹脂，其中碳纖維經(jīng)過耐火處理并碳化，占整個比重的35%。高強玻璃纖維具有很強的耐沖擊能力和抗拉應(yīng)力能力，也占整個比重的35%。環(huán)氧樹脂需要進行增韌，占芯線比重30%〔1〕。

碳纖維的拉伸力學性能非常好，一般鋼絲的抗拉強度為1 240 MPa，而碳纖維的抗拉強度可以達到2 399 MPa，是一般鋼絲的1.9 倍。同時碳纖維的線膨脹系數(shù)非常低，為1.6×10-6K-1，鋁和鋼的膨脹系數(shù)均大于碳纖維〔4〕，因此，在一定的溫度下，碳纖維導(dǎo)線的絕大部分張力載荷均由碳纖維芯來承擔，其外層鋁導(dǎo)體部分只起到導(dǎo)流的作用，這與常規(guī)的鋼芯鋁絞線完全不一樣。

由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線不存在鋼絲材料引起的磁滯和渦流效應(yīng)，復(fù)合芯的非磁性體結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)導(dǎo)線的渦流損耗，在輸送相同負荷的條件下，具有更低的運行溫度，因此可以減少輸電損失約6%。因碳纖維導(dǎo)線可以連續(xù)在高溫條件下運行，故其載流量可達到常規(guī)導(dǎo)線的2 倍左右;而其耐高溫特性也使得冰雪附著力極差，從而可以有效提高輸電線路的抗冰雪能力。在高溫下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線弧垂不到鋼芯鋁絞線的1/10，能有效減小電力桿塔塔頭高度，提高導(dǎo)線運行的安全性和可靠性。

2 金具

鋼芯鋁絞線的一般運行溫度為70 ℃，而110 kV 灣長線改造后碳纖維導(dǎo)線預(yù)計運行溫度為140℃，短期運行溫度可高達180 ℃。由于導(dǎo)線運行溫度提高了1 倍以上，碳纖維導(dǎo)線壓接的金具也需要考慮到耐熱的問題。常規(guī)鋼芯鋁絞線的鋼芯壓接件是鋼錨，文獻〔5〕要求鋼錨的材質(zhì)為Q235B，外層進行鍍鋅防腐處理即可，而在140 ～180 ℃運行的碳纖維芯壓接件就不能采用Q235B 鋼，需要采用耐熱不銹鋼。

110 kV 灣長線碳纖維導(dǎo)線耐張線夾型號為NYACCC 19.4/6.5，供貨廠家對耐張線夾部件進行檢查，楔形內(nèi)、外模和拉環(huán)各元素均符合GB/T 20878—2007 《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》標準規(guī)定〔6〕，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 拉環(huán)、楔形內(nèi)模、楔形外模成分 %

3 壓接工藝及要求

碳纖維芯拉擠工藝成型的工藝特點使得碳纖維芯具有明顯的單向性，即在纖維長度方向具有優(yōu)良的拉伸性能，而在其余方向的力學性能就低得多，例如周向壓縮。因此，碳纖維芯在壓接時需要采用楔形自鎖的壓接工藝，在纖維方向上越拉越緊，以充分利用其單向性優(yōu)點。圖2 給出了碳纖維導(dǎo)線耐張線夾各部件組成。

圖2 碳纖維導(dǎo)線耐張線夾各部件組成

除了碳纖維芯單向性這個特點外，碳纖維導(dǎo)線不采用常規(guī)的壓縮金具壓接還有2 個原因:一是環(huán)氧樹脂高溫固化過程中因攪拌時灰塵、水氣等雜物的侵入，固化層內(nèi)易產(chǎn)生夾雜和氣泡等宏觀缺陷，這些缺陷在壓縮應(yīng)力作用下會不斷發(fā)展直至破斷。二是碳纖維芯在壓縮后，其單根碳纖維會產(chǎn)生突變牽引點或細頸點〔3〕，急劇變形，給整根碳纖維芯的力學性能帶來不利影響，有時候還是致命的。

由此可見，碳纖維導(dǎo)線的壓接施工需要重點關(guān)注碳纖維芯，要保證碳纖維芯在施工過程中不能損傷，同時避免碳纖維芯在運行時處于疲勞工況。而常規(guī)鋼芯鋁絞線壓接過程中的關(guān)鍵點(壓接定位)不是碳纖維導(dǎo)線壓接關(guān)注的重點。

110 kV 灣長線在壓接施工前對線夾進行了尺寸測量，具體數(shù)據(jù)見表2。該批線夾聯(lián)結(jié)套的長度L1為761 mm，楔形外模的長度L2為178 mm，拉環(huán)在聯(lián)結(jié)套內(nèi)的有效長度L3為170 mm，內(nèi)襯管的長度L4為295 mm。楔形外模的左端部與內(nèi)襯管的右端部的間距L=L1-L2-L3-L4=118 (mm)。按文獻〔7〕耐張線夾壓接示意圖如圖3 所示，楔形外模的左端部與內(nèi)襯管的右端部的間距允許范圍L 為25～35 mm，由此可知該批耐張線夾楔形外模的左端部與內(nèi)襯管的右端部的間距過大，導(dǎo)致碳纖維導(dǎo)線芯棒在線夾中露出過長，運行中發(fā)生疲勞損傷的幾率加大。鑒于線夾的尺寸不滿足標準要求，對該批次耐張線夾進行了更換處理。

表2 耐張線夾尺寸檢測結(jié)果 mm

圖3 耐張線夾液壓示意圖

4 結(jié)束語

碳纖維導(dǎo)線具有強度高、電導(dǎo)率高、蠕變小、弧垂低、重量輕、耐腐蝕、節(jié)能環(huán)保、損耗小等眾多優(yōu)點，對于節(jié)約電能、改善環(huán)境、減少污染有著重要意義，是線路改建和擴容的最優(yōu)選擇之一。

壓接質(zhì)量不良引起的接頭發(fā)熱問題是造成線路故障的重要原因之一，文中針對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線首次使用的特殊情況，通過開展全過程的技術(shù)監(jiān)督，監(jiān)督檢查壓接施工，及時發(fā)現(xiàn)并消除了耐張線夾的缺陷，確保了線路的改造施工質(zhì)量。

〔1〕忽翔. 碳纖維導(dǎo)線在架空輸電線路上的應(yīng)用〔J〕. 安徽電力，2010，27 (1):51-53.

〔2〕劉振亞. 特高壓直流輸電線路〔M〕. 北京:中國電力出版社，2009.

〔3〕董國倫，龔堅剛，余虹云，等. 碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線設(shè)計施工運行與檢修〔M〕，北京:中國電力出版社，2009.

〔4〕胡宏彬，張鵬，張渺，等. 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的適用性分析〔J〕. 內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2012，30 (5):8-11.

〔5〕DL/T 757—2009 耐張線夾〔S〕. 北京:中國電 力 出 版社，2009.

〔6〕GB/T 20878—2007 不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分〔S〕. 北京:中國標準出版社，2007.

〔7〕姜廣東，嚴行建，宋丹. 基于碳纖維導(dǎo)線壓接特性與金具選型的研究〔J〕. 江蘇電機工程，2012，31 (3):57-64.

〔8〕國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 388—2009 碳纖維復(fù)合芯鋁絞線施工工藝驗收導(dǎo)則〔S〕. 北京:中國電力出版社，2009.