基于碳納米合金的智慧線夾

桂卓為 張教練 王萬(wàn)亭 陳賢輝 鄭素群

（杭州電力設(shè)備制造有限公司臨安恒信成套電氣制造分公司）

0 引言

在配電工程中，導(dǎo)線連接是極其關(guān)鍵的工序[1]。金具、線夾接頭處質(zhì)量的好壞將直接影響線路的運(yùn)行及使用壽命，在線路長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，金具、線夾等處常出現(xiàn)表面氧化腐蝕、緊固螺栓松動(dòng)、觸點(diǎn)接觸不良等問(wèn)題，造成設(shè)備過(guò)熱，從而導(dǎo)致火災(zāi)和大面積的停電事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重的社會(huì)影響[2]。

根據(jù)電力運(yùn)維部門的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際線路搶修故障中由電線電纜本體質(zhì)量問(wèn)題而引發(fā)的故障占比相對(duì)較小，而超過(guò)六成故障發(fā)生在緣導(dǎo)線與線夾下引線之間的連接點(diǎn)處。線夾作為輸電線路中最常見(jiàn)的接續(xù)金具，它不但起到了導(dǎo)線之間的接續(xù)作用，而且還是電流的載體。但是由于投入線路中的線夾使用的金屬材料各不相同、數(shù)量繁多，而且缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)核驗(yàn)安裝完成后是否滿足用電要求，這就使線夾成為輸電線路中最薄弱的環(huán)節(jié)[3]。

在實(shí)際應(yīng)用中，鑄鐵金具的應(yīng)用最為廣泛，但是其質(zhì)量較大、容易發(fā)熱等弊端在線路運(yùn)行中逐漸暴露出來(lái)，而且生產(chǎn)過(guò)程中金具表面熱鍍鋅工藝對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，也不符合國(guó)家電網(wǎng)“綠色、清潔”的發(fā)展方向。智能電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)的方向，要求對(duì)線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除線路故障。農(nóng)網(wǎng)線路作為配網(wǎng)的重要組成部分，線路分支多，覆蓋面積廣，因此配網(wǎng)線路的接續(xù)處需要大量的使用連接線夾來(lái)進(jìn)行配網(wǎng)建設(shè)，非常不便于巡檢和排故。對(duì)于線路中安裝線夾的地方，如果能夠?qū)σ恍┲攸c(diǎn)線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，就能夠大大提高線夾的安全性和適用性[4]。然而，由于輸電線運(yùn)行時(shí)存在電壓，且距地面較高，難以進(jìn)行人工巡查測(cè)溫或采用有線方式測(cè)溫。長(zhǎng)期以來(lái)，電力運(yùn)營(yíng)部門缺乏對(duì)輸電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)的有效手段，一種基于無(wú)線溫度并帶有故障定位傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧線夾應(yīng)運(yùn)而生。

1 新型智慧線夾的材料及結(jié)構(gòu)

目前，我國(guó)配電線路仍在大規(guī)模使用鑄鐵金具，在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生巨大的能耗，并且鑄鐵金具的鍍鋅污染問(wèn)題也與國(guó)家提倡的綠色電力不符。在行業(yè)早期，就采用鋁合金材料作為節(jié)能金具材料，但由于鋁合金強(qiáng)度不足的天然缺陷，極大限制了它在金具領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣與使用。因此材料是高性能節(jié)能金具發(fā)展的最大瓶頸?，F(xiàn)在主要從兩個(gè)方面提升鋁合金材料的強(qiáng)度，一種方法是通過(guò)添加某些合金元素，形成合金材料起到強(qiáng)化作用；另一種方法是添加如氧化鋁、碳化硅等鋁基復(fù)合材料。方法一對(duì)材料的性能提升較大，但是有一定的局限，且容易導(dǎo)致材料加工性能變差；第二種方法目前主要采用粉末冶金的工藝，能大幅提升基體材料的強(qiáng)度，但是不適合批量化生產(chǎn)。

用新材料、新工藝和新技術(shù)，探索提質(zhì)增效與綠色發(fā)展的道路，是電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展方向。新型智慧線夾是在武漢南瑞技術(shù)團(tuán)隊(duì)推出的納米碳合金金具產(chǎn)品基礎(chǔ)上，將原來(lái)接續(xù)線夾進(jìn)行材料改進(jìn)，形成了以納米碳合金為材料的接續(xù)線夾。其特點(diǎn)是無(wú)須進(jìn)行熱鍍鋅處理，避免了對(duì)環(huán)境的污染，且其本體重量?jī)H為相同規(guī)格鑄鐵金具的30%～50%。線夾本身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線夾本體結(jié)構(gòu)

該智慧線夾是作為輸配電系統(tǒng)的非承力型線路連接裝置，適用于10kV及以下輸電線路中絕緣導(dǎo)線的接續(xù)與分流，能夠解決線路連接處的問(wèn)題和消除事故隱患。線夾本體的結(jié)構(gòu)和原理如下：

智慧線夾本體設(shè)有兩個(gè)固定導(dǎo)線的線夾，每個(gè)智慧線夾包含線夾本體、固定凹槽、動(dòng)夾頭、靜夾頭、逆齒固定塊、矩形壓簧等結(jié)構(gòu)，線夾本體與凹槽開口方位相反的一側(cè)設(shè)有一個(gè)螺栓孔，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓穿過(guò)該螺栓孔與線夾本體固定連接的同時(shí)，與動(dòng)夾頭頂接。動(dòng)夾頭的側(cè)面設(shè)向下逆止的止逆鋸齒，動(dòng)夾頭的止逆鋸齒外側(cè)設(shè)有與之配合的防松脫止逆齒固定塊，動(dòng)夾頭與逆齒固定塊通過(guò)矩形壓簧壓緊。逆齒固定塊與壓簧靠近側(cè)設(shè)置了可使逆齒固定塊與動(dòng)夾頭的止逆鋸齒松開的解鎖機(jī)構(gòu)。動(dòng)夾頭嵌在線夾本體的凹槽內(nèi)，擰動(dòng)穿過(guò)線夾本體螺栓孔與動(dòng)夾頭頂接的螺栓，推動(dòng)動(dòng)夾頭移動(dòng)靠近線夾本體固定的靜夾頭，縮小空間，壓緊置于其中的電線。動(dòng)夾頭與靜夾頭相對(duì)的面都設(shè)為凹槽，實(shí)現(xiàn)與電線最大面積接觸，凹槽內(nèi)布有凸起咬牙，可進(jìn)一步固定牢固電線。動(dòng)夾頭的移動(dòng)行程在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)得比較大，使同一個(gè)型號(hào)的線夾可適用于不同線徑。線夾本體設(shè)置有凹槽，動(dòng)夾頭置于裝置凹槽內(nèi)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)線夾本體螺栓孔與動(dòng)夾頭頂接的螺栓實(shí)現(xiàn)在凹槽移動(dòng)。動(dòng)夾頭與止逆鋸齒塊通過(guò)壓簧壓緊，兩個(gè)接觸面有逆止齒，動(dòng)夾頭向靜夾頭移動(dòng)時(shí)，鋸齒為順向，可正常移動(dòng)，同時(shí)扁形壓簧壓緊止逆鋸齒塊靠近動(dòng)夾頭，兩個(gè)接觸面的鋸齒不斷分開扣合。動(dòng)夾頭移動(dòng)到位后，鋸齒同時(shí)扣合完成，當(dāng)動(dòng)夾頭有向下松動(dòng)跡象時(shí)，鋸齒為逆向，已經(jīng)卡進(jìn)，阻止其松動(dòng)。

2 新型智慧線夾無(wú)源無(wú)線測(cè)溫技術(shù)

由于目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)各種各樣的傳感器會(huì)集成在電力設(shè)備中，但是要保證電力一次設(shè)備能夠和傳感器的完美融合，需要進(jìn)行技術(shù)的革新和良好的設(shè)計(jì)，該智慧線夾融合了傳感器技術(shù)，將測(cè)溫傳感器和金具的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擴(kuò)展溫度傳感器

擴(kuò)展溫度傳感器是由固線螺栓和SAW溫度傳感器、SAW天線組成，傳感器采用SAW芯片內(nèi)置于螺栓內(nèi)靠近滑塊處，天線放于螺帽中，能夠保證測(cè)量溫度等盡可能地靠近導(dǎo)體，保證整個(gè)傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確度和可靠性[5]。

智慧線夾為一種簡(jiǎn)單實(shí)用的配電自動(dòng)化解決方案，系統(tǒng)由主站后臺(tái)、采集單元、匯集單元以及必要的公共通信網(wǎng)絡(luò)組成，適用于3～35kV架空線路的在線監(jiān)測(cè)，具備線路溫度匯集、溫度故障信息主動(dòng)上報(bào)主站等功能，具有使用簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便、可靠性高、開放性好、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

輸電線路中智慧線夾一般安裝三只，每個(gè)線夾就相當(dāng)于監(jiān)測(cè)子站。線夾內(nèi)置高精度溫度傳感器、GPRS/4G 網(wǎng)絡(luò)通信模塊等，負(fù)責(zé)從各采集點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并將其通過(guò) GPRS/4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給測(cè)控終端。測(cè)控終端部署在電桿合適位置上，如圖3所示。測(cè)控終端采用太陽(yáng)能與蓄電池結(jié)合供電的方式[3]，很好地解決了測(cè)控終端取電困難的問(wèn)題。通過(guò)短距離低功耗無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧線夾和測(cè)溫終端的通信。

圖3 測(cè)控終端

監(jiān)控終端對(duì)智慧線夾溫度等狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、統(tǒng)計(jì)報(bào)表并結(jié)合環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行分析，完成多參數(shù)預(yù)警功能。

2.1 產(chǎn)品特性

采用進(jìn)口溫度傳感器，測(cè)量精度高、范圍寬；采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和高能電池供電，安裝維護(hù)方便；系統(tǒng)可選用感應(yīng)取電方式，使取電更為方便快捷；通信方式靈活，支持ZIGBEE/WIFI/GSM/CDMA/GPRS和3G網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)采用低功耗計(jì)，采用動(dòng)態(tài)電源管理策略以滿足節(jié)點(diǎn)要求。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如下表所示。

表 技術(shù)指標(biāo)

發(fā)送間隔 10～70s（溫度越高，溫度上傳時(shí)間越短）使用壽命 ≥10年

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步以及人們的生活質(zhì)量的不斷提升，用戶對(duì)電力公司所提供的電力服務(wù)提出了更高的要求[5]，本文對(duì)智慧線夾在電力線路溫度監(jiān)測(cè)及故障定位中的應(yīng)用進(jìn)行研究和探討。在實(shí)際操作的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)先進(jìn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)區(qū)域的全方位監(jiān)控。從而更好地預(yù)防電網(wǎng)、設(shè)備事故的發(fā)生，為社會(huì)提供更加穩(wěn)定的電力供應(yīng)。