碳纖維復合芯導線耐張線夾發(fā)熱原因分析

姚貴嬌 曹懋峰 陳作新

（1.南京電力金具設計研究院有限公司，江蘇 南京 211599；2.中國能源建設集團南京線路器材有限公司，江蘇 南京 211599）

0 引言

碳纖維復合芯導線是一種節(jié)能型增容導線，其加強芯由特高強度碳纖維合成的芯棒替代傳統(tǒng)的鋼芯和鋼絞線，外層采用定型鋁絞合而成，在相同導線截面積的情況下，相對于傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線，碳纖維復合芯導線是能輸送更多電能的新型導線，同時碳纖維復合芯導線具有強度高、載流量大、線膨脹系數(shù)小、質(zhì)量輕、耐腐蝕等特點，該類導線配套金具加工精度要求高，金具成本較高[1]。

部分架空輸電線路中采用了碳纖維復合芯導線以提高線路運行效率，但部分碳纖維復合芯導線耐張線夾在線路運行中有發(fā)熱現(xiàn)象。具體發(fā)熱部位為耐張線夾引流板，其中4顆不銹鋼螺栓溫度最高，部分達到400℃左右。為防止因發(fā)熱而產(chǎn)生線路故障，已對問題線路做了應急處理[2]，更換了碳纖維復合芯導線及其耐張線夾。為了分析耐張線夾引流板發(fā)熱原因[3]，同時為消除后續(xù)耐張線夾發(fā)熱引發(fā)線路故障提供理論支撐，下面對發(fā)熱耐張線夾進行相應的試驗數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析。

1 基礎數(shù)據(jù)采集

基于碳纖維復合芯導線用配套金具發(fā)熱點位置和發(fā)熱溫度，擬進行如下試驗分析：耐張線夾電氣試驗數(shù)據(jù)采集、通流情況、不同型式引流板導流試驗、螺栓不同扭矩的電阻對比、不銹鋼螺栓和鍍鋅螺栓的電氣對比、端子板接觸面是否涂抹電力脂對電阻的影響。

1.1 耐張線夾初始直流電阻采集

為了更好地排查出發(fā)熱故障點，本次耐張線夾直流電阻測量采取整體電阻測量和分段測量相結(jié)合的方法進行。整體電阻測量即將耐張線夾和引流線夾作為一個整體來測量，分段電阻測量將耐張線夾和引流線夾這個整體分成三段，對三段電阻進行測量，排查出具體故障點。整體電阻測量部位示意圖如圖1所示，分段電阻測量部位示意圖如圖2所示。

圖1 整體電阻測量部位示意圖

圖2 分段電阻測量部位示意圖

直流電阻試驗時，在回路中通入穩(wěn)定的20/30 A正反向直流電流，采用直流壓降法進行測量。該耐張線夾整體初始電阻值與相應長度的等長參考導線電阻比為4.74。耐張線夾分段電阻值與相應長度的等長參考導線電阻比如表1所示。

表1 耐張線夾分段初始電阻與等長參考導線電阻比

試驗數(shù)據(jù)表明：耐張線夾整體初始電阻大于等長參照導線的直流電阻，電阻比為4.74；耐張線夾分段電阻A270、C800段的直流電阻低于對應等長導線的直流電阻，耐張線夾B270段的直流電阻大于對應等長導線的直流電阻，可見本次事故的故障點是線夾B段，即端子板部位。

1.2 耐張線夾初始溫升采集

溫升試驗時回路中通以1 400 A的交流電流，待試驗回路溫升穩(wěn)定以后，測量各測試點的溫度值，具體電氣布置圖如圖3所示，耐張線夾初始溫度值如表2所示。

圖3 電氣試驗布置圖

表2 耐張線夾各測溫點初始溫度值

耐張線夾溫度值表明：初次溫升中，耐張線夾5個測溫點的溫度值為40～409.8℃，等長導線溫度值為64.8℃，其中4個測溫點的溫度值均高于等長導線的溫度值。溫升試驗再次驗證了主要發(fā)熱點是端子板和部分螺栓。

1.3 耐張線夾引流板導通采集

耐張線夾引流板和引流線夾接觸部位電力脂涂抹較多，且老化嚴重，存在發(fā)硬現(xiàn)象。推測存在電力脂在導流接觸面形成絕緣層的可能，導致線路運行中接觸面不導流，4顆螺栓導流，最終導致螺栓溫度過高。用萬用表進行引流板導通性測量后發(fā)現(xiàn)，線夾螺栓和引流板導流效果較好，耐張線夾引流板和引流線夾引流板間導流效果較差。具體情況如圖4、圖5所示。

圖4 螺栓和引流板導流圖

圖5 引流板間導流圖

1.4 不銹鋼螺栓不同扭矩下電阻采集

將耐張線夾引流板和設備線夾引流板的連接螺栓進行拆解，拆解過程中對螺栓擰緊力矩進行了測量，4顆螺栓的擰緊力矩分別為72、121、75、130 N·m，推測螺栓松動可能是造成引流板發(fā)熱原因之一。

參照拆解螺栓時測量的擰緊力矩值，將不銹鋼螺栓按照40、80、120 N·m擰緊力矩值擰緊，并測量3個擰緊力矩值下的耐張線夾整體電阻和各段電阻。不同扭矩下的整體電阻與等長參考導線的電阻比如表3所示，耐張線夾直流電阻隨著擰緊力矩的增大而減小。

表3 不同螺栓扭矩下電阻與等長參考導線電阻比

1.5 不同連接螺栓電氣數(shù)據(jù)采集

將處理后的端子板用4顆普通M12鍍鋅螺栓連接，測量耐張線夾整體電阻和分段電阻。線夾使用鍍鋅螺栓和不銹鋼螺栓的整體電阻與等長參考導線電阻比如表4所示。

表4 線夾使用鍍鋅螺栓和不銹鋼螺栓的整體電阻與等長參考導線電阻比

溫升試驗時回路中通以1 400 A的交流電流，待試驗回路溫升穩(wěn)定以后，測量各測試點的溫度值，使用鍍鋅螺栓時的溫度值如表5所示，使用不銹鋼螺栓時的溫度值如表6所示。

表5 使用鍍鋅螺栓時各測溫點和導線溫度值

表6 使用不銹鋼螺栓時各測溫點和導線溫度值

試驗數(shù)據(jù)表明：使用鍍鋅螺栓時，耐張線夾與等長導線的電阻比為1.7；使用不銹鋼螺栓時，耐張線夾與等長導線的電阻比為7.8。使用鍍鋅螺栓時，線夾5個測溫點的溫度值為66～106.1℃，等長導線溫度值為125.3℃，5個測溫點的溫度值均低于等長導線的溫度值；使用不銹鋼螺栓時，線夾5個測溫點的溫度值為66～184℃，等長導線溫度值為122.3℃，鋁管（1）測溫點的溫度值低于等長導線的溫度值，其他4個點的溫度值均高于等長導線的溫度值。

1.6 是否涂抹電力脂的電氣數(shù)據(jù)采集

將連接螺栓拆開后，發(fā)現(xiàn)不銹鋼螺栓為全螺紋，4顆不銹鋼螺栓由于長時間溫度過高，外表面有變色現(xiàn)象，螺紋夾雜為黑色物質(zhì)。引流板接觸面有一層黑色物質(zhì)，將引流板接觸面清理干凈后，發(fā)現(xiàn)接觸面基本光滑，無燒傷現(xiàn)象。

處理后的引流板涂抹適量電力脂，用4顆普通M12鍍鋅螺栓連接，測量耐張線夾整體電阻和分段電阻，與未涂電力脂線夾進行比較。試驗數(shù)據(jù)表明，耐張線夾引流板涂電力脂的整體電阻略低于未涂電力脂線夾。耐張線夾在是否涂抹電力脂情況下的整體電阻與等長參考導線的電阻比如表7所示。

表7 線夾是否涂電力脂的電阻與等長參考導線電阻比

2 發(fā)熱原因分析

通過在耐張線夾不同狀態(tài)下對碳纖維復合芯導線的試驗數(shù)據(jù)采集結(jié)果可知，在引流板間導通試驗中，線夾螺栓和引流板導流效果較好，耐張線夾引流板和引流線夾引流板間導流效果較差。不排除施工時在引流板接觸面涂抹過多的電力脂，長時間運行導致電力脂老化變質(zhì)，在接觸面間形成絕緣層，導致引流板不導流，4顆螺栓導流。初始溫升試驗中，線夾螺栓溫度短時間達到409.8℃，是耐張線夾出口處最低溫度40℃的10倍，對此是很好的證明。發(fā)熱點集中在螺栓以及螺栓周圍端子板部位。引流板連接用不銹鋼螺栓松動對線夾整體電阻影響較大，進而在通電時影響線夾溫度。引流板連接用螺栓的選擇對線夾整體電阻影響較大，進而對線夾溫度有較大影響。

3 建議

后續(xù)工程中建議使用符合國家標準的電力脂，同時涂抹量嚴格按照施工工藝規(guī)程操作，緊固螺栓采用標準擰緊力矩且運維過程中對螺栓緊固程度進行檢查，選擇電阻低、緊固性好的螺栓。