新型鋁包覆碳纖維復合芯導線連接金具應用研究

劉洪正

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

新型鋁包覆碳纖維復合芯導線連接金具應用研究

劉洪正

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

基于碳纖維復合芯導線連接金具的運行特點和存在問題，采用全新液壓式工藝對碳纖維復合芯導線和復合碳芯進行連接，實現鋁包覆碳纖維復合芯導線與耐張線夾、接續(xù)管等金具的可靠結合，成功解決了碳纖維連接金具造價成本高，施工工藝復雜，易對碳纖維芯造成損傷等問題。通過研制新型碳纖維復合芯導線耐張線夾和接續(xù)管，并進行力學性能測試，探討對鋁包覆碳纖維復合芯導線復合芯徑向耐壓性能和抗剪切力性能的影響。實驗結果表明，新型碳纖維復合芯導線連接金具不僅具備傳統(tǒng)碳纖維復合芯導線配套金具的優(yōu)點，同時造價低，施工工藝與普通鋼芯鋁絞線相同，大幅提高了現場施工的安全性，為特高壓輸電線路安全運行提供可靠保障。

碳纖維復合芯導線；鋁包覆；連接金具；接續(xù)管；耐張線夾

0 引言

基于碳纖維復合芯導線的優(yōu)點，如電氣、機械等性能方面優(yōu)于普通鋼芯鋁絞線、應用優(yōu)勢突出、結構新穎等，有利于提高壓接管、耐張線夾與導線的壓接強度［1-2］。但是碳纖維復合芯導線依靠承力芯承載，夾緊固定需要特殊的要求，耐張金具、中間接續(xù)金具與普通導線不同，壓接及安裝方法明顯區(qū)別于普通導線確保在安裝時對碳纖維復合芯導線不產生任何損傷。因此在施工過程中，工藝復雜，施工質量要求高，其中以金具壓接最為突出。同時，在施工過程中需特別注意不能損傷導線。在實際使用過程中，運行時的備品備件、應急搶修等方面均存在一定的難度，限制了碳纖維導線的應用。

1 傳統(tǒng)碳纖維復合芯導線金具

1.1 連接金具設計原理

傳統(tǒng)碳纖維復合芯導線配套金具是根據碳纖維復合芯導線結構特性，采用楔形自鎖內螺紋自鎖原理，楔形自鎖無逆向力的理論研制而成［3］，如圖1所示。

圖1 楔型金具示意圖

當楔形內套受到外預緊力P時，整個楔形內套和碳纖芯沿P方向前進，因楔形內套開有雙向間隔槽，楔芯受力狀況是隨P增大而增大，而且越來越大，當槽中雙向間隔達到最小值時，碳纖維復合芯的握緊力受擠壓即正壓力達到最大，不可逆向、自鎖［4-5］?；趥鹘y(tǒng)碳纖維復合芯導線金具設計及使用情況，在實際使用中其受力情況如圖2所示。

圖2 楔型金具受力圖

從受力可以看出，當預緊力達到最大時，在其接觸處的碳纖維復合芯約束力 （法向反力N與最大靜摩擦力Fmax的合力）與反力N之間的夾角θ稱為靜摩擦角、靜摩擦力的方向與相對滑動趨勢的方向相反，它的大小在零與最大值之間，是個未知量；摩擦角的正切等于靜摩擦系數［9］，即

Fmax-P=0時，處于平衡靜止中。從中分析楔形力與物體間摩擦系數和摩擦角（楔形錐度）密切有關，有一定函數關系。在摩擦的平衡中，如果作用于物體的全部主動的合力P作用在摩擦角θ之內，則無論這個力多大，物體必保持靜止，這就是自鎖原理［6］。

楔芯握力大小與楔外套和楔形內套之間摩擦系數開口間隙和錐度及碳纖維復合芯摩擦系數（碳纖維復合芯主要受擠壓即正壓力），物與物間摩擦系數、楔形錐度和楔形內套開口間隙選擇，就是設計楔形線夾握力的關鍵技術，楔形長度不是決定性因素。

1.2 傳統(tǒng)碳纖維復合芯導線配套金具存在問題

傳統(tǒng)碳纖維復合芯導線配套金具缺點［9-10］：造價成本高，是普通液壓式金具的4～6倍；施工工藝復雜，施工作業(yè)人員要求嚴格；由于施工工藝特殊性，容易對碳纖維復合芯造成損傷，現場壓接時施工作業(yè)人員勞動強度高，需要專業(yè)技術人員現場指導。

2 碳纖維復合芯導線新型連接金具

2.1 連接金具設計

新型碳纖維復合芯導線是根據普通鋼芯鋁絞線使用的液壓式金具優(yōu)化改進而成。采用原理與普通鋼芯鋁絞線使用的液壓式金具相同［11-12］。結構如圖3、圖4所示。

圖3 新型碳纖維復合芯導線配套耐張金具

圖4 新型碳纖維復合芯導線配套接續(xù)管

新型碳纖維復合芯導線配套的液壓式金具拉斷力計算，首先計算內襯管、鋁管的鋁層截面積，再乘以相關材料的材料強度。比如新型碳纖維復合芯導線的配套金具，其中新型碳纖維復合芯導線計算拉斷力為234 kN，內襯管外徑為Φ29 mm，內徑為Φ19 mm，計算內襯管的握力為141.3 kN；鋁管的外徑為Φ68 mm，內徑為Φ39 mm，計算鋁管的握力為328.8 kN。計算公式

式中：F為計算拉斷力；D外為外徑尺寸；D內為內徑尺寸；Rm為材料強度，鋁材的強度為135 MPa，Q235鋼材的強度為375 kN。

從理論計算中表明可以使用普通鋼芯鋁絞線相同的液壓式金具。主要需要考慮的為碳纖維復合芯導線在壓接過程中不受到外力的損傷，影響碳纖維復合芯的強度［13-14］。

2.2 性能測試

鋁材進行壓接需要增加長度，保證內襯管、鋁管與碳纖維復合芯導線之間有足夠的摩擦力，通過摩擦力提供足夠的握力；Q235鋼材進行壓接需要確保對鋁包覆壓接后的鋁的壓縮比的計算，壓縮比過大容易造成芯棒的損壞，壓縮比過小容易造成滑移現象。通過分析確定使用鋁材質和Q235鋼材質后，采用拉力試驗機，并參考新型碳纖維復合芯導線的試驗情況，按照不同壓接比例進行對鋁材質和Q235鋼材質進行拉力試驗，如圖5所示。

圖5 耐張金具試驗照片

依據GB／T 2315—2008《電力金具標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》，對耐張金具進行拉力試驗，分析并確定最終金具的尺寸和其他參數，具體情況如表1所示。

表1 壓接長度測試平均值

通過分析確定金具的尺寸，對新型碳纖維復合芯導線連接金具進行不同壓力對壓接的影響分析如表2所示。

表2 壓力測試平均值

通過分析，確定連接金具壓力值為75 MPa，壓力達到75 MPa后即可滿足GB／T 2314—2008《電力金具通用技術條件》內對金具握力對導線計算拉斷力要求。而針對不同材質金具在壓接時還要進行保壓，從而確定進行不同保壓時間對壓接效果和碳纖維復合芯的影響，如表3所示。

表3 保壓時間測試平均值

根據上述試驗數據和GB／T 2315—2008《電力金具標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》，可以確定使用鋁材質和Q235鋼材質制造的連接金具，壓接長度達到計算長度后繼續(xù)增加長度不會再增加拉力，壓接時壓力達到75 MPa后即可滿足要求，壓力達到要求后，保壓是為了使金具和導線的結合更充分、更牢固，而碳纖維復合芯棒的特殊性，如保壓時間過長會造成芯棒損傷，進而影響導線復合芯徑向耐壓性能和抗剪切力性能。

2.3 新型金具應用

2.3.1 接續(xù)管

新型碳纖維復合芯導線接續(xù)管壓接步驟為金具清潔、導線校直、剝軟鋁型線、清洗導線涂電力脂、襯管穿管、襯管壓接、鋁管穿管及預偏、鋁管壓接、清理飛邊、測量尺寸、檢驗。

襯管壓接。首先檢查接續(xù)管襯管內碳纖維芯是否符合要求，第一模壓模中心應與接續(xù)管襯管中心相重合，然后分別依次向管口端連續(xù)施壓。一側壓至管口后再壓另一側。壓接操作時，應以模具達到合模狀態(tài)為標準，合模時的參考壓力值約為75 MPa。兩側液壓完成后，從液壓機中取出。用板銼清除毛刺。測量壓接后的長度、對邊距、兩側鋁線端頭的距離、襯管端頭距鋁線端頭間距等尺寸并記錄。接續(xù)管襯管壓接如圖6所示。

圖6 接續(xù)管襯管壓接示意

鋁管穿管及預偏。先將鋁管中心與襯管中心對齊的位置在鋁管管口處做出標記，然后根據鋁管總伸長量的一半為偏移量向牽引場側偏移，使用2 000 kN壓接機時預偏量參考值為35 mm。接續(xù)管鋁管穿管預偏如圖7所示。

圖7 接續(xù)管鋁管穿管并預偏

鋁管壓接時取量 180 mm、360 mm、180 mm，并在這3處做上標記。從牽引場側管口開始壓第一模，逐模向張力場側施壓至同側壓接標記，壓接長度為180 mm；跳過不壓區(qū)360 mm后，再從另一側壓接標記逐模施壓至張力場側管口，壓接長度為180 mm。壓接操作時，應以合模為標準，合模時的參考壓力值約為75 MPa。前后模間應有重疊區(qū)，每后一模重疊前一模應不小于5 mm。接續(xù)鋁管壓接如圖8所示。

圖8 接續(xù)鋁管壓接

其他壓接方式及注意事項與普通鋼芯鋁絞線壓接金具相同。經過大量的試驗和實際應用證明，采用上述方式進行接續(xù)管應用時具有最佳的應用效果。

2.3.2 耐張金具

鋁包覆碳纖維復合芯導線耐張金具壓接分為金具清潔、導線校直、剝軟鋁型線、襯管穿管、鋼錨及襯管壓接、鋁管穿管及預偏、鋁管壓接、清理飛邊、測量尺寸、檢驗。

鋼錨及襯管壓接時，壓接鋁管前應注意檢查鋼錨及襯管管口是否與定位標記重合，以防管內異物造成穿管不到位。壓接時，第一模自耐張線夾鋼錨襯管側開始，依次向管口端連續(xù)施壓。壓接操作應使模具達到極限以合模狀態(tài)為標準，合模時的參考壓力值約為75 MPa，前后模間應重疊不小于5 mm。壓接完成后清除襯管壓接飛邊、毛刺，測量壓接后襯管長度、對邊距、鋁線端頭距襯管管口間距等尺寸并記錄。鋼錨及襯管穿管如圖9所示。

圖9 鋼錨及襯管穿管

鋁管穿管及預偏時，將鋁管穿至極限位置后根據預偏量往回預偏一定距離。使用2 000 kN壓接機時預偏量參考值為45 mm。鋁管壓接時，液壓操作人員根據工程的施工技術文件，確定耐張線夾鋼錨環(huán)與鋁管引流板的方向。調整耐張線夾鋼錨和鋁管至規(guī)定的方位。鋁管穿管并預偏如圖10所示。

為了防止液壓機妨礙鋁管的正常施壓，應可將鋁管引流板調至向上方向。再次確認預偏量，從導線側管口處開始壓接壓接長度為210 mm，逐模施壓至不壓區(qū)標記，隔過不壓區(qū)，再從另一側不壓區(qū)標記逐模壓至鋼錨側管口。鋁管壓接如圖11所示。

圖10 鋁管穿管預偏示意

圖11 鋁管壓接

鋁管壓接的其他方式其及注意事項與普通鋼芯鋁絞線壓接金具相同。經過大量的試驗和實際應用證明，采用上述方式進行接續(xù)管應用時具有最佳的應用效果。

3 結語

通過創(chuàng)新傳統(tǒng)碳纖維復合芯導線連接金具工藝。采用全新液壓式方法研制適用于新型鋁包覆碳纖維復合芯導線的配套金具，其施工工藝相較于碳纖維導線配套金具，具有價格低、工藝簡單、易掌握優(yōu)點。金具通過與鋁包覆技術碳纖維復合芯導線有效連接，力學性能優(yōu)異且對鋁包覆碳纖維復合芯導線復合芯徑向耐壓性能和抗剪切力性能無明顯影響。因此大幅度降低了施工過程中對碳纖維復合芯導線造成損傷的可能，提高了現場施工的安全性，保證了電網運行的安全可靠性。新型鋁包覆碳纖維復合芯導線液壓式金具可大幅降低特高壓線路的綜合建設成本，對我國特高壓電網建設和能源互聯(lián)網建設具有重要意義。

［1］谷俊秀.碳纖維復合芯鋁導線國產金具的研制與應用［J］.電力建設，2009，30（12）：89-92，96.

［2］嚴行建，全德俠，宋寧寧.碳纖維復合芯導線配套金具的改進［J］.供用電，2009，26（6）：57-59.

［3］JANRUNGROATSAKUL W，LERTVACHIRAPAIBOON C.Development of coated-wire silver ion selective electrodes on paper using conductive films of silver nanoparticles ［J］.Analyst ，2013，38（22）： 86-92.

［4］KIM Hyundae，PARK Jaesung，KANG Seong-Hun.A study on the development of Plastic Conductor Fusion fittings using conductive carbon compound［J］.2013，4（6）：686-689.

［5］姜廣東，嚴行建，宋丹.基于碳纖維復合芯導線壓接特性與金具選型的研究［J］.電機工程，2012，31（5）：57-64.

［6］尤傳永.增容導線在架空輸電線路上的應用研究［J］.電力設備，2006，7（10）：1-7.

［7］劉長青，張學哲，劉勝春，等.提高導線運行允許溫度若干問題的探討［J］.電力設備，2004，5（8）：44-47.

［8］梁旭明，余軍，尤傳永.新型復合材料合成芯導線技術綜述［J］.電網技術，2006，30（19）：1-6.

［9］黃福勇，巢亞鋒，王成，等.±800 kV復奉線連接金具溫升異常原因分析及處理措施［J］.高壓電器，2007，53（5）：175-180.

［10］陳亞奎.±800 kV復奉線鋁管式跳線接頭滑移缺陷處理措施研究［J］.宿州學院學報，2013，28（6）：76-78.

［11］吳國宏，谷俊秀.高溫低弧垂導線配套金具的試驗研究［J］.電力建設，2005，26（4）：32-34.

［12］劉超群，劉勝春，孫寶東.改進型耐張線夾的結構設計與試驗研究［J］.電力建設，2006，27（3）：33-34.

［13］程應鏜.送電線路金具的設計、安裝、試驗和應用［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［14］余虹云，龔建剛，謝志明.液壓式Y型耐張線夾的研究與應用［J］.浙江電力，2008，27（2）：35-37.

Research on Link-fittings of New Carbon Fiber Composite Core Conductor Metallized Aluminium

LIU Hongzheng
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

Based on the operation characteristics and existing problems of new link-fittings of the carbon fiber composite core conductor，a new type of hydraulic technology on carbon fiber is used to connect wires and carbon core.Therefore，the metallized aluminium carbon fiber composite core conductor is connected with the splicingsleeve and strain clamp successfully.The problems and shortcomings of the high cost，complicated construction process，and easy to damage the carbon fiber core are solved for the metallized aluminium carbon fiber composite core conductor.Through the research and mechanics performance testing of the splicingsleeve and strain clamp，its influence on the radial pressure resistance and shear force of composite core is discussed for the carbon fiber composite core conductor.The experimental results show that the new link-fittings of carbon fiber composite core conductor not only has the advantages of traditional carbon fiber composite core link-fittings，but also has the low cost，and its construction process is the same as that of ordinary aluminium cable steel reinforced.The security of site construction is greatly improved to provide reliable guarantee for the safe operation of UHV transmission lines.

carbon fiber composite core conductor；metallized aluminium；link fittings；splicingsleeve；strain clamp

TM211

A

1007－9904（2017）11－0069－05

2017-09-13

劉洪正（1962），男，研究員，主要研究方向為電氣工程。