碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用的常見問題分析及應(yīng)對措施

程亮亮 岳靈平 沈偉強(qiáng) 宋慶彬 孫佳軍

（國網(wǎng)湖州供電公司，浙江湖州313000）

0 引言

近年來，全國用電量急劇增長，新增輸電線路需要建設(shè)新的輸送走廊，土地資源比較緊張。此外，一些早期建設(shè)的輸電線路輸送容量已無法滿足日益增長的用電需求，需進(jìn)行增容改造，但受路徑、土地、賠償?shù)纫蛩赜绊?，建立新的線路輸送走廊越來越困難，政策處理難度大、建設(shè)時間長、成本高。因此，采用新的技術(shù)、材料和工藝，在原電力設(shè)施基礎(chǔ)上，供電公司通過導(dǎo)線更換實(shí)現(xiàn)增容改造成為一種必然選擇。

與常規(guī)鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、弧垂小、載流量大、耐高溫等特點(diǎn)。線路增容改造過程中，一方面可充分利用原線路桿塔資源，另一方面又能大幅提高輸電線路的輸送容量，是目前應(yīng)對負(fù)荷增長快、輸電走廊資源緊張局面的有效手段之一[1-2]。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線鑒于其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)型式的特殊性，在配套金具、驗(yàn)收、施工工藝、運(yùn)行和檢測技術(shù)等方面仍存在一定不足。2017—2018年，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在全國范圍內(nèi)接連出現(xiàn)了多起斷線事故，由于缺少有效的排査方法和手段，這無疑給輸電線路的安全、可靠運(yùn)行造成了較大的隱患。文獻(xiàn)[3]對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線發(fā)生的具體斷線故障進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[4]則研究了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線發(fā)生的芯棒內(nèi)縮及起燈籠問題；文獻(xiàn)[5]對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線發(fā)生的一起耐張線夾斷裂故障進(jìn)行了分析。目前的研究多是關(guān)于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在施工及運(yùn)行過程中出現(xiàn)的某一問題或某起故障進(jìn)行的具體研究和分析，對導(dǎo)線在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的常見問題及影響因素等未進(jìn)行整體研究分析?；诖?，本文從碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的應(yīng)用現(xiàn)狀及其在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的常見問題出發(fā)，深入探討分析了問題產(chǎn)生的原因，并據(jù)此提出了具體的應(yīng)對措施，從而為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在輸電工程中的應(yīng)用和安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，日本率先研發(fā)了碳纖維芯鋁絞線，以碳復(fù)合材料代替鋼芯，但碳復(fù)合材料與鋁絞線兩者之間易發(fā)生電偶腐蝕問題（電池效應(yīng)，雨水充當(dāng)電解液角色）[2]。美國于2005年1月實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在工程中的實(shí)際應(yīng)用。截至2014年，全世界碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用長度已超過10 000 km，歐美國家共有19條，其中，美國有16條、法國有2條、西班牙有1條。目前，世界各大洲都已成功實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的實(shí)際應(yīng)用[6]。

我國自2005年開始對碳纖維芯復(fù)合導(dǎo)線技術(shù)進(jìn)行研究。2006年7月，我國第一條碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在福建省龍巖市220 kV曹園線正式應(yīng)用，2009年首次實(shí)現(xiàn)碳纖維導(dǎo)線在500 kV輸電線路上的應(yīng)用。至2019年，國內(nèi)已有27個省（市）及地區(qū)的300多條線路使用了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，線路累計總長度已超過25 000 km，其中，增容改造或擴(kuò)建為主要應(yīng)用范圍[7]。

2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用的常見問題分析

2.1 生產(chǎn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線外層與鄰?fù)鈱愉X線股為梯形截面，導(dǎo)線外層鋁線與內(nèi)層芯棒間的握著力較小，易產(chǎn)生相對滑移[8]。在生產(chǎn)出廠過程中，若碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線外層鋁股節(jié)徑比過大、線盤出線半徑小，會導(dǎo)致散股現(xiàn)象，如圖1（a）所示；圖1（b）為架線施工時發(fā)現(xiàn)的鋁線擦傷、壓痕及斷股現(xiàn)象，但在導(dǎo)線處并未發(fā)現(xiàn)有施工受力痕跡。這說明廠家在生產(chǎn)加工、運(yùn)輸過程中存在瑕疵，或生產(chǎn)工藝不規(guī)范、保護(hù)措施不當(dāng)，導(dǎo)線出廠或運(yùn)輸時就已經(jīng)受損。

圖1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線鋁線受損問題

2.2 施工環(huán)節(jié)問題

2.2.1 芯棒受損折斷

在碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線施工時，施工工藝不良會發(fā)生機(jī)具碰撞導(dǎo)線或?qū)Ь€單點(diǎn)受力等情況，導(dǎo)致芯棒受損。圖2（a）為碳纖維導(dǎo)線耐張線夾壓接時，由于壓模尺寸偏小造成其芯棒斷裂；圖2（b）為碳纖維導(dǎo)線展放時，因線盤與張力機(jī)距離太近，張力機(jī)制動時，引起碳纖維導(dǎo)線芯棒被折斷。

圖2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線芯棒受損問題

2.2.2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線抽芯、起燈籠

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線施工過程中，在導(dǎo)線端部進(jìn)行臨錨操作、平衡掛線時，導(dǎo)線在卡線器后及滑車口易出現(xiàn)散股、抽芯、起燈籠等問題，如圖3（a）、圖3（b）所示。究其原因，一方面是受其結(jié)構(gòu)因素影響，外層鋁線與內(nèi)層芯棒間易產(chǎn)生相對滑移，從而造成芯棒內(nèi)縮；另一方面是在碳纖維導(dǎo)線外層鋁線絞制過程中，各線股會不同程度地產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，即使導(dǎo)線絞制完成，這些扭轉(zhuǎn)變形仍會存在，并形成內(nèi)部預(yù)扭力。導(dǎo)線展放時，預(yù)扭力釋放使得線股發(fā)生變形，由此引發(fā)導(dǎo)線松股[4]。

圖3 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線抽芯、散股及起燈籠問題

2.3 運(yùn)行環(huán)節(jié)

2017年，某平原地區(qū)某條500 kV架空輸電線路完成碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線更換增容后，運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)斷線故障，導(dǎo)線兩側(cè)端口形貌如圖4所示。導(dǎo)線斷口無明顯外部損傷，鋁線斷裂處呈拉伸頸縮狀，變形較多，斷口較平齊；小號側(cè)斷裂處芯棒內(nèi)縮約20 mm，大號側(cè)斷裂處芯棒內(nèi)縮約50 mm。

圖4 芯棒斷口形貌對比

經(jīng)檢測分析，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線各性能皆符合招投標(biāo)技術(shù)規(guī)范和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。在對故障導(dǎo)線進(jìn)行人工折彎試驗(yàn)時，當(dāng)導(dǎo)線彎折至80°，芯棒發(fā)出了明顯的斷裂聲響，再將導(dǎo)線拉直，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的承載拉力如表1所示。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線剩余承載拉力與鋁線的計算拉斷力非常接近，這表明芯棒彎折后受損嚴(yán)重，無法承受載荷作用[3]。

表1 芯棒折斷后的導(dǎo)線承載拉力

芯棒斷口形貌對比如圖4所示。碳纖維故障導(dǎo)線兩側(cè)芯棒斷裂面較為整齊，外層碳纖維未出現(xiàn)炸裂分散現(xiàn)象，且芯棒外圍有部分玻璃纖維絲殘留，與常規(guī)拉斷力試驗(yàn)斷口相比，差異較大，但與人工將芯棒折斷的斷口非常相似。由此可知，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線斷裂之前，芯棒已經(jīng)受損，甚至發(fā)生了斷裂。芯棒受損或斷裂后，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線剩余鋁線將承受導(dǎo)線的全部張力，但受環(huán)境、應(yīng)力等影響，鋁線承受力逐漸下降，環(huán)境條件變化時，導(dǎo)線應(yīng)力變大，當(dāng)導(dǎo)線張力超過了剩余鋁線允許的張力，就會發(fā)生斷線故障[3]。

3 應(yīng)對措施

3.1 加強(qiáng)碳纖維導(dǎo)線生產(chǎn)質(zhì)量管控

加強(qiáng)生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品運(yùn)輸時的保護(hù)和質(zhì)量管控措施包括：在鋁線絞線前，可對碳纖維芯棒通電，然后用紅外探測器檢測導(dǎo)線損傷情況。同時，可開展駐廠監(jiān)造、出廠驗(yàn)收工作，強(qiáng)化關(guān)鍵環(huán)節(jié)質(zhì)量控制，加強(qiáng)責(zé)任追溯。

3.2 嚴(yán)格控制碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用規(guī)模及范圍

（1）在重要線路和跨越高速鐵路（含電氣化鐵路），省級及以上重要輸電通道，高速公路，一、二級公路，一、二級通航河流和居民區(qū)等重要區(qū)段，避免使用碳纖維導(dǎo)線。

（2）針對技改大修工程，要組織專家對工程應(yīng)用碳纖維導(dǎo)線的必要性、可行性進(jìn)行論證；尚未投運(yùn)的碳纖維導(dǎo)線改造工程，應(yīng)梳理工程的重要跨越區(qū)段，結(jié)合實(shí)際情況開展方案復(fù)審。

3.3 加強(qiáng)碳纖維導(dǎo)線工程施工管控

3.3.1 嚴(yán)格遵循碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線施工技術(shù)要求

（1）碳纖維導(dǎo)線工程要依據(jù)基建安全管理規(guī)定，按照“特殊作業(yè)”的有關(guān)要求，編制架線專項(xiàng)施工方案；嚴(yán)格遵循碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范、施工工藝及驗(yàn)收導(dǎo)則等相關(guān)技術(shù)要求。

（2）改進(jìn)導(dǎo)線連接方式，使用專用卡箍。牽引時，在連接走板前，以專用卡箍（鋼）進(jìn)行壓接保護(hù)，防止外層鋁線和復(fù)合芯出現(xiàn)抽芯問題。壓接完成后，用專用蛇皮套（專用網(wǎng)套連接器）包裹，綁扎牢固后用黑膠布纏繞，并將網(wǎng)套連接器通過抗彎連接器與導(dǎo)引繩進(jìn)行連接[6]。

（3）優(yōu)化壓接工藝。壓接前，將盤卷的導(dǎo)線調(diào)直；綁扎時，用膠布緊緊纏繞；壓接過程中，每隔一定距離使用麻繩將導(dǎo)線綁扎。在接續(xù)管外接管管口及耐張管聯(lián)接套非聯(lián)接環(huán)一端進(jìn)行后三模壓接時，要在距離金具200～350 mm處，用手沿鋁股絞方向握住絞線，防止應(yīng)力集中造成導(dǎo)線出現(xiàn)起燈籠現(xiàn)象。一個碳纖維導(dǎo)線試樣由兩端的耐張線夾和中間的接續(xù)管三部分組成，為防止導(dǎo)線松股，一端耐張線夾采用正壓方式，另一端采用反壓方式完成液壓壓接[6]。

3.3.2 加強(qiáng)施工過程管控

（1）嚴(yán)格控制施工工藝，制定并有效落實(shí)碳纖維導(dǎo)線施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制措施，認(rèn)真查驗(yàn)導(dǎo)線規(guī)格、型號、技術(shù)參數(shù)等，杜絕不合格導(dǎo)線進(jìn)入安裝環(huán)節(jié)。

（2）作業(yè)時，要實(shí)時觀測并記錄牽張力、彎曲度、壓接尺寸、導(dǎo)線弧垂等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并形成驗(yàn)收評定記錄，導(dǎo)線壓接等關(guān)鍵操作應(yīng)全程錄像。運(yùn)維單位要對導(dǎo)線壓接、臨錨、緊線、掛線等關(guān)鍵施工工藝歸檔進(jìn)行審核。

3.4 加強(qiáng)在運(yùn)碳纖維導(dǎo)線運(yùn)維管理

3.4.1 加強(qiáng)碳纖維導(dǎo)線巡視

明確重要跨越區(qū)段運(yùn)維策略，縮短巡視周期，強(qiáng)化檢測要求，重點(diǎn)關(guān)注相間或子導(dǎo)線間的弧垂差異、耐張線夾出口15 m范圍內(nèi)導(dǎo)線縮徑或斷股等異常，并加強(qiáng)碳纖維導(dǎo)線耐張引流板紅外測溫。

3.4.2 開展碳纖維導(dǎo)線隱患排查治理

（1）落實(shí)碳纖維導(dǎo)線重要跨越區(qū)段補(bǔ)強(qiáng)加固措施。針對在運(yùn)碳纖維導(dǎo)線跨越高速鐵路區(qū)段，制定整改措施，確保不發(fā)生斷線故障；對于重要跨越區(qū)段，耐張線夾出口段可以采取安裝備份線夾，或者對導(dǎo)線進(jìn)行雙層預(yù)絞絲交替纏繞補(bǔ)強(qiáng)的臨時措施（500 kV線路一般纏繞至15 m），防止導(dǎo)線跌落引起二次事故。

（2）積極對碳纖維導(dǎo)線線夾出口和卡線器位置開展無損檢測，及時發(fā)現(xiàn)并消除隱患。

4 結(jié)語

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由碳纖維芯棒、玻璃纖維包覆層、鋁線外層組成，外層與鄰?fù)鈱愉X線股為梯形截面，其承力結(jié)構(gòu)主要為碳纖維芯棒，在導(dǎo)線生產(chǎn)運(yùn)輸、架線施工和運(yùn)行等環(huán)節(jié)，均可能引起碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線散股、起燈籠、抽芯等受損問題，甚至?xí)斐尚景粽蹟?，使得碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線帶病運(yùn)行，最終造成輸電線路斷線事故。本文針對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的生產(chǎn)、施工及運(yùn)行環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施，可有效解決碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用過程中的芯棒受損、導(dǎo)線散股、抽芯起燈籠等常見問題，及時排除事故隱患，為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的應(yīng)用和安全運(yùn)行提供有價值的參考。