碳纖維導線及壓接施工工藝探討

朱健飛，潘洪峰

( 國網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，對城市規劃的要求越來越高，而提升城區終端變電源線路輸電能力提升困難，而城區部分區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，已不能滿足城區終端變供電需求，且原線路G01—G08 塔經過懷化城市規劃區。2012年決定對該線路進行全線擴容改造。由于碳纖維導線具有比重輕、輸送容量大的特點，在城區擴容改造上具有良好的經濟效益〔1〕，因此灣長線G01—G08 塔改造選用了此類導線。

1 碳纖維導線

碳纖維導線是一種新型導線，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，外層與鄰外層鋁線股為梯形截面，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拉伸后浸漬樹脂，最終在模具中高溫固化。

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

碳纖維導線的芯線密度為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、高強玻璃纖維和環氧樹脂，其中碳纖維經過耐火處理并碳化，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力能力，也占整個比重的35%。環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非常低，為1.6×10-6K-1，鋁和鋼的膨脹系數均大于碳纖維〔4〕，因此，在一定的溫度下，碳纖維導線的絕大部分張力載荷均由碳纖維芯來承擔，其外層鋁導體部分只起到導流的作用，這與常規的鋼芯鋁絞線完全不一樣。

由于碳纖維復合芯導線不存在鋼絲材料引起的磁滯和渦流效應，復合芯的非磁性體結構，解決了傳統導線的渦流損耗，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%。因碳纖維導線可以連續在高溫條件下運行，故其載流量可達到常規導線的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，碳纖維復合芯導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線預計運行溫度為140℃，短期運行溫度可高達180 ℃。由于導線運行溫度提高了1 倍以上，碳纖維導線壓接的金具也需要考慮到耐熱的問題。常規鋼芯鋁絞線的鋼芯壓接件是鋼錨，文獻〔5〕要求鋼錨的材質為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、外模和拉環各元素均符合GB/T 20878—2007 《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》標準規定〔6〕，具體數據見表1。

表1 拉環、楔形內模、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點。圖2 給出了碳纖維導線耐張線夾各部件組成。

圖2 碳纖維導線耐張線夾各部件組成

除了碳纖維芯單向性這個特點外，碳纖維導線不采用常規的壓縮金具壓接還有2 個原因:一是環氧樹脂高溫固化過程中因攪拌時灰塵、水氣等雜物的侵入，固化層內易產生夾雜和氣泡等宏觀缺陷，這些缺陷在壓縮應力作用下會不斷發展直至破斷。二是碳纖維芯在壓縮后，其單根碳纖維會產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，碳纖維導線的壓接施工需要重點關注碳纖維芯，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。而常規鋼芯鋁絞線壓接過程中的關鍵點(壓接定位)不是碳纖維導線壓接關注的重點。

110 kV 灣長線在壓接施工前對線夾進行了尺寸測量，具體數據見表2。該批線夾聯結套的長度L1為761 mm，楔形外模的長度L2為178 mm，拉環在聯結套內的有效長度L3為170 mm，內襯管的長度L4為295 mm。楔形外模的左端部與內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襯管的右端部的間距過大，導致碳纖維導線芯棒在線夾中露出過長，運行中發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果 mm

圖3 耐張線夾液壓示意圖

4 結束語

碳纖維導線具有強度高、電導率高、蠕變小、弧垂低、重量輕、耐腐蝕、節能環保、損耗小等眾多優點，對于節約電能、改善環境、減少污染有著重要意義，是線路改建和擴容的最優選擇之一。

壓接質量不良引起的接頭發熱問題是造成線路故障的重要原因之一，文中針對碳纖維復合芯導線首次使用的特殊情況，通過開展全過程的技術監督，監督檢查壓接施工，及時發現并消除了耐張線夾的缺陷，確保了線路的改造施工質量。

〔1〕忽翔. 碳纖維導線在架空輸電線路上的應用〔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. 碳纖維復合芯軟鋁絞線設計施工運行與檢修〔M〕，北京:中國電力出版社，2009.

〔4〕胡宏彬，張鵬，張渺，等. 碳纖維復合芯導線在內蒙古電網的適用性分析〔J〕. 內蒙古電力技術，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〕國家電網公司. Q/GDW 388—2009 碳纖維復合芯鋁絞線施工工藝驗收導則〔S〕. 北京:中國電力出版社，2009.