碳纖維復合芯導線斷線原因分析及預控措施

張志剛，張瑞永，賈振宏

（1.國網青海省電力公司海北供電公司，青海西寧 810029；2.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇南京 211102）

0 引言

碳纖維復合芯導線與傳統導線相比具有強度高、耐腐蝕、導電率高、載流量大、重量輕、弧垂小、耐高溫等優點[1,2]，隨著制造成本持續降低，在110～500 kV 線路增容改造工程中大量使用，并在新建線路和高電壓等級線路中得到了認可[3,4]。

為在增容改造和新建線路中規模推廣碳纖維復合芯導線，國內相關研究機構相繼進行了碳纖維復合芯導線應用經濟性分析、架線壓接、舞動后受損研究[5,6]，但目前碳纖維復合芯導線在交貨驗收、掛網運行和缺陷檢測方面仍缺乏足夠的經驗，特別是在2017 至2018 年連續發生了多起碳纖維復合芯導線斷線事故，而無法進行有效的隱患排查，給輸電線路的安全可靠帶來相當大的安全隱患。

2 典型斷線事故

2.1 500 kV 線路斷線

2017 年12 月，某500 kV 線路47#塔B 相4#子導線斷裂，斷線時負荷900 MW，電流約1000 A，天氣多云轉晴，氣溫5℃～9℃，當日風力5～10 m/s，風力等級為3-4 級。該線路2017 年4 月完成碳纖維復合芯導線更換，導線型號JLRX/F2A-460/40。導線斷裂位置位于38#至47#塔大號側耐張段內，距離47#塔約10.4 m。導線斷裂后，一端垂于耐張線夾，一端垂于第一個間隔棒。

導線斷裂處的鋁線未見明顯外部損傷，鋁線斷口呈拉伸頸縮狀，變形量較大，斷口平齊；小號側斷口芯棒內縮20 mm 左右，大號側斷口芯棒內縮50 mm。兩側芯棒斷裂面較為整齊，碳纖維未出現炸裂分散現象，芯棒外圍殘存部分玻璃纖維絲，斷口形貌與常規拉斷力試驗形成的斷口有明顯差異，與芯棒折斷斷口相似。

2.2 220 kV 線路斷線

2018 年01 月，某220 kV 線路A 相跳閘，重合不成功。故障巡視發現該線路17#塔大號側A 相雙分裂導線下子導線在距離耐張線夾出口約2 m 處斷開。該線路采用JLRX1/F1B-400/50型碳纖維復合芯軟鋁導線，2016 年2 月投運。故障時該地區天氣為大雪，最低氣溫零下3～6 ℃，東北風4-5 級。

故障導線斷口距耐張線夾出口2.4 m，距第一個防振錘0.9 m，斷口兩端外層鋁股散開，其中耐張線夾側外層鋁股已嚴重變形。直線塔側斷線位置芯棒內縮，芯棒裂開，斷口大部分較為平齊，裂開的玻璃纖維層有拉伸伸長痕跡。

3 碳纖維復合芯導線斷線原因分析

500 kV 線路及220 kV 線路斷線均發生在平原地區，無惡劣氣象條件記錄，斷線均發生在冬季，無未覆冰，風力一般；斷線位置臨近耐張塔，導線供貨、架線施工和監理為不同的參建單位。

3.1 導線質量檢測

對碳纖維復合芯導線取樣進行檢測分析，取樣位置為斷口處遠離耐張側約20 m 位置，檢測項目包括導線性能、芯棒性能和軟鋁型線性能（表1）。檢測結果表明，碳纖維復合芯導線各項性能均符合招投標技術規范書和國家相關標準要求。

表1 故障導線質量檢測結果

3.2 承載力試驗

碳纖維芯棒具有極良好的縱向承力性能，但耐彎折能力較差。通過對故障導線選取一段進行人工彎折試驗，當彎折約80°角時，聽見明顯的芯棒斷裂清脆聲，此時碳纖維全部斷裂，玻璃纖維部分斷裂。當聽見導線發出“啪”的清脆響聲后停止彎折，再進行導線拉伸直至鋁線全部斷開，測得碳纖維復合芯導線的承載拉力見表2。試驗結果表明，芯棒折斷后導線剩余承載力接近鋁線的計算拉斷力，說明芯棒彎折后已受損，不能承受載荷作用。

表2 芯棒折斷后的承載拉力

3.3 斷口形貌對比

由于碳纖維復合芯導線的承力結構主要為碳纖維芯棒，為進一步分析導線斷裂原因，將不同斷裂形式下芯棒斷口進行對比分析，見圖1?，F場故障導線芯棒斷口和人工彎折導線芯棒斷口較為整齊，外層玻璃纖維分散成較少的幾股，只有一側呈細絲狀，有拉伸痕跡。而正常拉斷導線芯棒，外層玻璃纖維層已完全呈細絲狀，內部碳纖維斷裂位置隨機，且在剝除外層鋁線時斷口附近掉落大量碳纖維絲。

圖1 芯棒斷口形貌對比

3.4 綜合分析

對比分析故障導線、人工彎折導線、正常拉斷導線芯棒斷口形貌，現場故障導線芯棒斷口形貌和人工彎折導線芯棒斷口形貌非常相似。據此判斷導線發生斷裂前，內部芯棒已受損，甚至已斷裂。

芯棒受損或斷裂后，剩余鋁線承載全部的導線張力，但在環境、應力等因素的長期作用下，鋁線承載能力逐漸下降，低溫條件下導線的應力變大，碳纖維復合芯導線在低溫和冰雪的共同作用下，導線張力超過了剩余鋁線允許張力，最終發生斷線故障。

4 改進及預防措施

在導線生產、運輸、架線施工和運行等環節，均可能導致碳纖維芯棒受損，為減少碳纖維芯棒受損引發的事故，可從4 個方面進行改進和預防。

4.1 芯棒生產的質量管控

制造企業加強導線生產過程中的產品保護和質量管控。根據碳纖維復合導線的結構，芯棒的玻璃纖維將碳纖維束和鋁絞線分隔開，因此在外層鋁線絞線前，逐根單獨對碳纖維芯棒通電發熱，用紅外熱像儀對其進行通長檢測。通過對碳纖維通電發熱，空洞、裂紋、厚度不勻等缺陷會造成熱量傳遞不均勻，利用紅外探測器探測不同的導線溫度分布，經處理后在示波器或計算機顯示屏上顯示出來，即可檢測到導線的損傷情況。

4.2 導線架線

如碳纖維復合芯導線在安裝中施工不當，極易造成內部芯棒損傷甚至斷裂，且這類損傷在耐張線夾接續后尚無可靠的檢測手段，為此應嚴格控制施工工藝。

碳纖維復合芯導線放線滑車應滿足輪槽底部直徑大于導線直徑的30 倍，輪槽深度大于導線直徑1.25 倍，輪槽口寬度大于導線直徑2.4 倍，且能保證順利通過各種聯接器的要求。在放線過程中，放線滑車上的包絡角超過25°，或滑車輪槽底部直徑小于30 倍直徑時，應加掛雙放線滑車，必要時采用多輪復合式滑車。同時建議放線施工結束后，截斷碳纖維復合芯導線卡線器以外的部分。

4.3 放線后芯棒試拉

碳纖維芯棒的失效行為較為獨特，一旦失效，會迅速擴展，所以在耐張線夾和接續管接續前，需及時檢測碳纖維芯棒的強度，避免出現芯棒斷裂受損、僅由鋁線持力的帶病投運現象的發生。

建議放線施工后、耐張線夾接續安裝前，適當放松緊線器，對碳纖維復合芯導線芯棒以導線架線張力緊線試拉，使導線張力完全由芯棒承擔，受損的芯棒很容易因受力從導線中拉出，以及時暴露碳纖維復合芯導線芯棒受損或斷裂缺陷。

4.4 連接工藝改進

在碳纖維復合芯導線的斷線事故中，耐張線夾壓接不良、卡線器過滑車或卡線器卡線不當，均會造成耐張線夾出口處斷線，上述事故點一般集中在耐張線夾出口外20 m 范圍內。預絞絲備份線夾可對耐張線夾出口外20 m 范圍導線進行保護，一旦保護范圍內發生故障或耐張線夾失效時，備份線夾可以繼續拉緊導線，防止導線跌落引起二次事故，贏得搶修時間。

5 結語

碳纖維復合芯導線的承力結構主要為碳纖維芯棒，在導線生產、運輸、架線施工和運行等環節，均可能導致碳纖維芯棒受損，但在導線架線完成后，剩余鋁線可在一般荷載條件下短期承載全部的導線張力，由于缺少有效的架線后檢測手段，導致芯棒受損的碳纖維復合芯導線帶病運行，線路斷線事故已無法避免。為減少碳纖維芯棒受損引發的斷線事故，可分別針對芯棒生產質量管控、導線架線、放線后芯棒試拉以及連接工藝等方面進行質量控制和改進，及時暴露事故隱患，并進行隱患點備份、贏得搶修時間。