碳纖維復合芯導線應用的常見問題分析及應對措施

程亮亮 岳靈平 沈偉強 宋慶彬 孫佳軍

（國網湖州供電公司，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新的輸送走廊，土地資源比較緊張。此外，一些早期建設的輸電線路輸送容量已無法滿足日益增長的用電需求，需進行增容改造，但受路徑、土地、賠償等因素影響，建立新的線路輸送走廊越來越困難，政策處理難度大、建設時間長、成本高。因此，采用新的技術、材料和工藝，在原電力設施基礎上，供電公司通過導線更換實現增容改造成為一種必然選擇。

與常規鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復合芯導線具有重量輕、機械強度高、弧垂小、載流量大、耐高溫等特點。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，是目前應對負荷增長快、輸電走廊資源緊張局面的有效手段之一[1-2]。

碳纖維復合芯導線鑒于其材質、結構型式的特殊性，在配套金具、驗收、施工工藝、運行和檢測技術等方面仍存在一定不足。2017—2018年，碳纖維復合芯導線在全國范圍內接連出現了多起斷線事故，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、可靠運行造成了較大的隱患。文獻[3]對碳纖維復合芯導線發生的具體斷線故障進行了研究；文獻[4]則研究了碳纖維復合芯導線發生的芯棒內縮及起燈籠問題；文獻[5]對碳纖維復合芯導線發生的一起耐張線夾斷裂故障進行了分析。目前的研究多是關于碳纖維復合芯導線在施工及運行過程中出現的某一問題或某起故障進行的具體研究和分析，對導線在工程應用中出現的常見問題及影響因素等未進行整體研究分析。基于此，本文從碳纖維復合芯導線的應用現狀及其在應用過程中出現的常見問題出發，深入探討分析了問題產生的原因，并據此提出了具體的應對措施，從而為碳纖維復合芯導線在輸電工程中的應用和安全、穩定運行提供參考。

1 碳纖維復合芯導線應用現狀

20世紀90年代，日本率先研發了碳纖維芯鋁絞線，以碳復合材料代替鋼芯，但碳復合材料與鋁絞線兩者之間易發生電偶腐蝕問題（電池效應，雨水充當電解液角色）[2]。美國于2005年1月實現了碳纖維復合芯導線在工程中的實際應用。截至2014年，全世界碳纖維復合芯導線應用長度已超過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現碳纖維復合芯導線的實際應用[6]。

我國自2005年開始對碳纖維芯復合導線技術進行研究。2006年7月，我國第一條碳纖維復合芯導線在福建省龍巖市220 kV曹園線正式應用，2009年首次實現碳纖維導線在500 kV輸電線路上的應用。至2019年，國內已有27個省（市）及地區的300多條線路使用了碳纖維復合芯導線，線路累計總長度已超過25 000 km，其中，增容改造或擴建為主要應用范圍[7]。

2 碳纖維復合芯導線應用的常見問題分析

2.1 生產運輸環節

碳纖維復合芯導線外層與鄰外層鋁線股為梯形截面，導線外層鋁線與內層芯棒間的握著力較小，易產生相對滑移[8]。在生產出廠過程中，若碳纖維復合芯導線外層鋁股節徑比過大、線盤出線半徑小，會導致散股現象，如圖1（a）所示；圖1（b）為架線施工時發現的鋁線擦傷、壓痕及斷股現象，但在導線處并未發現有施工受力痕跡。這說明廠家在生產加工、運輸過程中存在瑕疵，或生產工藝不規范、保護措施不當，導線出廠或運輸時就已經受損。

圖1 碳纖維復合芯導線鋁線受損問題

2.2 施工環節問題

2.2.1 芯棒受損折斷

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

圖2 碳纖維復合芯導線芯棒受損問題

2.2.2 碳纖維復合芯導線抽芯、起燈籠

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

圖3 碳纖維復合芯導線抽芯、散股及起燈籠問題

2.3 運行環節

2017年，某平原地區某條500 kV架空輸電線路完成碳纖維復合芯導線更換增容后，運行過程中發現斷線故障，導線兩側端口形貌如圖4所示。導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；小號側斷裂處芯棒內縮約20 mm，大號側斷裂處芯棒內縮約50 mm。

圖4 芯棒斷口形貌對比

經檢測分析，碳纖維復合芯導線各性能皆符合招投標技術規范和國家相關標準要求。在對故障導線進行人工折彎試驗時，當導線彎折至80°，芯棒發出了明顯的斷裂聲響，再將導線拉直，碳纖維復合芯導線的承載拉力如表1所示。碳纖維復合芯導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重，無法承受載荷作用[3]。

表1 芯棒折斷后的導線承載拉力

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

3 應對措施

3.1 加強碳纖維導線生產質量管控

加強生產廠家在產品運輸時的保護和質量管控措施包括：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線損傷情況。同時，可開展駐廠監造、出廠驗收工作，強化關鍵環節質量控制，加強責任追溯。

3.2 嚴格控制碳纖維導線應用規模及范圍

（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等重要區段，避免使用碳纖維導線。

（2）針對技改大修工程，要組織專家對工程應用碳纖維導線的必要性、可行性進行論證；尚未投運的碳纖維導線改造工程，應梳理工程的重要跨越區段，結合實際情況開展方案復審。

3.3 加強碳纖維導線工程施工管控

3.3.1 嚴格遵循碳纖維復合芯導線施工技術要求

（1）碳纖維導線工程要依據基建安全管理規定，按照“特殊作業”的有關要求，編制架線專項施工方案；嚴格遵循碳纖維復合芯導線工程應用技術規范、施工工藝及驗收導則等相關技術要求。

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

（3）優化壓接工藝。壓接前，將盤卷的導線調直；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線綁扎。在接續管外接管管口及耐張管聯接套非聯接環一端進行后三模壓接時，要在距離金具200～350 mm處，用手沿鋁股絞方向握住絞線，防止應力集中造成導線出現起燈籠現象。一個碳纖維導線試樣由兩端的耐張線夾和中間的接續管三部分組成，為防止導線松股，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 加強施工過程管控

（1）嚴格控制施工工藝，制定并有效落實碳纖維導線施工關鍵環節控制措施，認真查驗導線規格、型號、技術參數等，杜絕不合格導線進入安裝環節。

（2）作業時，要實時觀測并記錄牽張力、彎曲度、壓接尺寸、導線弧垂等關鍵數據，并形成驗收評定記錄，導線壓接等關鍵操作應全程錄像。運維單位要對導線壓接、臨錨、緊線、掛線等關鍵施工工藝歸檔進行審核。

3.4 加強在運碳纖維導線運維管理

3.4.1 加強碳纖維導線巡視

明確重要跨越區段運維策略，縮短巡視周期，強化檢測要求，重點關注相間或子導線間的弧垂差異、耐張線夾出口15 m范圍內導線縮徑或斷股等異常，并加強碳纖維導線耐張引流板紅外測溫。

3.4.2 開展碳纖維導線隱患排查治理

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

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

4 結語

碳纖維復合芯導線由碳纖維芯棒、玻璃纖維包覆層、鋁線外層組成，外層與鄰外層鋁線股為梯形截面，其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，均可能引起碳纖維復合芯導線散股、起燈籠、抽芯等受損問題，甚至會造成芯棒折斷，使得碳纖維復合芯導線帶病運行，最終造成輸電線路斷線事故。本文針對碳纖維復合芯導線的生產、施工及運行環節提出了相應的應對措施，可有效解決碳纖維導線應用過程中的芯棒受損、導線散股、抽芯起燈籠等常見問題，及時排除事故隱患，為碳纖維復合芯導線的應用和安全運行提供有價值的參考。