碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線耐張線夾發(fā)熱原因分析

姚貴嬌 曹懋峰 陳作新

（1.南京電力金具設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 211599；2.中國能源建設(shè)集團南京線路器材有限公司，江蘇 南京 211599）

0 引言

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是一種節(jié)能型增容導(dǎo)線，其加強芯由特高強度碳纖維合成的芯棒替代傳統(tǒng)的鋼芯和鋼絞線，外層采用定型鋁絞合而成，在相同導(dǎo)線截面積的情況下，相對于傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是能輸送更多電能的新型導(dǎo)線，同時碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有強度高、載流量大、線膨脹系數(shù)小、質(zhì)量輕、耐腐蝕等特點，該類導(dǎo)線配套金具加工精度要求高，金具成本較高[1]。

部分架空輸電線路中采用了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線以提高線路運行效率，但部分碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線耐張線夾在線路運行中有發(fā)熱現(xiàn)象。具體發(fā)熱部位為耐張線夾引流板，其中4顆不銹鋼螺栓溫度最高，部分達到400℃左右。為防止因發(fā)熱而產(chǎn)生線路故障，已對問題線路做了應(yīng)急處理[2]，更換了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線及其耐張線夾。為了分析耐張線夾引流板發(fā)熱原因[3]，同時為消除后續(xù)耐張線夾發(fā)熱引發(fā)線路故障提供理論支撐，下面對發(fā)熱耐張線夾進行相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

基于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線用配套金具發(fā)熱點位置和發(fā)熱溫度，擬進行如下試驗分析：耐張線夾電氣試驗數(shù)據(jù)采集、通流情況、不同型式引流板導(dǎo)流試驗、螺栓不同扭矩的電阻對比、不銹鋼螺栓和鍍鋅螺栓的電氣對比、端子板接觸面是否涂抹電力脂對電阻的影響。

1.1 耐張線夾初始直流電阻采集

為了更好地排查出發(fā)熱故障點，本次耐張線夾直流電阻測量采取整體電阻測量和分段測量相結(jié)合的方法進行。整體電阻測量即將耐張線夾和引流線夾作為一個整體來測量，分段電阻測量將耐張線夾和引流線夾這個整體分成三段，對三段電阻進行測量，排查出具體故障點。整體電阻測量部位示意圖如圖1所示，分段電阻測量部位示意圖如圖2所示。

圖1 整體電阻測量部位示意圖

圖2 分段電阻測量部位示意圖

直流電阻試驗時，在回路中通入穩(wěn)定的20/30 A正反向直流電流，采用直流壓降法進行測量。該耐張線夾整體初始電阻值與相應(yīng)長度的等長參考導(dǎo)線電阻比為4.74。耐張線夾分段電阻值與相應(yīng)長度的等長參考導(dǎo)線電阻比如表1所示。

表1 耐張線夾分段初始電阻與等長參考導(dǎo)線電阻比

試驗數(shù)據(jù)表明：耐張線夾整體初始電阻大于等長參照導(dǎo)線的直流電阻，電阻比為4.74；耐張線夾分段電阻A270、C800段的直流電阻低于對應(yīng)等長導(dǎo)線的直流電阻，耐張線夾B270段的直流電阻大于對應(yīng)等長導(dǎo)線的直流電阻，可見本次事故的故障點是線夾B段，即端子板部位。

1.2 耐張線夾初始溫升采集

溫升試驗時回路中通以1 400 A的交流電流，待試驗回路溫升穩(wěn)定以后，測量各測試點的溫度值，具體電氣布置圖如圖3所示，耐張線夾初始溫度值如表2所示。

圖3 電氣試驗布置圖

表2 耐張線夾各測溫點初始溫度值

耐張線夾溫度值表明：初次溫升中，耐張線夾5個測溫點的溫度值為40～409.8℃，等長導(dǎo)線溫度值為64.8℃，其中4個測溫點的溫度值均高于等長導(dǎo)線的溫度值。溫升試驗再次驗證了主要發(fā)熱點是端子板和部分螺栓。

1.3 耐張線夾引流板導(dǎo)通采集

耐張線夾引流板和引流線夾接觸部位電力脂涂抹較多，且老化嚴(yán)重，存在發(fā)硬現(xiàn)象。推測存在電力脂在導(dǎo)流接觸面形成絕緣層的可能，導(dǎo)致線路運行中接觸面不導(dǎo)流，4顆螺栓導(dǎo)流，最終導(dǎo)致螺栓溫度過高。用萬用表進行引流板導(dǎo)通性測量后發(fā)現(xiàn)，線夾螺栓和引流板導(dǎo)流效果較好，耐張線夾引流板和引流線夾引流板間導(dǎo)流效果較差。具體情況如圖4、圖5所示。

圖4 螺栓和引流板導(dǎo)流圖

圖5 引流板間導(dǎo)流圖

1.4 不銹鋼螺栓不同扭矩下電阻采集

將耐張線夾引流板和設(shè)備線夾引流板的連接螺栓進行拆解，拆解過程中對螺栓擰緊力矩進行了測量，4顆螺栓的擰緊力矩分別為72、121、75、130 N·m，推測螺栓松動可能是造成引流板發(fā)熱原因之一。

參照拆解螺栓時測量的擰緊力矩值，將不銹鋼螺栓按照40、80、120 N·m擰緊力矩值擰緊，并測量3個擰緊力矩值下的耐張線夾整體電阻和各段電阻。不同扭矩下的整體電阻與等長參考導(dǎo)線的電阻比如表3所示，耐張線夾直流電阻隨著擰緊力矩的增大而減小。

表3 不同螺栓扭矩下電阻與等長參考導(dǎo)線電阻比

1.5 不同連接螺栓電氣數(shù)據(jù)采集

將處理后的端子板用4顆普通M12鍍鋅螺栓連接，測量耐張線夾整體電阻和分段電阻。線夾使用鍍鋅螺栓和不銹鋼螺栓的整體電阻與等長參考導(dǎo)線電阻比如表4所示。

表4 線夾使用鍍鋅螺栓和不銹鋼螺栓的整體電阻與等長參考導(dǎo)線電阻比

溫升試驗時回路中通以1 400 A的交流電流，待試驗回路溫升穩(wěn)定以后，測量各測試點的溫度值，使用鍍鋅螺栓時的溫度值如表5所示，使用不銹鋼螺栓時的溫度值如表6所示。

表5 使用鍍鋅螺栓時各測溫點和導(dǎo)線溫度值

表6 使用不銹鋼螺栓時各測溫點和導(dǎo)線溫度值

試驗數(shù)據(jù)表明：使用鍍鋅螺栓時，耐張線夾與等長導(dǎo)線的電阻比為1.7；使用不銹鋼螺栓時，耐張線夾與等長導(dǎo)線的電阻比為7.8。使用鍍鋅螺栓時，線夾5個測溫點的溫度值為66～106.1℃，等長導(dǎo)線溫度值為125.3℃，5個測溫點的溫度值均低于等長導(dǎo)線的溫度值；使用不銹鋼螺栓時，線夾5個測溫點的溫度值為66～184℃，等長導(dǎo)線溫度值為122.3℃，鋁管（1）測溫點的溫度值低于等長導(dǎo)線的溫度值，其他4個點的溫度值均高于等長導(dǎo)線的溫度值。

1.6 是否涂抹電力脂的電氣數(shù)據(jù)采集

將連接螺栓拆開后，發(fā)現(xiàn)不銹鋼螺栓為全螺紋，4顆不銹鋼螺栓由于長時間溫度過高，外表面有變色現(xiàn)象，螺紋夾雜為黑色物質(zhì)。引流板接觸面有一層黑色物質(zhì)，將引流板接觸面清理干凈后，發(fā)現(xiàn)接觸面基本光滑，無燒傷現(xiàn)象。

處理后的引流板涂抹適量電力脂，用4顆普通M12鍍鋅螺栓連接，測量耐張線夾整體電阻和分段電阻，與未涂電力脂線夾進行比較。試驗數(shù)據(jù)表明，耐張線夾引流板涂電力脂的整體電阻略低于未涂電力脂線夾。耐張線夾在是否涂抹電力脂情況下的整體電阻與等長參考導(dǎo)線的電阻比如表7所示。

表7 線夾是否涂電力脂的電阻與等長參考導(dǎo)線電阻比

2 發(fā)熱原因分析

通過在耐張線夾不同狀態(tài)下對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的試驗數(shù)據(jù)采集結(jié)果可知，在引流板間導(dǎo)通試驗中，線夾螺栓和引流板導(dǎo)流效果較好，耐張線夾引流板和引流線夾引流板間導(dǎo)流效果較差。不排除施工時在引流板接觸面涂抹過多的電力脂，長時間運行導(dǎo)致電力脂老化變質(zhì)，在接觸面間形成絕緣層，導(dǎo)致引流板不導(dǎo)流，4顆螺栓導(dǎo)流。初始溫升試驗中，線夾螺栓溫度短時間達到409.8℃，是耐張線夾出口處最低溫度40℃的10倍，對此是很好的證明。發(fā)熱點集中在螺栓以及螺栓周圍端子板部位。引流板連接用不銹鋼螺栓松動對線夾整體電阻影響較大，進而在通電時影響線夾溫度。引流板連接用螺栓的選擇對線夾整體電阻影響較大，進而對線夾溫度有較大影響。

3 建議

后續(xù)工程中建議使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的電力脂，同時涂抹量嚴(yán)格按照施工工藝規(guī)程操作，緊固螺栓采用標(biāo)準(zhǔn)擰緊力矩且運維過程中對螺栓緊固程度進行檢查，選擇電阻低、緊固性好的螺栓。