新型鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線連接金具應(yīng)用研究

劉洪正

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

新型鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線連接金具應(yīng)用研究

劉洪正

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

基于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線連接金具的運(yùn)行特點和存在問題，采用全新液壓式工藝對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線和復(fù)合碳芯進(jìn)行連接，實現(xiàn)鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與耐張線夾、接續(xù)管等金具的可靠結(jié)合，成功解決了碳纖維連接金具造價成本高，施工工藝復(fù)雜，易對碳纖維芯造成損傷等問題。通過研制新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線耐張線夾和接續(xù)管，并進(jìn)行力學(xué)性能測試，探討對鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線復(fù)合芯徑向耐壓性能和抗剪切力性能的影響。實驗結(jié)果表明，新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線連接金具不僅具備傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具的優(yōu)點，同時造價低，施工工藝與普通鋼芯鋁絞線相同，大幅提高了現(xiàn)場施工的安全性，為特高壓輸電線路安全運(yùn)行提供可靠保障。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線；鋁包覆；連接金具；接續(xù)管；耐張線夾

0 引言

基于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的優(yōu)點，如電氣、機(jī)械等性能方面優(yōu)于普通鋼芯鋁絞線、應(yīng)用優(yōu)勢突出、結(jié)構(gòu)新穎等，有利于提高壓接管、耐張線夾與導(dǎo)線的壓接強(qiáng)度［1-2］。但是碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線依靠承力芯承載，夾緊固定需要特殊的要求，耐張金具、中間接續(xù)金具與普通導(dǎo)線不同，壓接及安裝方法明顯區(qū)別于普通導(dǎo)線確保在安裝時對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線不產(chǎn)生任何損傷。因此在施工過程中，工藝復(fù)雜，施工質(zhì)量要求高，其中以金具壓接最為突出。同時，在施工過程中需特別注意不能損傷導(dǎo)線。在實際使用過程中，運(yùn)行時的備品備件、應(yīng)急搶修等方面均存在一定的難度，限制了碳纖維導(dǎo)線的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線金具

1.1 連接金具設(shè)計原理

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具是根據(jù)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)特性，采用楔形自鎖內(nèi)螺紋自鎖原理，楔形自鎖無逆向力的理論研制而成［3］，如圖1所示。

圖1 楔型金具示意圖

當(dāng)楔形內(nèi)套受到外預(yù)緊力P時，整個楔形內(nèi)套和碳纖芯沿P方向前進(jìn)，因楔形內(nèi)套開有雙向間隔槽，楔芯受力狀況是隨P增大而增大，而且越來越大，當(dāng)槽中雙向間隔達(dá)到最小值時，碳纖維復(fù)合芯的握緊力受擠壓即正壓力達(dá)到最大，不可逆向、自鎖［4-5］。基于傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線金具設(shè)計及使用情況，在實際使用中其受力情況如圖2所示。

圖2 楔型金具受力圖

從受力可以看出，當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到最大時，在其接觸處的碳纖維復(fù)合芯約束力 （法向反力N與最大靜摩擦力Fmax的合力）與反力N之間的夾角θ稱為靜摩擦角、靜摩擦力的方向與相對滑動趨勢的方向相反，它的大小在零與最大值之間，是個未知量；摩擦角的正切等于靜摩擦系數(shù)［9］，即

Fmax-P=0時，處于平衡靜止中。從中分析楔形力與物體間摩擦系數(shù)和摩擦角（楔形錐度）密切有關(guān)，有一定函數(shù)關(guān)系。在摩擦的平衡中，如果作用于物體的全部主動的合力P作用在摩擦角θ之內(nèi)，則無論這個力多大，物體必保持靜止，這就是自鎖原理［6］。

楔芯握力大小與楔外套和楔形內(nèi)套之間摩擦系數(shù)開口間隙和錐度及碳纖維復(fù)合芯摩擦系數(shù)（碳纖維復(fù)合芯主要受擠壓即正壓力），物與物間摩擦系數(shù)、楔形錐度和楔形內(nèi)套開口間隙選擇，就是設(shè)計楔形線夾握力的關(guān)鍵技術(shù)，楔形長度不是決定性因素。

1.2 傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具存在問題

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具缺點［9-10］：造價成本高，是普通液壓式金具的4～6倍；施工工藝復(fù)雜，施工作業(yè)人員要求嚴(yán)格；由于施工工藝特殊性，容易對碳纖維復(fù)合芯造成損傷，現(xiàn)場壓接時施工作業(yè)人員勞動強(qiáng)度高，需要專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)。

2 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線新型連接金具

2.1 連接金具設(shè)計

新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是根據(jù)普通鋼芯鋁絞線使用的液壓式金具優(yōu)化改進(jìn)而成。采用原理與普通鋼芯鋁絞線使用的液壓式金具相同［11-12］。結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖3 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套耐張金具

圖4 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套接續(xù)管

新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套的液壓式金具拉斷力計算，首先計算內(nèi)襯管、鋁管的鋁層截面積，再乘以相關(guān)材料的材料強(qiáng)度。比如新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的配套金具，其中新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線計算拉斷力為234 kN，內(nèi)襯管外徑為Φ29 mm，內(nèi)徑為Φ19 mm，計算內(nèi)襯管的握力為141.3 kN；鋁管的外徑為Φ68 mm，內(nèi)徑為Φ39 mm，計算鋁管的握力為328.8 kN。計算公式

式中：F為計算拉斷力；D外為外徑尺寸；D內(nèi)為內(nèi)徑尺寸；Rm為材料強(qiáng)度，鋁材的強(qiáng)度為135 MPa，Q235鋼材的強(qiáng)度為375 kN。

從理論計算中表明可以使用普通鋼芯鋁絞線相同的液壓式金具。主要需要考慮的為碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在壓接過程中不受到外力的損傷，影響碳纖維復(fù)合芯的強(qiáng)度［13-14］。

2.2 性能測試

鋁材進(jìn)行壓接需要增加長度，保證內(nèi)襯管、鋁管與碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線之間有足夠的摩擦力，通過摩擦力提供足夠的握力；Q235鋼材進(jìn)行壓接需要確保對鋁包覆壓接后的鋁的壓縮比的計算，壓縮比過大容易造成芯棒的損壞，壓縮比過小容易造成滑移現(xiàn)象。通過分析確定使用鋁材質(zhì)和Q235鋼材質(zhì)后，采用拉力試驗機(jī)，并參考新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的試驗情況，按照不同壓接比例進(jìn)行對鋁材質(zhì)和Q235鋼材質(zhì)進(jìn)行拉力試驗，如圖5所示。

圖5 耐張金具試驗照片

依據(jù)GB／T 2315—2008《電力金具標(biāo)稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》，對耐張金具進(jìn)行拉力試驗，分析并確定最終金具的尺寸和其他參數(shù)，具體情況如表1所示。

表1 壓接長度測試平均值

通過分析確定金具的尺寸，對新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線連接金具進(jìn)行不同壓力對壓接的影響分析如表2所示。

表2 壓力測試平均值

通過分析，確定連接金具壓力值為75 MPa，壓力達(dá)到75 MPa后即可滿足GB／T 2314—2008《電力金具通用技術(shù)條件》內(nèi)對金具握力對導(dǎo)線計算拉斷力要求。而針對不同材質(zhì)金具在壓接時還要進(jìn)行保壓，從而確定進(jìn)行不同保壓時間對壓接效果和碳纖維復(fù)合芯的影響，如表3所示。

表3 保壓時間測試平均值

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)和GB／T 2315—2008《電力金具標(biāo)稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》，可以確定使用鋁材質(zhì)和Q235鋼材質(zhì)制造的連接金具，壓接長度達(dá)到計算長度后繼續(xù)增加長度不會再增加拉力，壓接時壓力達(dá)到75 MPa后即可滿足要求，壓力達(dá)到要求后，保壓是為了使金具和導(dǎo)線的結(jié)合更充分、更牢固，而碳纖維復(fù)合芯棒的特殊性，如保壓時間過長會造成芯棒損傷，進(jìn)而影響導(dǎo)線復(fù)合芯徑向耐壓性能和抗剪切力性能。

2.3 新型金具應(yīng)用

2.3.1 接續(xù)管

新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線接續(xù)管壓接步驟為金具清潔、導(dǎo)線校直、剝軟鋁型線、清洗導(dǎo)線涂電力脂、襯管穿管、襯管壓接、鋁管穿管及預(yù)偏、鋁管壓接、清理飛邊、測量尺寸、檢驗。

襯管壓接。首先檢查接續(xù)管襯管內(nèi)碳纖維芯是否符合要求，第一模壓模中心應(yīng)與接續(xù)管襯管中心相重合，然后分別依次向管口端連續(xù)施壓。一側(cè)壓至管口后再壓另一側(cè)。壓接操作時，應(yīng)以模具達(dá)到合模狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，合模時的參考壓力值約為75 MPa。兩側(cè)液壓完成后，從液壓機(jī)中取出。用板銼清除毛刺。測量壓接后的長度、對邊距、兩側(cè)鋁線端頭的距離、襯管端頭距鋁線端頭間距等尺寸并記錄。接續(xù)管襯管壓接如圖6所示。

圖6 接續(xù)管襯管壓接示意

鋁管穿管及預(yù)偏。先將鋁管中心與襯管中心對齊的位置在鋁管管口處做出標(biāo)記，然后根據(jù)鋁管總伸長量的一半為偏移量向牽引場側(cè)偏移，使用2 000 kN壓接機(jī)時預(yù)偏量參考值為35 mm。接續(xù)管鋁管穿管預(yù)偏如圖7所示。

圖7 接續(xù)管鋁管穿管并預(yù)偏

鋁管壓接時取量 180 mm、360 mm、180 mm，并在這3處做上標(biāo)記。從牽引場側(cè)管口開始壓第一模，逐模向張力場側(cè)施壓至同側(cè)壓接標(biāo)記，壓接長度為180 mm；跳過不壓區(qū)360 mm后，再從另一側(cè)壓接標(biāo)記逐模施壓至張力場側(cè)管口，壓接長度為180 mm。壓接操作時，應(yīng)以合模為標(biāo)準(zhǔn)，合模時的參考壓力值約為75 MPa。前后模間應(yīng)有重疊區(qū)，每后一模重疊前一模應(yīng)不小于5 mm。接續(xù)鋁管壓接如圖8所示。

圖8 接續(xù)鋁管壓接

其他壓接方式及注意事項與普通鋼芯鋁絞線壓接金具相同。經(jīng)過大量的試驗和實際應(yīng)用證明，采用上述方式進(jìn)行接續(xù)管應(yīng)用時具有最佳的應(yīng)用效果。

2.3.2 耐張金具

鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線耐張金具壓接分為金具清潔、導(dǎo)線校直、剝軟鋁型線、襯管穿管、鋼錨及襯管壓接、鋁管穿管及預(yù)偏、鋁管壓接、清理飛邊、測量尺寸、檢驗。

鋼錨及襯管壓接時，壓接鋁管前應(yīng)注意檢查鋼錨及襯管管口是否與定位標(biāo)記重合，以防管內(nèi)異物造成穿管不到位。壓接時，第一模自耐張線夾鋼錨襯管側(cè)開始，依次向管口端連續(xù)施壓。壓接操作應(yīng)使模具達(dá)到極限以合模狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，合模時的參考壓力值約為75 MPa，前后模間應(yīng)重疊不小于5 mm。壓接完成后清除襯管壓接飛邊、毛刺，測量壓接后襯管長度、對邊距、鋁線端頭距襯管管口間距等尺寸并記錄。鋼錨及襯管穿管如圖9所示。

圖9 鋼錨及襯管穿管

鋁管穿管及預(yù)偏時，將鋁管穿至極限位置后根據(jù)預(yù)偏量往回預(yù)偏一定距離。使用2 000 kN壓接機(jī)時預(yù)偏量參考值為45 mm。鋁管壓接時，液壓操作人員根據(jù)工程的施工技術(shù)文件，確定耐張線夾鋼錨環(huán)與鋁管引流板的方向。調(diào)整耐張線夾鋼錨和鋁管至規(guī)定的方位。鋁管穿管并預(yù)偏如圖10所示。

為了防止液壓機(jī)妨礙鋁管的正常施壓，應(yīng)可將鋁管引流板調(diào)至向上方向。再次確認(rèn)預(yù)偏量，從導(dǎo)線側(cè)管口處開始壓接壓接長度為210 mm，逐模施壓至不壓區(qū)標(biāo)記，隔過不壓區(qū)，再從另一側(cè)不壓區(qū)標(biāo)記逐模壓至鋼錨側(cè)管口。鋁管壓接如圖11所示。

圖10 鋁管穿管預(yù)偏示意

圖11 鋁管壓接

鋁管壓接的其他方式其及注意事項與普通鋼芯鋁絞線壓接金具相同。經(jīng)過大量的試驗和實際應(yīng)用證明，采用上述方式進(jìn)行接續(xù)管應(yīng)用時具有最佳的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

通過創(chuàng)新傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線連接金具工藝。采用全新液壓式方法研制適用于新型鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的配套金具，其施工工藝相較于碳纖維導(dǎo)線配套金具，具有價格低、工藝簡單、易掌握優(yōu)點。金具通過與鋁包覆技術(shù)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線有效連接，力學(xué)性能優(yōu)異且對鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線復(fù)合芯徑向耐壓性能和抗剪切力性能無明顯影響。因此大幅度降低了施工過程中對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線造成損傷的可能，提高了現(xiàn)場施工的安全性，保證了電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。新型鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線液壓式金具可大幅降低特高壓線路的綜合建設(shè)成本，對我國特高壓電網(wǎng)建設(shè)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具有重要意義。

［1］谷俊秀.碳纖維復(fù)合芯鋁導(dǎo)線國產(chǎn)金具的研制與應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2009，30（12）：89-92，96.

［2］嚴(yán)行建，全德俠，宋寧寧.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套金具的改進(jìn)［J］.供用電，2009，26（6）：57-59.

［3］JANRUNGROATSAKUL W，LERTVACHIRAPAIBOON C.Development of coated-wire silver ion selective electrodes on paper using conductive films of silver nanoparticles ［J］.Analyst ，2013，38（22）： 86-92.

［4］KIM Hyundae，PARK Jaesung，KANG Seong-Hun.A study on the development of Plastic Conductor Fusion fittings using conductive carbon compound［J］.2013，4（6）：686-689.

［5］姜廣東，嚴(yán)行建，宋丹.基于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線壓接特性與金具選型的研究［J］.電機(jī)工程，2012，31（5）：57-64.

［6］尤傳永.增容導(dǎo)線在架空輸電線路上的應(yīng)用研究［J］.電力設(shè)備，2006，7（10）：1-7.

［7］劉長青，張學(xué)哲，劉勝春，等.提高導(dǎo)線運(yùn)行允許溫度若干問題的探討［J］.電力設(shè)備，2004，5（8）：44-47.

［8］梁旭明，余軍，尤傳永.新型復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線技術(shù)綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（19）：1-6.

［9］黃福勇，巢亞鋒，王成，等.±800 kV復(fù)奉線連接金具溫升異常原因分析及處理措施［J］.高壓電器，2007，53（5）：175-180.

［10］陳亞奎.±800 kV復(fù)奉線鋁管式跳線接頭滑移缺陷處理措施研究［J］.宿州學(xué)院學(xué)報，2013，28（6）：76-78.

［11］吳國宏，谷俊秀.高溫低弧垂導(dǎo)線配套金具的試驗研究［J］.電力建設(shè)，2005，26（4）：32-34.

［12］劉超群，劉勝春，孫寶東.改進(jìn)型耐張線夾的結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗研究［J］.電力建設(shè)，2006，27（3）：33-34.

［13］程應(yīng)鏜.送電線路金具的設(shè)計、安裝、試驗和應(yīng)用［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［14］余虹云，龔建剛，謝志明.液壓式Y(jié)型耐張線夾的研究與應(yīng)用［J］.浙江電力，2008，27（2）：35-37.

Research on Link-fittings of New Carbon Fiber Composite Core Conductor Metallized Aluminium

LIU Hongzheng
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

Based on the operation characteristics and existing problems of new link-fittings of the carbon fiber composite core conductor，a new type of hydraulic technology on carbon fiber is used to connect wires and carbon core.Therefore，the metallized aluminium carbon fiber composite core conductor is connected with the splicingsleeve and strain clamp successfully.The problems and shortcomings of the high cost，complicated construction process，and easy to damage the carbon fiber core are solved for the metallized aluminium carbon fiber composite core conductor.Through the research and mechanics performance testing of the splicingsleeve and strain clamp，its influence on the radial pressure resistance and shear force of composite core is discussed for the carbon fiber composite core conductor.The experimental results show that the new link-fittings of carbon fiber composite core conductor not only has the advantages of traditional carbon fiber composite core link-fittings，but also has the low cost，and its construction process is the same as that of ordinary aluminium cable steel reinforced.The security of site construction is greatly improved to provide reliable guarantee for the safe operation of UHV transmission lines.

carbon fiber composite core conductor；metallized aluminium；link fittings；splicingsleeve；strain clamp

TM211

A

1007－9904（2017）11－0069－05

2017-09-13

劉洪正（1962），男，研究員，主要研究方向為電氣工程。