絕緣穿刺線夾帶電安裝作業現狀分析和改進

吳少雷，馮 玉，吳 凱，陳 銳，王 偉

(1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

0 引言

社會生產力的提高使得機關廠礦和百姓對電力的依賴程度日益增強。絕緣穿刺線夾作為一種電力接續金具，已被廣泛運用于配網架空線路、建筑施工等多個領域。絕緣穿刺線夾主要是用來完成1 kV，10 kV或20 kV電纜、絕緣導線(以下簡稱線纜)主、支線的接續技術，與以往接續技術相比較，絕緣穿刺線夾的結構特性更符合電纜的供電形式。由于絕緣穿刺線夾具有安裝簡便、可靠安全以及高性價比等優越性，在發達國家早已廣泛使用，并且在線路安全穩定運行時長超過40年。近年來，在國內穿刺線夾連接方式逐漸取代電纜分線箱和預分支電纜等連接方式，解決了線纜接續面臨的技術難點，同時創造了經濟效益，很有發展前途。

在使用絕緣穿刺線夾進行電力線路接續作業的過程中，其安裝方式主要是依靠絕緣防護措施近距離操作，實施難度高、人力物力耗費大，同時在安全性上還存在一定的風險。因此，電力企業對如何更安全、高效的安裝線夾投入了很大精力，例如優化線夾設計，又或是研制相關的絕緣安裝工具，使得工作效率和安全性得到極大的提升。

1 絕緣穿刺線夾簡介

絕緣穿刺線夾如圖1所示。它主要由絕緣體、穿刺接觸刀片、密封膠圈、力矩螺母與螺栓等組成，其結構如圖2所示。

圖1 絕緣穿刺線夾

圖2 絕緣穿刺線夾結構

其工作原理是：在擰緊力矩螺母的過程中，絕緣穿刺線夾的2塊絕緣體同時緊閉，隨著絕緣體的運動，絕緣體內部嵌套的穿刺接觸刀片從接觸線纜的絕緣皮層進入，再刺破絕緣皮層與金屬導線接觸。當穿刺刀片與線纜金屬導線接觸效果達到最佳時，即擰緊和穿刺力度達到最佳時，力矩螺母會自動斷裂脫落，穿刺完成。在整個穿刺過程中，隨著絕緣體的閉合，線夾內部密封膠圈不斷壓迫穿刺位置附近，同時絕緣體內的硅脂也會溢出，填充穿刺產生的間隙，以達到密封防水效果。

2 安裝作業現狀

在配電線路中，許多線纜架空敷設，工作人員在地面無法直接開展絕緣穿刺線夾的安裝作業。

目前，國內外絕大多數絕緣穿刺線夾安裝采用絕緣斗臂車輔助安裝。因斗臂車具有良好的絕緣性能，可保證工作人員的人身安全；且結構機動性好，使得作業空間范圍廣，升空作業十分方便。當工作人員在絕緣斗臂車上工作時，必須事先做好絕緣防護措施，包括絕緣服與絕緣手套的穿戴。在工作過程中，需事先將支線纜放入線夾支線槽，讓線夾主線槽定位主線纜。在保持與主、支線槽良好配合的主、支線纜相互平行后，再完成線纜接續工作。

但在地形復雜、路面傾斜等復雜條件下，或是斗臂上方存在障礙物時，絕緣斗臂車的使用就受到了限制，帶電作業無法順利開展。此時，一般是在作業對象附近搭建絕緣平臺來開展帶電作業；但搭建絕緣平臺人力物力耗費龐大，且勞動強度更大，不是理想作業方式。

2.1 直接作業

直接作業法就是在絕緣防護條件下帶電安裝絕緣穿刺線夾的作業方法。此方法需要多個工作人員合作完成；不僅需要確定穿線線夾與主、支線纜的把持定位，還要依靠輔助工具(套筒扳手)擰緊絕緣穿刺線夾力矩螺母。這就使得絕緣穿刺線夾安裝可靠性受到人為操作和工作人員專業水平的影響。

為了提高線夾安裝可靠性，從絕緣穿刺線夾本身結構入手，提出了一些改進措施，如對普通絕緣穿刺線夾進行優化，加長了緊固力矩螺母，以方便操作桿安裝；在線夾絕緣體兩側增加了導線柔性固定器，從而限制導線的位置；另外，在不影響穿刺效果的前提下，對穿刺刀片的刀刃進行圓潤處理，提高了刀片與線纜金屬導線的接觸面積。

2.2 絕緣工具作業

在直接作業法中，由于人體與帶電體間隔過近，必須占有帶電設備固有凈空，設置、拆除絕緣遮蔽過程較危險，操作程序復雜，勞動強度大，作業過程中存在較大的安全風險；所以配套設計了絕緣工具，使人體無需占據帶電設備固有凈空，與帶電體的安全距離得到保證，作業安全性得到改善。

根據參考文獻[4]，沈一平等通過分析絕緣穿刺線夾本身的結構特點，對線夾結構進行改造，在絕緣外殼部分增加了支線固定裝置，以及在螺栓部分配置了操作桿的軌道裝置，研制出了一種新型絕緣穿刺線夾及其絕緣聯動桿配套操作裝置，并開展了相關性能試驗和實地運行，接續性能穩定可靠。

根據參考文獻[5]，詹斌等設計了一種間接接引法及其應用延伸的10 kV帶電安裝絕緣穿刺線夾工具，可在線纜接續位置進行引線測量和量取，并利用操作桿將穿刺線夾舉入安裝位置；此時可將主線纜推至線夾的主線槽內，再利用鎖桿定位支線纜將其推送至穿刺線夾的支線槽，最后利用操作桿間接控制扳手，擰緊穿刺線夾的力矩螺栓。

絕緣工具的使用是更高效普遍的線夾安裝技術，省時省力，大大減少人員勞動強度。在絕緣工具設計時不僅要考慮安全性，也需要關注工具的可靠、高效和便捷。

2.3 機器人作業

隨著計算機技術、傳感器和人工智能等領域的發展，絕緣穿刺線夾安裝作業以及其他帶電作業機器人的研究也在不斷推進。帶電作業機器人可輔助人員操作，或是直接代替工作人員完成整個作業過程；不僅保證了工作人員的人身安全，而且提高了工作效率，操作規范性強。但機器人價格昂貴，對作業空間也有一定要求，目前在復雜架設方式的配電線路上難以使用，離大規模商用還存在一定差距。

3 存在問題和改進措施

絕緣穿刺線夾本身質量不過關是配電線路線夾運行出現故障的重要原因。質量問題集中體現在：線夾緊固力矩螺母的強度和尺寸大小不同，會造成與導線金屬部位的穿刺接觸面大小有異；絕緣殼體材料性能差、嵌套的穿刺刀片組數少或刀片材料導電性差、密封設計及安裝工藝不合理等。這些問題都會造成線夾使用壽命下降，甚至導致線路故障。

3.1 線夾設計

穿刺線夾力矩螺母扭矩值的設定是線夾安裝可靠性的關鍵。從穿刺線夾的工作原理可以看出，線夾完成主線纜與支線纜的接續完全依靠穿刺刀片刺穿線纜絕緣皮層直至接觸金屬導線。

良好的接觸效果必須依靠力矩螺母扭矩值的合理設定。如果緊固力矩螺母的扭矩值預設太小，會造成上述過程中的接觸不到位，刀片與金屬導線的實際電氣接觸面積較小，從而使接觸電阻變大，電流通過時產生過高的焦耳熱，甚至燒毀線夾和導線。如果力矩螺母的扭矩值預設太大，穿刺刀片會刺破導線金屬表層使導體損傷，影響導線的載流量，同時使一直承受線路張力的導線機械強度降低，極有可能引發線路斷開事故。

根據參考文獻[7]，李禾等通過試驗探討了絕緣穿刺線夾力矩螺母扭矩值的確認方法，為解決當前在穿刺線夾應用中存在的主要問題提供了思路。

根據參考文獻[8]，應含含等針對線纜長期運行可能發生的蠕變現象，在穿刺線夾固定扭矩值力矩螺母設計的基礎上，增加配置了一種碟形彈力墊片，可在力矩螺母達到預定扭矩斷裂時吸收產生的反彈能量。該能量可在線纜蠕變時及時釋放補償，從而保證原有的穿刺與接觸效果，使安裝可靠性得以延續。

穿刺刀片作為線纜的過渡導體，與導線的接觸問題也是影響安裝可靠性的重要因素。宏觀上，穿刺線夾的穿刺點是面接觸。從線夾的工作原理來看，在緊固力矩螺母的過程中，隨著力矩螺母的繼續緊固，穿刺刀片會繼續深入穿透絕緣層，同時刀片尖頭會與絕緣層摩擦，摩擦會使刀片尖頭逐漸變成禿頭，最終刀片尖頭與導體接觸時會變成面接觸。為了保證更好的有效接觸面積和導電性能，穿刺接觸刀片多是利用高導電合金外加鍍銅鋅工藝制成，有利于銅鋁制電纜導線的過渡。為了適用于直徑異同的線纜連接，刀片的穿刺結構設計呈圓弧形，擴大了線纜的連接范圍。另外，單個穿刺線夾所含的刀片組數依據作業條件也有限定，組數過少會使接觸電阻過大；組數過多則會造成對導體的損傷，降低導體的機械強度和載流性能。

傳統穿刺刀片對殼體的壓力太大，刀片背部的絕緣體阻力太小，受熱膨脹后容易與殼體脫離一段距離，從而形成虛接。另外，穿刺線夾在運行過程中，會受到線纜的拉力、雨水腐蝕、風吹震動和積雪覆蓋，這些都對線夾絕緣體的材料性能提出了更高要求。因此，選擇絕緣體材料時，必須關注其是否具有良好的抗扭防震、防水耐腐蝕、耐高溫和較高的硬度彈性等特性。

3.2 安裝工藝

穿刺線夾的選用不僅需根據電壓或其他條件，還要事先測量所連接的主、支線纜的線徑，挑選合適的線夾。選型不匹配極有可能帶來導線虛接或導線斷裂等后果。

絕緣穿刺線夾多為雙力矩螺母結構，且2個螺母相距較近。目前使用的力矩螺母擰緊工具為單輸出結構的套筒扳手，操作時必須先后交替擰緊螺母，擰緊不同步很容易導致穿刺變形，影響穿刺接觸效果。同樣，在利用單輸出結構的絕緣力矩螺母擰緊工具進行遠程操作時，工具輸出端口與力矩螺母的配合需要來回切換，過程繁瑣并且費時費力，大大降低了工作效率。

安徽省電力公司電力科學院在2018年研制了一種對絕緣穿刺線夾力矩螺母輸入扭矩的同步雙輸出沖擊裝置，由電機帶動沖擊塊旋轉，通過沖擊塊的儲能、減速，再經過齒輪組的傳動，給雙輸出軸輸出動力。螺栓尾部的沖擊式擊斷可以保證擰緊力矩，進而保證觸點的接觸。2個輸出端的同步靜差率通過測試保持在0.06 %以內，完成單個線夾安裝平均耗時0.5 min，作業效率得到顯著提高。

使用絕緣工具安裝作業時，主線與支線的定位也值得考究，若安裝過程中主線或支線滑移甚至脫落，會造成安裝不可靠或失敗，這是研制工具時值得重視的一點。安徽省電力公司電力科學院設計了一種安裝工具，由操作人員先將線夾與支線纜夾緊固定在工具上，再利用整個工具去捕獲定位主線纜進行安裝，待安裝完成后利用工具的解鎖機構同步解鎖線夾、主線纜和支線纜，保證了工藝質量，自動化程度高，操作簡單。

4 結束語

絕緣穿刺線夾作為工程、電力等行業廣泛應用的電氣設備，解決了線纜接續的技術難題，社會經濟效益顯著。同時，由于科學技術的迅速發展，開發更為高效、安全、可靠的絕緣穿刺線夾安裝方式已逐步成為現階段的研究趨勢。