基于碳納米合金的智慧線夾

桂卓為 張教練 王萬亭 陳賢輝 鄭素群

（杭州電力設備制造有限公司臨安恒信成套電氣制造分公司）

0 引言

在配電工程中，導線連接是極其關鍵的工序[1]。金具、線夾接頭處質量的好壞將直接影響線路的運行及使用壽命，在線路長期運行過程中，金具、線夾等處常出現表面氧化腐蝕、緊固螺栓松動、觸點接觸不良等問題，造成設備過熱，從而導致火災和大面積的停電事故，造成重大的經濟損失及嚴重的社會影響[2]。

根據電力運維部門的調查統計，在實際線路搶修故障中由電線電纜本體質量問題而引發的故障占比相對較小，而超過六成故障發生在緣導線與線夾下引線之間的連接點處。線夾作為輸電線路中最常見的接續金具，它不但起到了導線之間的接續作用，而且還是電流的載體。但是由于投入線路中的線夾使用的金屬材料各不相同、數量繁多，而且缺乏統一的標準來核驗安裝完成后是否滿足用電要求，這就使線夾成為輸電線路中最薄弱的環節[3]。

在實際應用中，鑄鐵金具的應用最為廣泛，但是其質量較大、容易發熱等弊端在線路運行中逐漸暴露出來，而且生產過程中金具表面熱鍍鋅工藝對環境污染嚴重，也不符合國家電網“綠色、清潔”的發展方向。智能電網作為電力系統發展建設的方向，要求對線路的運行狀態進行實時監測，以便及時發現并排除線路故障。農網線路作為配網的重要組成部分，線路分支多，覆蓋面積廣，因此配網線路的接續處需要大量的使用連接線夾來進行配網建設，非常不便于巡檢和排故。對于線路中安裝線夾的地方，如果能夠對一些重點線路進行實時監測和預警，就能夠大大提高線夾的安全性和適用性[4]。然而，由于輸電線運行時存在電壓，且距地面較高，難以進行人工巡查測溫或采用有線方式測溫。長期以來，電力運營部門缺乏對輸電線路進行實時溫度監測的有效手段，一種基于無線溫度并帶有故障定位傳感器網絡技術的智慧線夾應運而生。

1 新型智慧線夾的材料及結構

目前，我國配電線路仍在大規模使用鑄鐵金具，在實際運行中會產生巨大的能耗，并且鑄鐵金具的鍍鋅污染問題也與國家提倡的綠色電力不符。在行業早期，就采用鋁合金材料作為節能金具材料，但由于鋁合金強度不足的天然缺陷，極大限制了它在金具領域的進一步推廣與使用。因此材料是高性能節能金具發展的最大瓶頸。現在主要從兩個方面提升鋁合金材料的強度，一種方法是通過添加某些合金元素，形成合金材料起到強化作用；另一種方法是添加如氧化鋁、碳化硅等鋁基復合材料。方法一對材料的性能提升較大，但是有一定的局限，且容易導致材料加工性能變差；第二種方法目前主要采用粉末冶金的工藝，能大幅提升基體材料的強度，但是不適合批量化生產。

用新材料、新工藝和新技術，探索提質增效與綠色發展的道路，是電網建設的發展方向。新型智慧線夾是在武漢南瑞技術團隊推出的納米碳合金金具產品基礎上，將原來接續線夾進行材料改進，形成了以納米碳合金為材料的接續線夾。其特點是無須進行熱鍍鋅處理，避免了對環境的污染，且其本體重量僅為相同規格鑄鐵金具的30%～50%。線夾本身結構如圖1所示。

圖1 線夾本體結構

該智慧線夾是作為輸配電系統的非承力型線路連接裝置，適用于10kV及以下輸電線路中絕緣導線的接續與分流，能夠解決線路連接處的問題和消除事故隱患。線夾本體的結構和原理如下：

智慧線夾本體設有兩個固定導線的線夾，每個智慧線夾包含線夾本體、固定凹槽、動夾頭、靜夾頭、逆齒固定塊、矩形壓簧等結構，線夾本體與凹槽開口方位相反的一側設有一個螺栓孔，通過調節螺栓穿過該螺栓孔與線夾本體固定連接的同時，與動夾頭頂接。動夾頭的側面設向下逆止的止逆鋸齒，動夾頭的止逆鋸齒外側設有與之配合的防松脫止逆齒固定塊，動夾頭與逆齒固定塊通過矩形壓簧壓緊。逆齒固定塊與壓簧靠近側設置了可使逆齒固定塊與動夾頭的止逆鋸齒松開的解鎖機構。動夾頭嵌在線夾本體的凹槽內，擰動穿過線夾本體螺栓孔與動夾頭頂接的螺栓，推動動夾頭移動靠近線夾本體固定的靜夾頭，縮小空間，壓緊置于其中的電線。動夾頭與靜夾頭相對的面都設為凹槽，實現與電線最大面積接觸，凹槽內布有凸起咬牙，可進一步固定牢固電線。動夾頭的移動行程在設計時設計得比較大，使同一個型號的線夾可適用于不同線徑。線夾本體設置有凹槽，動夾頭置于裝置凹槽內，通過轉動過線夾本體螺栓孔與動夾頭頂接的螺栓實現在凹槽移動。動夾頭與止逆鋸齒塊通過壓簧壓緊，兩個接觸面有逆止齒，動夾頭向靜夾頭移動時，鋸齒為順向，可正常移動，同時扁形壓簧壓緊止逆鋸齒塊靠近動夾頭，兩個接觸面的鋸齒不斷分開扣合。動夾頭移動到位后，鋸齒同時扣合完成，當動夾頭有向下松動跡象時，鋸齒為逆向，已經卡進，阻止其松動。

2 新型智慧線夾無源無線測溫技術

由于目前的物聯網技術的發展，未來各種各樣的傳感器會集成在電力設備中，但是要保證電力一次設備能夠和傳感器的完美融合，需要進行技術的革新和良好的設計，該智慧線夾融合了傳感器技術，將測溫傳感器和金具的結構結合在一起，結構如圖2所示。

圖2 擴展溫度傳感器

擴展溫度傳感器是由固線螺栓和SAW溫度傳感器、SAW天線組成，傳感器采用SAW芯片內置于螺栓內靠近滑塊處，天線放于螺帽中，能夠保證測量溫度等盡可能地靠近導體，保證整個傳感器測量的準確度和可靠性[5]。

智慧線夾為一種簡單實用的配電自動化解決方案，系統由主站后臺、采集單元、匯集單元以及必要的公共通信網絡組成，適用于3～35kV架空線路的在線監測，具備線路溫度匯集、溫度故障信息主動上報主站等功能，具有使用簡單、運行穩定、維護方便、可靠性高、開放性好、性價比高等特點。

輸電線路中智慧線夾一般安裝三只，每個線夾就相當于監測子站。線夾內置高精度溫度傳感器、GPRS/4G 網絡通信模塊等，負責從各采集點接收數據，并將其通過 GPRS/4G 網絡發送給測控終端。測控終端部署在電桿合適位置上，如圖3所示。測控終端采用太陽能與蓄電池結合供電的方式[3]，很好地解決了測控終端取電困難的問題。通過短距離低功耗無線技術實現智慧線夾和測溫終端的通信。

圖3 測控終端

監控終端對智慧線夾溫度等狀態參數進行數據存儲、顯示、統計報表并結合環境溫度等參數進行分析，完成多參數預警功能。

2.1 產品特性

采用進口溫度傳感器，測量精度高、范圍寬；采用太陽能供電系統和高能電池供電，安裝維護方便；系統可選用感應取電方式，使取電更為方便快捷；通信方式靈活，支持ZIGBEE/WIFI/GSM/CDMA/GPRS和3G網絡；系統采用低功耗計，采用動態電源管理策略以滿足節點要求。

2.2 技術指標

各項技術指標如下表所示。

表 技術指標

發送間隔 10～70s（溫度越高，溫度上傳時間越短）使用壽命 ≥10年

3 結束語

隨著社會的不斷進步以及人們的生活質量的不斷提升，用戶對電力公司所提供的電力服務提出了更高的要求[5]，本文對智慧線夾在電力線路溫度監測及故障定位中的應用進行研究和探討。在實際操作的過程中，通過對先進的無線傳感器網絡技術進行在線監測，能夠實現對區域的全方位監控。從而更好地預防電網、設備事故的發生，為社會提供更加穩定的電力供應。