碳纤维导线及压接施工工艺探讨

朱健飞，潘洪峰

( 国网湖南省电力公司怀化供电分公司，湖南 怀化418000)

城市用电负荷不断上升，对城市规划的要求越来越高，而提升城区终端变电源线路输电能力提升困难，而城区部分区段已无法对铁塔进行改造，铁塔的受力与线路的输送能力不足。怀化供电分公司运维的110 kV 湾长线投运于1982 年，线路严重老化，线径过小，已不能满足城区终端变供电需求，且原线路G01—G08 塔经过怀化城市规划区。2012年决定对该线路进行全线扩容改造。由于碳纤维导线具有比重轻、输送容量大的特点，在城区扩容改造上具有良好的经济效益〔1〕，因此湾长线G01—G08 塔改造选用了此类导线。

1 碳纤维导线

碳纤维导线是一种新型导线，其芯线是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，外层与邻外层铝线股为梯形截面，如图1 所示〔2〕。

图1 碳纤维芯铝绞线(左) 与普通钢绞线(右)

碳纤维芯一般采用拉挤工艺成型，将环氧树脂、固化剂和填充料等混合并搅拌均匀，然后注入特定的树脂浸槽中，碳纤维和高强玻璃纤维预拉伸后浸渍树脂，最终在模具中高温固化。

碳纤维复合芯承担导线总的力学性能，具有强度高、密度小、膨胀系数小、耐腐蚀等特点。外层软铝具有导电率高、电阻小、自阻尼性能强的特点。碳纤维复合芯与软铝线绞制而成的导线具有优良的性能:导线重量轻，电阻小，表面光滑不易舞动，拉力质量比大，弧垂随温度的变化小等〔3〕。

碳纤维导线的芯线密度为1.9 g/cm3，远低于钢芯的7.78 g/cm3。碳纤维芯主要原材料组成有3种:碳纤维、高强玻璃纤维和环氧树脂，其中碳纤维经过耐火处理并碳化，占整个比重的35%。高强玻璃纤维具有很强的耐冲击能力和抗拉应力能力，也占整个比重的35%。环氧树脂需要进行增韧，占芯线比重30%〔1〕。

碳纤维的拉伸力学性能非常好，一般钢丝的抗拉强度为1 240 MPa，而碳纤维的抗拉强度可以达到2 399 MPa，是一般钢丝的1.9 倍。同时碳纤维的线膨胀系数非常低，为1.6×10-6K-1，铝和钢的膨胀系数均大于碳纤维〔4〕，因此，在一定的温度下，碳纤维导线的绝大部分张力载荷均由碳纤维芯来承担，其外层铝导体部分只起到导流的作用，这与常规的钢芯铝绞线完全不一样。

由于碳纤维复合芯导线不存在钢丝材料引起的磁滞和涡流效应，复合芯的非磁性体结构，解决了传统导线的涡流损耗，在输送相同负荷的条件下，具有更低的运行温度，因此可以减少输电损失约6%。因碳纤维导线可以连续在高温条件下运行，故其载流量可达到常规导线的2 倍左右;而其耐高温特性也使得冰雪附着力极差，从而可以有效提高输电线路的抗冰雪能力。在高温下，碳纤维复合芯导线弧垂不到钢芯铝绞线的1/10，能有效减小电力杆塔塔头高度，提高导线运行的安全性和可靠性。

2 金具

钢芯铝绞线的一般运行温度为70 ℃，而110 kV 湾长线改造后碳纤维导线预计运行温度为140℃，短期运行温度可高达180 ℃。由于导线运行温度提高了1 倍以上，碳纤维导线压接的金具也需要考虑到耐热的问题。常规钢芯铝绞线的钢芯压接件是钢锚，文献〔5〕要求钢锚的材质为Q235B，外层进行镀锌防腐处理即可，而在140 ～180 ℃运行的碳纤维芯压接件就不能采用Q235B 钢，需要采用耐热不锈钢。

110 kV 湾长线碳纤维导线耐张线夹型号为NYACCC 19.4/6.5，供货厂家对耐张线夹部件进行检查，楔形内、外模和拉环各元素均符合GB/T 20878—2007 《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》标准规定〔6〕，具体数据见表1。

表1 拉环、楔形内模、楔形外模成分 %

3 压接工艺及要求

碳纤维芯拉挤工艺成型的工艺特点使得碳纤维芯具有明显的单向性，即在纤维长度方向具有优良的拉伸性能，而在其余方向的力学性能就低得多，例如周向压缩。因此，碳纤维芯在压接时需要采用楔形自锁的压接工艺，在纤维方向上越拉越紧，以充分利用其单向性优点。图2 给出了碳纤维导线耐张线夹各部件组成。

图2 碳纤维导线耐张线夹各部件组成

除了碳纤维芯单向性这个特点外，碳纤维导线不采用常规的压缩金具压接还有2 个原因:一是环氧树脂高温固化过程中因搅拌时灰尘、水气等杂物的侵入，固化层内易产生夹杂和气泡等宏观缺陷，这些缺陷在压缩应力作用下会不断发展直至破断。二是碳纤维芯在压缩后，其单根碳纤维会产生突变牵引点或细颈点〔3〕，急剧变形，给整根碳纤维芯的力学性能带来不利影响，有时候还是致命的。

由此可见，碳纤维导线的压接施工需要重点关注碳纤维芯，要保证碳纤维芯在施工过程中不能损伤，同时避免碳纤维芯在运行时处于疲劳工况。而常规钢芯铝绞线压接过程中的关键点(压接定位)不是碳纤维导线压接关注的重点。

110 kV 湾长线在压接施工前对线夹进行了尺寸测量，具体数据见表2。该批线夹联结套的长度L1为761 mm，楔形外模的长度L2为178 mm，拉环在联结套内的有效长度L3为170 mm，内衬管的长度L4为295 mm。楔形外模的左端部与内衬管的右端部的间距L=L1-L2-L3-L4=118 (mm)。按文献〔7〕耐张线夹压接示意图如图3 所示，楔形外模的左端部与内衬管的右端部的间距允许范围L 为25～35 mm，由此可知该批耐张线夹楔形外模的左端部与内衬管的右端部的间距过大，导致碳纤维导线芯棒在线夹中露出过长，运行中发生疲劳损伤的几率加大。鉴于线夹的尺寸不满足标准要求，对该批次耐张线夹进行了更换处理。

表2 耐张线夹尺寸检测结果 mm

图3 耐张线夹液压示意图

4 结束语

碳纤维导线具有强度高、电导率高、蠕变小、弧垂低、重量轻、耐腐蚀、节能环保、损耗小等众多优点，对于节约电能、改善环境、减少污染有着重要意义，是线路改建和扩容的最优选择之一。

压接质量不良引起的接头发热问题是造成线路故障的重要原因之一，文中针对碳纤维复合芯导线首次使用的特殊情况，通过开展全过程的技术监督，监督检查压接施工，及时发现并消除了耐张线夹的缺陷，确保了线路的改造施工质量。

〔1〕忽翔. 碳纤维导线在架空输电线路上的应用〔J〕. 安徽电力，2010，27 (1):51-53.

〔2〕刘振亚. 特高压直流输电线路〔M〕. 北京:中国电力出版社，2009.

〔3〕董国伦，龚坚刚，余虹云，等. 碳纤维复合芯软铝绞线设计施工运行与检修〔M〕，北京:中国电力出版社，2009.

〔4〕胡宏彬，张鹏，张渺，等. 碳纤维复合芯导线在内蒙古电网的适用性分析〔J〕. 内蒙古电力技术，2012，30 (5):8-11.

〔5〕DL/T 757—2009 耐张线夹〔S〕. 北京:中国电 力 出 版社，2009.

〔6〕GB/T 20878—2007 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分〔S〕. 北京:中国标准出版社，2007.

〔7〕姜广东，严行建，宋丹. 基于碳纤维导线压接特性与金具选型的研究〔J〕. 江苏电机工程，2012，31 (3):57-64.

〔8〕国家电网公司. Q/GDW 388—2009 碳纤维复合芯铝绞线施工工艺验收导则〔S〕. 北京:中国电力出版社，2009.