绝缘穿刺线夹带电安装作业现状分析和改进

吴少雷，冯 玉，吴 凯，陈 锐，王 伟

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0 引言

社会生产力的提高使得机关厂矿和百姓对电力的依赖程度日益增强。绝缘穿刺线夹作为一种电力接续金具，已被广泛运用于配网架空线路、建筑施工等多个领域。绝缘穿刺线夹主要是用来完成1 kV，10 kV或20 kV电缆、绝缘导线(以下简称线缆)主、支线的接续技术，与以往接续技术相比较，绝缘穿刺线夹的结构特性更符合电缆的供电形式。由于绝缘穿刺线夹具有安装简便、可靠安全以及高性价比等优越性，在发达国家早已广泛使用，并且在线路安全稳定运行时长超过40年。近年来，在国内穿刺线夹连接方式逐渐取代电缆分线箱和预分支电缆等连接方式，解决了线缆接续面临的技术难点，同时创造了经济效益，很有发展前途。

在使用绝缘穿刺线夹进行电力线路接续作业的过程中，其安装方式主要是依靠绝缘防护措施近距离操作，实施难度高、人力物力耗费大，同时在安全性上还存在一定的风险。因此，电力企业对如何更安全、高效的安装线夹投入了很大精力，例如优化线夹设计，又或是研制相关的绝缘安装工具，使得工作效率和安全性得到极大的提升。

1 绝缘穿刺线夹简介

绝缘穿刺线夹如图1所示。它主要由绝缘体、穿刺接触刀片、密封胶圈、力矩螺母与螺栓等组成，其结构如图2所示。

图1 绝缘穿刺线夹

图2 绝缘穿刺线夹结构

其工作原理是：在拧紧力矩螺母的过程中，绝缘穿刺线夹的2块绝缘体同时紧闭，随着绝缘体的运动，绝缘体内部嵌套的穿刺接触刀片从接触线缆的绝缘皮层进入，再刺破绝缘皮层与金属导线接触。当穿刺刀片与线缆金属导线接触效果达到最佳时，即拧紧和穿刺力度达到最佳时，力矩螺母会自动断裂脱落，穿刺完成。在整个穿刺过程中，随着绝缘体的闭合，线夹内部密封胶圈不断压迫穿刺位置附近，同时绝缘体内的硅脂也会溢出，填充穿刺产生的间隙，以达到密封防水效果。

2 安装作业现状

在配电线路中，许多线缆架空敷设，工作人员在地面无法直接开展绝缘穿刺线夹的安装作业。

目前，国内外绝大多数绝缘穿刺线夹安装采用绝缘斗臂车辅助安装。因斗臂车具有良好的绝缘性能，可保证工作人员的人身安全；且结构机动性好，使得作业空间范围广，升空作业十分方便。当工作人员在绝缘斗臂车上工作时，必须事先做好绝缘防护措施，包括绝缘服与绝缘手套的穿戴。在工作过程中，需事先将支线缆放入线夹支线槽，让线夹主线槽定位主线缆。在保持与主、支线槽良好配合的主、支线缆相互平行后，再完成线缆接续工作。

但在地形复杂、路面倾斜等复杂条件下，或是斗臂上方存在障碍物时，绝缘斗臂车的使用就受到了限制，带电作业无法顺利开展。此时，一般是在作业对象附近搭建绝缘平台来开展带电作业；但搭建绝缘平台人力物力耗费庞大，且劳动强度更大，不是理想作业方式。

2.1 直接作业

直接作业法就是在绝缘防护条件下带电安装绝缘穿刺线夹的作业方法。此方法需要多个工作人员合作完成；不仅需要确定穿线线夹与主、支线缆的把持定位，还要依靠辅助工具(套筒扳手)拧紧绝缘穿刺线夹力矩螺母。这就使得绝缘穿刺线夹安装可靠性受到人为操作和工作人员专业水平的影响。

为了提高线夹安装可靠性，从绝缘穿刺线夹本身结构入手，提出了一些改进措施，如对普通绝缘穿刺线夹进行优化，加长了紧固力矩螺母，以方便操作杆安装；在线夹绝缘体两侧增加了导线柔性固定器，从而限制导线的位置；另外，在不影响穿刺效果的前提下，对穿刺刀片的刀刃进行圆润处理，提高了刀片与线缆金属导线的接触面积。

2.2 绝缘工具作业

在直接作业法中，由于人体与带电体间隔过近，必须占有带电设备固有净空，设置、拆除绝缘遮蔽过程较危险，操作程序复杂，劳动强度大，作业过程中存在较大的安全风险；所以配套设计了绝缘工具，使人体无需占据带电设备固有净空，与带电体的安全距离得到保证，作业安全性得到改善。

根据参考文献[4]，沈一平等通过分析绝缘穿刺线夹本身的结构特点，对线夹结构进行改造，在绝缘外壳部分增加了支线固定装置，以及在螺栓部分配置了操作杆的轨道装置，研制出了一种新型绝缘穿刺线夹及其绝缘联动杆配套操作装置，并开展了相关性能试验和实地运行，接续性能稳定可靠。

根据参考文献[5]，詹斌等设计了一种间接接引法及其应用延伸的10 kV带电安装绝缘穿刺线夹工具，可在线缆接续位置进行引线测量和量取，并利用操作杆将穿刺线夹举入安装位置；此时可将主线缆推至线夹的主线槽内，再利用锁杆定位支线缆将其推送至穿刺线夹的支线槽，最后利用操作杆间接控制扳手，拧紧穿刺线夹的力矩螺栓。

绝缘工具的使用是更高效普遍的线夹安装技术，省时省力，大大减少人员劳动强度。在绝缘工具设计时不仅要考虑安全性，也需要关注工具的可靠、高效和便捷。

2.3 机器人作业

随着计算机技术、传感器和人工智能等领域的发展，绝缘穿刺线夹安装作业以及其他带电作业机器人的研究也在不断推进。带电作业机器人可辅助人员操作，或是直接代替工作人员完成整个作业过程；不仅保证了工作人员的人身安全，而且提高了工作效率，操作规范性强。但机器人价格昂贵，对作业空间也有一定要求，目前在复杂架设方式的配电线路上难以使用，离大规模商用还存在一定差距。

3 存在问题和改进措施

绝缘穿刺线夹本身质量不过关是配电线路线夹运行出现故障的重要原因。质量问题集中体现在：线夹紧固力矩螺母的强度和尺寸大小不同，会造成与导线金属部位的穿刺接触面大小有异；绝缘壳体材料性能差、嵌套的穿刺刀片组数少或刀片材料导电性差、密封设计及安装工艺不合理等。这些问题都会造成线夹使用寿命下降，甚至导致线路故障。

3.1 线夹设计

穿刺线夹力矩螺母扭矩值的设定是线夹安装可靠性的关键。从穿刺线夹的工作原理可以看出，线夹完成主线缆与支线缆的接续完全依靠穿刺刀片刺穿线缆绝缘皮层直至接触金属导线。

良好的接触效果必须依靠力矩螺母扭矩值的合理设定。如果紧固力矩螺母的扭矩值预设太小，会造成上述过程中的接触不到位，刀片与金属导线的实际电气接触面积较小，从而使接触电阻变大，电流通过时产生过高的焦耳热，甚至烧毁线夹和导线。如果力矩螺母的扭矩值预设太大，穿刺刀片会刺破导线金属表层使导体损伤，影响导线的载流量，同时使一直承受线路张力的导线机械强度降低，极有可能引发线路断开事故。

根据参考文献[7]，李禾等通过试验探讨了绝缘穿刺线夹力矩螺母扭矩值的确认方法，为解决当前在穿刺线夹应用中存在的主要问题提供了思路。

根据参考文献[8]，应含含等针对线缆长期运行可能发生的蠕变现象，在穿刺线夹固定扭矩值力矩螺母设计的基础上，增加配置了一种碟形弹力垫片，可在力矩螺母达到预定扭矩断裂时吸收产生的反弹能量。该能量可在线缆蠕变时及时释放补偿，从而保证原有的穿刺与接触效果，使安装可靠性得以延续。

穿刺刀片作为线缆的过渡导体，与导线的接触问题也是影响安装可靠性的重要因素。宏观上，穿刺线夹的穿刺点是面接触。从线夹的工作原理来看，在紧固力矩螺母的过程中，随着力矩螺母的继续紧固，穿刺刀片会继续深入穿透绝缘层，同时刀片尖头会与绝缘层摩擦，摩擦会使刀片尖头逐渐变成秃头，最终刀片尖头与导体接触时会变成面接触。为了保证更好的有效接触面积和导电性能，穿刺接触刀片多是利用高导电合金外加镀铜锌工艺制成，有利于铜铝制电缆导线的过渡。为了适用于直径异同的线缆连接，刀片的穿刺结构设计呈圆弧形，扩大了线缆的连接范围。另外，单个穿刺线夹所含的刀片组数依据作业条件也有限定，组数过少会使接触电阻过大；组数过多则会造成对导体的损伤，降低导体的机械强度和载流性能。

传统穿刺刀片对壳体的压力太大，刀片背部的绝缘体阻力太小，受热膨胀后容易与壳体脱离一段距离，从而形成虚接。另外，穿刺线夹在运行过程中，会受到线缆的拉力、雨水腐蚀、风吹震动和积雪覆盖，这些都对线夹绝缘体的材料性能提出了更高要求。因此，选择绝缘体材料时，必须关注其是否具有良好的抗扭防震、防水耐腐蚀、耐高温和较高的硬度弹性等特性。

3.2 安装工艺

穿刺线夹的选用不仅需根据电压或其他条件，还要事先测量所连接的主、支线缆的线径，挑选合适的线夹。选型不匹配极有可能带来导线虚接或导线断裂等后果。

绝缘穿刺线夹多为双力矩螺母结构，且2个螺母相距较近。目前使用的力矩螺母拧紧工具为单输出结构的套筒扳手，操作时必须先后交替拧紧螺母，拧紧不同步很容易导致穿刺变形，影响穿刺接触效果。同样，在利用单输出结构的绝缘力矩螺母拧紧工具进行远程操作时，工具输出端口与力矩螺母的配合需要来回切换，过程繁琐并且费时费力，大大降低了工作效率。

安徽省电力公司电力科学院在2018年研制了一种对绝缘穿刺线夹力矩螺母输入扭矩的同步双输出冲击装置，由电机带动冲击块旋转，通过冲击块的储能、减速，再经过齿轮组的传动，给双输出轴输出动力。螺栓尾部的冲击式击断可以保证拧紧力矩，进而保证触点的接触。2个输出端的同步静差率通过测试保持在0.06 %以内，完成单个线夹安装平均耗时0.5 min，作业效率得到显著提高。

使用绝缘工具安装作业时，主线与支线的定位也值得考究，若安装过程中主线或支线滑移甚至脱落，会造成安装不可靠或失败，这是研制工具时值得重视的一点。安徽省电力公司电力科学院设计了一种安装工具，由操作人员先将线夹与支线缆夹紧固定在工具上，再利用整个工具去捕获定位主线缆进行安装，待安装完成后利用工具的解锁机构同步解锁线夹、主线缆和支线缆，保证了工艺质量，自动化程度高，操作简单。

4 结束语

绝缘穿刺线夹作为工程、电力等行业广泛应用的电气设备，解决了线缆接续的技术难题，社会经济效益显著。同时，由于科学技术的迅速发展，开发更为高效、安全、可靠的绝缘穿刺线夹安装方式已逐步成为现阶段的研究趋势。