闭式卡具是更换输电线路瓷质或玻璃绝缘子最常用的工器具,其在使用过程中,代替原绝缘子片承担挂点竖向荷载,因此需具备较高的机械强度。目前,闭式卡具主要采用两种材料加工:铝合金和钛合金。但随着电压等级升高(大于500k V),绝缘子尺寸、重量变大,导线荷载增大,铝合金闭式卡具因强度低不再适用,钛合金闭式卡具成为首选。然而,在特高压输电线路中,由于导线荷载的增大及档距的增加,钛合金闭式卡具虽能满足强度要求,但其重量已达27kg以上,工人操作极为不便,导致很大程度上降低了绝缘子更换效率,影响特高压输电线路安全稳定运行。因此,对特高压闭式卡具进行轻量化改进具有重要意义。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量等特性,将碳纤维复合材料应用到特高压闭式卡具上,能大幅度减轻闭式卡具的重量。但这种材料抗冲击性差、层间剪切强度低,很少在大承力构件上应用。然而,对于特高压闭式卡具而言,需要承受绝缘子较大的承载力,将碳纤维材料应用于新型卡具设计,力学性能要达标具有一定难度。因此,本文将对特高压碳纤维闭式卡具进行外形结构设计和铺层结构设计,使卡具在达到轻量化目的的同时,满足力学性能要求。本文以用于更换420k N型瓷质绝缘子的特高压闭式卡具为研究对象,设计出了一种特高压碳纤维闭式卡具外形结构,并采用层合板形式的铺层结构。根据闭式卡具主要承受弯矩和剪力的特点,对碳纤维闭式卡具提出了工程上常用的三种抗弯、抗剪铺层角度。基于特高压闭式卡具的技术参数要求,将特高压碳纤维闭式卡具的安全系数设为3,即最大承受荷载为240k N。通过编写ABAQUS用户子程序USDFLD,结合渐进损伤强度分析方法,对三种不同铺层角度的特高压碳纤维闭式卡具进行了破坏、变形对比分析和强度、刚度对比分析。分析结果:三种铺层角度的碳纤维闭式卡具均不能满足强度要求,破坏位置均在发生在卡具的两翼端部,属剪切破坏。基于分析结果,本文对特高压碳纤维闭式卡具提出了一种带有外包铺层的碳纤维铺层结构,并设外包铺层厚度为10mm,考虑两种不同外包铺层角度。基于相同的分析方法,对这两种不同外包铺层角度的碳纤维闭式卡具进行了对比分析,分析结果:外包铺层角度带有±45°的碳纤维闭式卡具的承受荷载最大,满足强度要求。本文对纤维闭式卡具强度与外包铺层厚度的关系进行了研究,研究结果表明:碳纤维闭式卡具存在一个最优外包铺层厚度使得强度最大,即当外包铺层厚度为14mm时,碳纤维闭式卡具的承受荷载最大。因此,采用14mm厚的外包铺层结构制作碳纤维闭式卡具。依据《DL/T 875-2016》标准,对特高压碳纤维闭式卡具进行力学试验,试验结果符合标准要求。通过试验对弹性变形范围内有限元计算的位移-荷载曲线进行验证,经过刚度计算,试验与有限元刚度误差在10%以内,满足工程精度要求。表明了在弹性变形范围内碳纤维闭式卡具有限元力学性能分析方法的有效性及结构设计的可行性,对特高压碳纤维工器具的设计与力学性能分析具有重要参考价值。制作出来的碳纤维闭式卡具轻量化效果明显,比目前用于更换420k N型瓷质绝缘子的特高压闭式卡具轻了36.46%。