王云輝 顏 濤 李 學 陳 勇

(云南電網(wǎng)有限責任公司基建部 昆明 650000)

1 引言

耐張線夾是架空線路的重要金具之一，主要用于連接導線和絕緣子并承擔導線拉力。其中，楔型耐張線夾主要有NXJ 型和NXL 型，一般用于10 kV及以下城市架空線路，安裝方便，結構簡單，成本低廉。絕緣導線因能避免相間短路，增加桿塔回路數(shù)[1]，提高城市配電網(wǎng)安全性，同時因滿足城市化發(fā)展和綠化要求而被廣泛應用于配電架空線路，經(jīng)濟效益和社會效益較為突出[2-5]。由于NXJ 型耐張線夾在安裝時不需要對絕緣導線進行剝皮而受到廣泛應用，但隨著使用年限增長，NXJ 型耐張線夾在適配絕緣導線時的缺陷逐漸暴露，主要表現(xiàn)為握力下降明顯，絕緣導線松動、滑移甚至脫落，從而導致嚴重事故。

目前對耐張線夾的研究主要集中在壓縮型耐張線夾，文獻[6]通過對壓縮型耐張線夾進行三維建模和有限元電磁-熱耦合仿真指出壓縮型耐張線夾異常升溫的原因；文獻[7-8]以事故線夾為分析依據(jù)，指出耐張線夾性能表現(xiàn)與其壓接工藝是否合格有直接關系；文獻[9]指出10 kV 線路NXJ 型絕緣耐張線夾導線脫落原因是絕緣導線絕緣層和耐張線夾楔芯老化等；文獻[10-12]借助有限元軟件分析了絕緣導線在懸垂線夾夾持下的應力分布；文獻[13]以力學和數(shù)學的基本知識對架空電線的各種狀態(tài)進行了系統(tǒng)的分析；文獻[14]介紹了機械計算的常用資料、常用數(shù)學公式和常用力學公式；文獻[15]標準規(guī)定了耐張線夾型式和技術要求等內(nèi)容，適用于架空線路、配電線路、變電站及發(fā)電廠配電裝置的耐張桿塔上導線、地線終端固定及桿塔拉線終端固定用耐張線夾；文獻[16]通過測量高溫下復合材料蠕變行為成功預測了工況溫度下的材料蠕變，預測出復合芯棒在設計壽命期間的蠕變水平；文獻[17]借助三維繪圖和有限元軟件分析了碳纖維復合棒的拉伸斷裂破壞形式；文獻[18]利用輸電線路暫態(tài)熱平衡方程給出評估線路暫態(tài)載流能力的一種計算精度較高的方法；文獻[19]分析了鋁合金線夾開裂的位置和原因；文獻[20]以現(xiàn)場事故分析及借助力學性能測試指出壓接位置不當造成應力集中是耐張線夾出現(xiàn)故障的主要原因；目前由于電網(wǎng)老化、耐張線夾的施工或設計缺陷導致斷線的事故時有發(fā)生，對電網(wǎng)安全運行產(chǎn)生嚴重影響[21]。文獻[22]通過分析影響導線握著力的因素，總結了導線壓接握著力不合格的幾種典型工況并分析了產(chǎn)生的原因。文獻[23]通過紅外測溫檢測耐張線夾的過熱缺陷，提出基于電流檢測的并聯(lián)耐張線夾電流傳導能力的評價方法；文獻[24]利用X 射線檢測線夾壓接不良的問題，并提出了通過檢測線夾和導線上的電流來判斷線夾內(nèi)部腐蝕情況、評估電流傳導能力的方法；文獻[25]通過機械校驗，對其力學性能進行測試。指出施工不當會造成接觸電阻增加，鋼芯受熱導致強度降低且使得耐張線夾負載面積減小。

上述研究結果及方法對絕緣導線的特性進行了詳細分析和介紹，為后續(xù)的研究提供了參考，但并沒有探究線夾結構對線夾握著力的影響，未設計出新型線夾結構來增大線夾的握著力。結合對云南某市城市架空線路耐張線夾使用情況調(diào)研結果和NXJ型耐張線夾拉力試驗結果，本文對NXJ 型耐張線夾建立三維模型，利用有限元軟件模擬分析簡單工況下NXJ 型耐張線夾應力分布情況，提出該型耐張線夾失效原因和結構性優(yōu)化方案，并利用有限元靜力學仿真驗證所提假設和方案的正確性。

2 NXJ 型耐張線夾故障及懸鏈線方程

2.1 NXJ 型耐張線夾故障

根據(jù)云南省2017 年部分金具送檢報告顯示，不合格產(chǎn)品均為NXJ 型耐張線夾，不合格原因均為標稱破壞載荷不合格，即握力不達標，如表1 所示。由于配套絕緣導線型號難以確定，標稱破壞載荷試驗以鋼線為工具，試驗結果多為線夾主體斷裂，但外觀尺寸、材料元素檢測均為合格。因此，NXJ 型耐張線夾失效原因并非僅僅是生產(chǎn)工藝問題，還可能包含結構問題。

表1 云南省2017 年金具送檢報告分析

而針對云南某市架空線路耐張線夾使用情況進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)經(jīng)檢測合格的NXJ 型耐張線夾在使用過程中仍然會發(fā)生絕緣導線松動、滑移的問題，且部分事故線夾服役年限并不長。為減少事故率，某些線路改用NLL 或NXL 型耐張線夾，但NLL、NXL 型耐張線夾在適配絕緣導線時會不同程度地損傷絕緣層，減少絕緣導線壽命，增加安裝難度。

因此，NXJ 型耐張線夾的合格性檢測并不能杜絕應用過程中的線夾失效。鑒于配電架空線路耐張金具的龐大使用量和NXJ 型耐張線夾安裝方便以及對絕緣導線絕緣層損傷較少等優(yōu)勢，對其失效原因進行分析并提出結構性優(yōu)化方案具有較高應用價值。

2.2 懸鏈線方程

忽略導線剛性和集中荷載對架空導線幾何形狀的影響，以兩側等高懸掛的檔內(nèi)架空線最低點為坐標原點，導線平行方向為橫軸，荷載方向為縱軸，可建立均布荷載下的導線懸鏈線方程及檔內(nèi)架空線線長方程[7]

式中，γ為架空導線任一點處自重比載，MPa/m；σ0為架空導線檔內(nèi)最低點處單位截面所受水平分量應力，MPa。在懸鏈線方程中，架空線上任一點處應力的水平分量Fx0滿足[8]

3 NXJ 型耐張線夾握力計算及拉伸試驗

3.1 NXJ 型耐張線夾握力計算

忽略風速、覆冰等影響，建立兩側懸掛點等高的某耐張段架空線路模型，檔內(nèi)導線兩側由相同NXJ 型耐張線夾固定，檔內(nèi)1 側耐張線夾受力分析如圖1 所示，耐張段架空線路其他信息如表2 所示。

圖1 NXJ 型耐張線夾結構外力分析圖

表2 架空線路某耐張段部分參數(shù)信息

圖1 中，F(xiàn)1為耐張線夾所受拉力；F0為耐張線夾處導線拉力的水平分量；G為耐張線夾自身重力；T1為耐張線夾所受剪力；θ為該點導線與水平方向夾角。檔內(nèi)另一側耐張線夾結構外力與圖1 對稱，對應應力分別為F2、-F0、T2。

對檔內(nèi)兩側耐張線夾列寫平衡方程

式中，Gl為架空絕緣導線自重，N。

由于均布荷載下兩側耐張線夾對稱，可得式(4)

為避免直接對懸鏈線方程式(1)進行求解，簡化方程根求解步驟，對檔內(nèi)架空線建立拋物線方程，由弧垂可知，拋物線經(jīng)過兩點，故有拋物線方程

由式(1)和式(5)可得

補充式(7)～(9)

式中，g為重力加速度；l為架空絕緣導線線長。

綜合式(2)～(9)和表 2 中信息，可解得

0σ≈20.224 MPa，F(xiàn)1≈6 417.962 N，Q1=Q2≈113.58 N。因Q1遠小于F1，故在仿真中忽略。

3.2 NXJ 型耐張線夾拉伸試驗

利用萬能材料測試機對某NXJ 型耐張線夾進行簡單拉伸試驗，測試機施加拉力隨時間線性遞增，配套JKLYJ 絕緣導線，以絕緣導線出現(xiàn)明顯變形為試驗終止條件，試驗完成后絕緣導線表面如圖2 和圖3 所示。

圖2 萬能材料測試機固定側導線表面

圖3 NXJ 型耐張線夾楔塊固定側導線表面

圖2 所示導線表面由測試機所附壓塊固定，無楔角，導線表面未見明顯拉伸變形，絕緣層與鋁芯之間未見明顯錯位；圖3 所示導線表面由NXJ 型耐張線夾的楔塊固定，在楔塊前端進口處導線表面可見頸縮現(xiàn)象，導線絕緣層和線芯出現(xiàn)明顯錯位和滑移。拉伸試驗表明，相同拉力條件下，絕緣導線可承受應力范圍與金具固定導線的方式有關。

因導線兩側拉力相同，故提出假設：楔塊弧槽側應力分布不均，造成導線表面絕緣層部分區(qū)域超出最大可承受壓強是NXJ型耐張線夾適配絕緣導線時的主要失效原因。

4 NXJ 型耐張線夾靜力學分析

4.1 NXJ 型耐張線夾建模及材料設置

利用有限元軟件對現(xiàn)有NXJ 型耐張線夾進行三維建模，如圖4 所示。實際生產(chǎn)中為增加線夾主體機械強度，金具廠家多在主體外側加筋，因加強筋對內(nèi)測應力分布并不會造成太大影響但會加大增加仿真難度，故忽略外側加強筋。同時，因在調(diào)研及試驗中未發(fā)現(xiàn)NXJ 型耐張線夾掛桿出現(xiàn)問題，故掛桿未在模型中展示。

圖4 NXJ 型耐張線夾三維模型

NXJ 型耐張線夾模型的部分材料參數(shù)如表3 所示[8]。因為絕緣導線絕緣層可承受壓強范圍較小，超出范圍后絕緣層迅速非線性變形從而導致無法對其進行有效仿真，拉力仿真區(qū)間較短，不利于分析失效原因，故將普通鋼棒作為配套導線進行仿真，鑒于實際生產(chǎn)中楔塊內(nèi)側花紋具有的防滑功能，調(diào)整楔塊與鋼棒之間的靜摩擦因數(shù)為0.18。鋁合金與楔塊之間的靜摩擦因數(shù)設為0.24。

表3 NXJ 型耐張線夾三維模型材料參數(shù)表

4.2 邊界條件設置

邊界條件主要包括約束和荷載。本文僅涉及有限元靜力學仿真，約束設為線夾兩螺栓孔內(nèi)側固定約束(Fixed support)，限制所有自由度；荷載為力載荷(Force)，拉力荷載不變，改變楔塊與線夾主體間荷載值以便對仿真結果進行觀察分析。

設置安全系數(shù)λ=2.5，則NXJ 型耐張線夾設計握力，即拉力荷載Fdes應滿足下式

根據(jù)《機械設計手冊 第1 卷 常用設計資料》[14]，絕緣線用耐張線夾(剝皮)握力與絕緣導線計算拉斷力之比不小于65%，即拉力荷載Fdes(NXJ 型耐張線夾不需要剝皮)應參考下式

綜合式(10)、式(11)及表2 中相關信息，取

Fdes=16 039 N。

4.3 仿真結果及分析

通過有限元靜力學仿真，得到NXJ 型耐張線夾楔塊弧槽側及對應導線表面的應力分布云圖，如圖5、6 所示。

圖5 NXJ 型耐張線夾楔塊弧槽側應力分布云圖

圖6 導線表面應力分布云圖

由圖5、6 可知，仿真結果與拉伸試驗結果基本一致，均在楔塊弧槽側進線口處出現(xiàn)應力過于集中的現(xiàn)象，造成導線對應表面部分區(qū)域應力值過高，與本文所提假設吻合，即NXJ 型耐張線夾楔形自鎖結構本身具有一定缺陷。根據(jù)靜摩擦力公式，當正壓面積近似不變時，所需摩擦力越大，所施加的正壓力應越大。因此，現(xiàn)有NXJ 型耐張線夾在適配絕緣導線時，由于絕緣層可承受應力值遠小于普通鋁導線，其握力性能出現(xiàn)斷崖式滑坡，不再符合原有標準所規(guī)定的合理使用范圍，從而造成檢測合格的NXJ 型耐張線夾在使用過程中出現(xiàn)功能性失效的矛盾現(xiàn)象。

5 NXJ 型耐張線夾結構性優(yōu)化

5.1 新型NXJ 型耐張線夾

盡管NXJ 型耐張線夾的結構特點使其在適配絕緣導線時可能失效，但由于其安裝、拆卸簡單，對導線絕緣層損傷較小等優(yōu)點，該型耐張線夾依舊處于未淘汰金具行列。隨著配電網(wǎng)安全性要求的不斷提高，配電金具逐漸向無螺栓方向發(fā)展，而螺栓型耐張線夾與金具發(fā)展趨勢不符。因此，通過改進NXJ 型耐張線夾結構，提高其適配絕緣導線時的握力性能極具應用價值。

對NXJ 型耐張線夾做結構性優(yōu)化，首先考慮不打破楔形結構條件下的優(yōu)化措施，優(yōu)化重點在于改變楔塊內(nèi)側應力分布情況，增加提供摩擦力的有效接觸面積，提高握力性能的同時嚴格控制楔塊對導線絕緣層的損傷。基于上述觀點，提出新型NXJ 型耐張線夾，配套防塵蓋，如圖7、8 所示。

圖7 新型NXJ 型耐張線夾結構示意圖

圖8 新型NXJ 型耐張線夾零件結構示意圖

新型NXJ 型耐張線夾主要由線夾主體、連接桿、四個相同楔塊、一個封口滑塊和防塵蓋組成，其主體材料不變，楔塊材料采用高密度碳酸樹脂(PC)，其彈性模量遠高于高密度聚乙烯(HDPE)，力學性能更為優(yōu)良。新型耐張線夾連接桿無螺栓，采用特殊結構(圖9)固定，易安裝和拆卸，避免出現(xiàn)螺栓松動。

圖9 新型NXJ 型耐張線夾部分連接結構

5.2 新型NXJ 型耐張線夾有限元靜力學仿真

新型NXJ 型耐張線夾因楔塊數(shù)量較多，為避免非對稱楔塊所受應力值不同，該型線夾在安裝時楔塊與線夾主體的預緊力具有更高要求。為解決這一問題，多在線夾主體內(nèi)側進行標記，要求安裝時楔塊進入量達到標記值。因此對新型NXJ 型耐張線夾進行靜力學仿真，重點觀察其楔塊應力分布的改善情況時，仿真步驟與第3 節(jié)中相比略有不同，采用同樣拉力條件下，通過Tabular Data 等方式預先改變楔塊與主體間預緊力來觀察楔塊弧槽側應力分布情況。仿真結果如圖10、11 所示。圖10 左側為楔塊弧槽側進線端。

圖10 新型NXJ 型耐張線夾弧槽側應力分布云圖

圖11 新型NXJ 型耐張線夾導線表面應力分布云圖

比較圖10 與圖5、圖11 與圖6 可得，相同拉力條件下，新型NXJ型耐張線夾楔塊所受應力更小、分布更加均勻，配套絕緣導線表面所受應力更小。

6 結論

本文首先介紹了NXJ 型耐張線夾服役過程中出現(xiàn)的功能性失效問題，并對該型線夾進行簡單拉伸試驗和有限元仿真，提出并證明功能性失效的主要原因，最終給出結構性優(yōu)化方案，通過仿真證明，本文結構優(yōu)化具有一定的效果。

NXJ 型耐張線夾失效原因主要如下。

(1) NXJ 型耐張線夾的楔形自鎖結構存在缺陷。其楔塊弧槽側提供摩擦力的有效面積不符合設計預期，適配絕緣導線時握力性能滑坡嚴重。

(2) NXJ 型耐張線夾相關標準滯后，定義不明確，產(chǎn)品型號較為混亂。不帶鋼芯架空絕緣導線額定計算拉斷力小于帶鋼芯的同類產(chǎn)品，若線夾明顯部位無特殊說明，在質量檢驗和安裝時可能會由于導線拉力超出設計值，線夾主體在尺寸、元素檢測均合格的條件下發(fā)生斷裂。

(3) NXJ 型耐張線夾現(xiàn)有檢測方法存在漏洞。在檢測時未配套絕緣導線，由于絕緣層與鋁線所能承受應力值相差較遠，檢測機構僅能保證NXJ 型線夾在適配鋼芯鋁導線時合格，從而出現(xiàn)合格NXJ 型耐張線夾服役過程中依舊出現(xiàn)功能性失效。

新型NXJ 型耐張線夾結構優(yōu)化表現(xiàn)主要有以下幾點。

(1) 楔塊弧槽側應力集中現(xiàn)象得到明顯改善，提供摩擦力的有效面積增加，握力性能瓶頸上升。

(2) 導線表面最大應力值得到改善，相較于原有型號下降約28%。

(3) 固定結構并未使用螺栓，避免螺栓松動引起的線路事故。