導(dǎo)線滑移導(dǎo)致的NXJ型耐張線夾失效原因分析及結(jié)構(gòu)性優(yōu)化*

王云輝 顏 濤 李 學(xué) 陳 勇

(云南電網(wǎng)有限責(zé)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(dǎo)線和絕緣子并承擔(dān)導(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。絕緣導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)線進行剝皮而受到廣泛應(yīng)用，但隨著使用年限增長，NXJ 型耐張線夾在適配絕緣導(dǎo)線時的缺陷逐漸暴露，主要表現(xiàn)為握力下降明顯，絕緣導(dǎo)線松動、滑移甚至脫落，從而導(dǎo)致嚴(yán)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(xiàn)[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(xiàn)[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(guān)系；文獻(xiàn)[9]指出10 kV 線路NXJ 型絕緣耐張線夾導(dǎo)線脫落原因是絕緣導(dǎo)線絕緣層和耐張線夾楔芯老化等；文獻(xiàn)[10-12]借助有限元軟件分析了絕緣導(dǎo)線在懸垂線夾夾持下的應(yīng)力分布；文獻(xiàn)[13]以力學(xué)和數(shù)學(xué)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(xiàn)[14]介紹了機械計算的常用資料、常用數(shù)學(xué)公式和常用力學(xué)公式；文獻(xiàn)[15]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了耐張線夾型式和技術(shù)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(dǎo)線、地線終端固定及桿塔拉線終端固定用耐張線夾；文獻(xiàn)[16]通過測量高溫下復(fù)合材料蠕變行為成功預(yù)測了工況溫度下的材料蠕變，預(yù)測出復(fù)合芯棒在設(shè)計壽命期間的蠕變水平；文獻(xiàn)[17]借助三維繪圖和有限元軟件分析了碳纖維復(fù)合棒的拉伸斷裂破壞形式；文獻(xiàn)[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(xiàn)[19]分析了鋁合金線夾開裂的位置和原因；文獻(xiàn)[20]以現(xiàn)場事故分析及借助力學(xué)性能測試指出壓接位置不當(dāng)造成應(yīng)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(shè)計缺陷導(dǎo)致斷線的事故時有發(fā)生，對電網(wǎng)安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重影響[21]。文獻(xiàn)[22]通過分析影響導(dǎo)線握著力的因素，總結(jié)了導(dǎo)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(xiàn)[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(dǎo)能力的評價方法；文獻(xiàn)[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(dǎo)線上的電流來判斷線夾內(nèi)部腐蝕情況、評估電流傳導(dǎo)能力的方法；文獻(xiàn)[25]通過機械校驗，對其力學(xué)性能進行測試。指出施工不當(dāng)會造成接觸電阻增加，鋼芯受熱導(dǎo)致強度降低且使得耐張線夾負(fù)載面積減小。

上述研究結(jié)果及方法對絕緣導(dǎo)線的特性進行了詳細(xì)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(jié)構(gòu)對線夾握著力的影響，未設(shè)計出新型線夾結(jié)構(gòu)來增大線夾的握著力。結(jié)合對云南某市城市架空線路耐張線夾使用情況調(diào)研結(jié)果和NXJ型耐張線夾拉力試驗結(jié)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(yīng)力分布情況，提出該型耐張線夾失效原因和結(jié)構(gòu)性優(yōu)化方案，并利用有限元靜力學(xué)仿真驗證所提假設(shè)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(biāo)稱破壞載荷不合格，即握力不達(dá)標(biāo)，如表1 所示。由于配套絕緣導(dǎo)線型號難以確定，標(biāo)稱破壞載荷試驗以鋼線為工具，試驗結(jié)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)線時會不同程度地?fù)p傷絕緣層，減少絕緣導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)性優(yōu)化方案具有較高應(yīng)用價值。

2.2 懸鏈線方程

忽略導(dǎo)線剛性和集中荷載對架空導(dǎo)線幾何形狀的影響，以兩側(cè)等高懸掛的檔內(nèi)架空線最低點為坐標(biāo)原點，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線任一點處自重比載，MPa/m；σ0為架空導(dǎo)線檔內(nèi)最低點處單位截面所受水平分量應(yīng)力，MPa。在懸鏈線方程中，架空線上任一點處應(yīng)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(fēng)速、覆冰等影響，建立兩側(cè)懸掛點等高的某耐張段架空線路模型，檔內(nèi)導(dǎo)線兩側(cè)由相同NXJ 型耐張線夾固定，檔內(nèi)1 側(cè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)線與水平方向夾角。檔內(nèi)另一側(cè)耐張線夾結(jié)構(gòu)外力與圖1 對稱，對應(yīng)應(yīng)力分別為F2、-F0、T2。

對檔內(nèi)兩側(cè)耐張線夾列寫平衡方程

式中，Gl為架空絕緣導(dǎo)線自重，N。

由于均布荷載下兩側(cè)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(dǎo)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(yuǎn)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(dǎo)線，以絕緣導(dǎo)線出現(xiàn)明顯變形為試驗終止條件，試驗完成后絕緣導(dǎo)線表面如圖2 和圖3 所示。

圖2 萬能材料測試機固定側(cè)導(dǎo)線表面

圖3 NXJ 型耐張線夾楔塊固定側(cè)導(dǎo)線表面

圖2 所示導(dǎo)線表面由測試機所附壓塊固定，無楔角，導(dǎo)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(dǎo)線表面由NXJ 型耐張線夾的楔塊固定，在楔塊前端進口處導(dǎo)線表面可見頸縮現(xiàn)象，導(dǎo)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(dǎo)線可承受應(yīng)力范圍與金具固定導(dǎo)線的方式有關(guān)。

因?qū)Ь€兩側(cè)拉力相同，故提出假設(shè)：楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布不均，造成導(dǎo)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(dǎo)線時的主要失效原因。

4 NXJ 型耐張線夾靜力學(xué)分析

4.1 NXJ 型耐張線夾建模及材料設(shè)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(cè)加筋，因加強筋對內(nèi)測應(yīng)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(cè)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線進行仿真，鑒于實際生產(chǎn)中楔塊內(nèi)側(cè)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(shè)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(shè)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(xué)仿真，約束設(shè)為線夾兩螺栓孔內(nèi)側(cè)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(jié)果進行觀察分析。

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

根據(jù)《機械設(shè)計手冊 第1 卷 常用設(shè)計資料》[14]，絕緣線用耐張線夾(剝皮)握力與絕緣導(dǎo)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(yīng)參考下式

綜合式(10)、式(11)及表2 中相關(guān)信息，取

Fdes=16 039 N。

4.3 仿真結(jié)果及分析

通過有限元靜力學(xué)仿真，得到NXJ 型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)及對應(yīng)導(dǎo)線表面的應(yīng)力分布云圖，如圖5、6 所示。

圖5 NXJ 型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖6 導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖

由圖5、6 可知，仿真結(jié)果與拉伸試驗結(jié)果基本一致，均在楔塊弧槽側(cè)進線口處出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象，造成導(dǎo)線對應(yīng)表面部分區(qū)域應(yīng)力值過高，與本文所提假設(shè)吻合，即NXJ 型耐張線夾楔形自鎖結(jié)構(gòu)本身具有一定缺陷。根據(jù)靜摩擦力公式，當(dāng)正壓面積近似不變時，所需摩擦力越大，所施加的正壓力應(yīng)越大。因此，現(xiàn)有NXJ 型耐張線夾在適配絕緣導(dǎo)線時，由于絕緣層可承受應(yīng)力值遠(yuǎn)小于普通鋁導(dǎo)線，其握力性能出現(xiàn)斷崖式滑坡，不再符合原有標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)性優(yōu)化

5.1 新型NXJ 型耐張線夾

盡管NXJ 型耐張線夾的結(jié)構(gòu)特點使其在適配絕緣導(dǎo)線時可能失效，但由于其安裝、拆卸簡單，對導(dǎo)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(jié)構(gòu)，提高其適配絕緣導(dǎo)線時的握力性能極具應(yīng)用價值。

對NXJ 型耐張線夾做結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，首先考慮不打破楔形結(jié)構(gòu)條件下的優(yōu)化措施，優(yōu)化重點在于改變楔塊內(nèi)側(cè)應(yīng)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(yán)格控制楔塊對導(dǎo)線絕緣層的損傷?；谏鲜鲇^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(jié)構(gòu)示意圖

圖8 新型NXJ 型耐張線夾零件結(jié)構(gòu)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(yuǎn)高于高密度聚乙烯(HDPE)，力學(xué)性能更為優(yōu)良。新型耐張線夾連接桿無螺栓，采用特殊結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)

5.2 新型NXJ 型耐張線夾有限元靜力學(xué)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(yīng)力值不同，該型線夾在安裝時楔塊與線夾主體的預(yù)緊力具有更高要求。為解決這一問題，多在線夾主體內(nèi)側(cè)進行標(biāo)記，要求安裝時楔塊進入量達(dá)到標(biāo)記值。因此對新型NXJ 型耐張線夾進行靜力學(xué)仿真，重點觀察其楔塊應(yīng)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(yù)先改變楔塊與主體間預(yù)緊力來觀察楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布情況。仿真結(jié)果如圖10、11 所示。圖10 左側(cè)為楔塊弧槽側(cè)進線端。

圖10 新型NXJ 型耐張線夾弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖11 新型NXJ 型耐張線夾導(dǎo)線表面應(yīng)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(yīng)力更小、分布更加均勻，配套絕緣導(dǎo)線表面所受應(yīng)力更小。

6 結(jié)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(jié)構(gòu)性優(yōu)化方案，通過仿真證明，本文結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)存在缺陷。其楔塊弧槽側(cè)提供摩擦力的有效面積不符合設(shè)計預(yù)期，適配絕緣導(dǎo)線時握力性能滑坡嚴(yán)重。

(2) NXJ 型耐張線夾相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(zhì)量檢驗和安裝時可能會由于導(dǎo)線拉力超出設(shè)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(dǎo)線，由于絕緣層與鋁線所能承受應(yīng)力值相差較遠(yuǎn)，檢測機構(gòu)僅能保證NXJ 型線夾在適配鋼芯鋁導(dǎo)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(jié)構(gòu)優(yōu)化表現(xiàn)主要有以下幾點。

(1) 楔塊弧槽側(cè)應(yīng)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(dǎo)線表面最大應(yīng)力值得到改善，相較于原有型號下降約28%。

(3) 固定結(jié)構(gòu)并未使用螺栓，避免螺栓松動引起的線路事故。