針對(duì)不同楔角和楔塊材料的NXJ型耐張線夾和導(dǎo)線應(yīng)力分布情況*

顏 濤 李 學(xué) 王云輝 陳 勇

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司基建部 昆明 650500)

1 引言

線夾是架空電力線路中的重要金具，主要分為懸垂線夾和耐張線夾。懸垂線夾用于將導(dǎo)線或避雷線固定于直線桿塔上，或用于換位桿塔上支持換位導(dǎo)線或耐張、轉(zhuǎn)角桿塔上固定跳線，工況較為簡(jiǎn)單，因此一般較為可靠。耐張線夾用于將導(dǎo)線或避雷線固定于非直線桿塔的耐張絕緣子上，起錨固作用，也可以用來(lái)固定拉線桿塔的拉線[1-4]。

楔型絕緣耐張線夾作為耐張線夾的一種，由于其節(jié)能降耗、方便裝拆、可重復(fù)多次使用并且性能穩(wěn)定，近年來(lái)被大量應(yīng)用于10 kV線路中。但一些線路由于楔型絕緣耐張線夾的安裝不當(dāng)或?qū)Ь€自身原因，常常發(fā)生導(dǎo)線脫落的故障，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行[5-7]。文獻(xiàn)[8]針對(duì)500 kV架空線路線夾運(yùn)行溫度過(guò)高引起的線夾脫斷事故，研究了電接觸最高溫度與接觸壓力的關(guān)系。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]均介紹了耐張線夾在不同工作環(huán)境中的應(yīng)用。

在楔型耐張線夾的設(shè)計(jì)中，通常會(huì)重點(diǎn)考慮楔角和楔塊材料對(duì)導(dǎo)線受力的影響。改變楔角大小和楔塊材料會(huì)得到不同的應(yīng)力分布結(jié)果，這些數(shù)據(jù)會(huì)影響楔型耐張線夾的力學(xué)性能，但現(xiàn)有研究缺乏這方面的探討，故有必要研究局部結(jié)構(gòu)的改變對(duì)楔型耐張線夾力學(xué)性能的改變，為優(yōu)化方案提出參考。本文以NXJ型耐張線夾為例，研究楔角和楔塊材料改變時(shí)線夾和導(dǎo)線的應(yīng)力分布情況。

2 NXJ型耐張線夾的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和常見(jiàn)運(yùn)行故障

2.1 NXJ型耐張線夾的結(jié)構(gòu)

文章以NXJ型耐張線夾為例，主要由線夾本體和楔塊組成，圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 NXJ型耐張線夾結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，將導(dǎo)線放入線夾楔塊中，內(nèi)楔塊的劈力會(huì)使楔塊和導(dǎo)線同時(shí)沿線夾壁向前滑移，線夾逐漸鎖緊導(dǎo)線，達(dá)到固定導(dǎo)線的目的。NXJ型耐張線夾在安裝時(shí)，先將導(dǎo)線固定在楔塊槽內(nèi)，再一起插入線夾本體中，隨著楔塊導(dǎo)線的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)固定功能。需要注意的是，NXJ型耐張線夾在安裝時(shí)，導(dǎo)線一般不剝?nèi)ソ^緣層。

2.2 楔型耐張線夾的特點(diǎn)

(1) 楔型耐張線夾大大減小了對(duì)導(dǎo)線的振動(dòng)傷害。與懸垂線夾相比，當(dāng)線夾處的導(dǎo)線受到微風(fēng)吹拂時(shí)，楔型線夾消除了懸垂線夾與微風(fēng)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力相同方向的彎曲應(yīng)力和重量引起的壓應(yīng)力，同時(shí)，楔型線夾緊緊夾住導(dǎo)線引起導(dǎo)線的壓應(yīng)力，在導(dǎo)線周圍均勻分布，每股導(dǎo)線的受力相同，大大減小了振動(dòng)時(shí)線夾對(duì)導(dǎo)線的傷害[11]。

(2) 抗氧化性能和絕緣性能好。目前，10 kV線路中楔形絕緣耐張線夾應(yīng)用較為廣泛，由于楔型線夾的線夾本體常由高強(qiáng)度的鋁合金制造而成，具有很好的抗氧化性能，且在使用過(guò)程中沒(méi)有磁滯損耗，具有良好的絕緣性能，節(jié)能降耗[12]。

(3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝拆卸。楔型耐張線夾的工作原理即借助楔塊的劈力，使導(dǎo)線在滑移過(guò)程中可自動(dòng)調(diào)節(jié)到最緊固的狀態(tài)。其簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得楔型耐張線夾十分便于安裝和拆卸，且對(duì)導(dǎo)線的損傷最小。同時(shí)，這種與導(dǎo)線完全分離的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)可以使楔型線夾得到重復(fù)使用，有效提高了線夾的使用壽命和線路的施工效率。

楔型耐張線夾在使用較長(zhǎng)時(shí)間后，楔芯因熱脹冷縮、導(dǎo)線絕緣層老化等原因易發(fā)生滑線事故，合理的楔型線夾設(shè)計(jì)關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行的安全。

2.3 楔型線夾的常見(jiàn)運(yùn)行故障

隨著城市配電線路的飛速發(fā)展，NXJ型耐張線夾逐漸暴露出它在架空線路運(yùn)行中的缺陷，包括耐張線夾零件變形或外殼破裂、型號(hào)誤用和安裝失誤、線夾發(fā)熱等，這些都會(huì)直接或間接地導(dǎo)致線夾握力不足，造成楔塊與導(dǎo)線間摩擦力不足或線夾和導(dǎo)線應(yīng)力分布不均勻，在某一點(diǎn)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂或脫落[13-15]。例如天氣炎熱時(shí)，導(dǎo)線絕緣層軟化使得楔塊握力減小，或者由于安裝方式不科學(xué)造成的楔塊握力不足，最終都會(huì)導(dǎo)致楔塊摩擦力降低，導(dǎo)線脫落[13-15]。

3 局部結(jié)構(gòu)改變后楔型耐張線夾和導(dǎo)線的應(yīng)力分布情況

利用有限元軟件建立NXJ型耐張線夾的三維模型，如圖2所示。調(diào)研中未發(fā)現(xiàn)線夾掛桿出現(xiàn)問(wèn)題，故不在模型中展出。同時(shí)實(shí)際生產(chǎn)中，廠家多在線夾主體外側(cè)加筋以提高線夾的力學(xué)強(qiáng)度，這會(huì)極大增加仿真的難度，故簡(jiǎn)化模型。

圖2 NXJ型耐張線夾模型

對(duì)楔型耐張線夾的楔角和楔塊材料做出改變，探究不同楔角和材料的情況下耐張線夾和導(dǎo)線的應(yīng)力分布有何變化，為之后的優(yōu)化提供參考。

3.1 調(diào)整楔型耐張線夾局部結(jié)構(gòu)數(shù)值

模型在保留實(shí)物原有參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)楔型耐張線夾的楔角和楔塊材料做出了改變，改變情況如下。

(1) 改變楔角。所用楔型耐張線夾實(shí)物楔角為4.41°，本次仿真中，楔角大小添加3.41°、4.9°和5.41°三個(gè)檔次。

(2) 改變楔塊材料。所用楔型耐張線夾實(shí)物楔塊材料為高密度聚乙烯，本次仿真中，楔塊材料添加ABS塑料、交聯(lián)聚乙烯和鋁合金。

3.2 改變楔角大小線夾和導(dǎo)線應(yīng)力分布情況

通過(guò)有限元靜力學(xué)仿真，得到3.41°、4.41°、4.9°和5.41°NXJ型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖和對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖，如圖3～10所示。

圖3 3.41°NXJ型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖4 4.41°NXJ型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖5 4.9°NXJ型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖6 5.41°NXJ型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖7 3.41°NXJ型耐張線夾對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖

圖8 4.41°NXJ型耐張線夾對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖

圖9 4.9°NXJ型耐張線夾對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖

圖10 5.41°NXJ型耐張線夾對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖

理想狀態(tài)下，楔形耐張線夾和導(dǎo)線在保證線夾握力充足的情況下，線夾和導(dǎo)線應(yīng)力應(yīng)該是比較均勻的，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)為集中的現(xiàn)象。由圖3～10可知，這4種楔角的楔型耐張線夾均在線夾中部出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)于集中的現(xiàn)象，導(dǎo)線表面對(duì)應(yīng)的位置應(yīng)力值也較為集中。表1為不同楔角下耐張線夾和導(dǎo)線的應(yīng)力分布均勻情況。

表1 不同楔角下耐張線夾和導(dǎo)線的應(yīng)力分布均勻情況

對(duì)比可得，楔角為4.9°時(shí)，楔型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布最均勻，但數(shù)值較小，可能出現(xiàn)線夾握力不足的問(wèn)題。且其對(duì)應(yīng)導(dǎo)線的應(yīng)力分布極不均勻，且數(shù)值較大，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行后，可能會(huì)發(fā)生導(dǎo)線脫落的故障。楔角為4.41°時(shí)，楔型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布在中部，雖然數(shù)值較3.41°和5.41°的小，但握力已達(dá)到導(dǎo)線需要的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)導(dǎo)線應(yīng)力分布也最均勻，固定導(dǎo)線的同時(shí)對(duì)導(dǎo)線絕緣層損傷最小。

3.3 改變楔塊材料線夾和導(dǎo)線應(yīng)力分布情況

通過(guò)有限元靜力學(xué)仿真，得到楔塊材料不同時(shí)NXJ型耐張線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖和對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖，如圖11～18所示。

圖11 高密度聚乙烯楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖12 鋁合金楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖13 ABS塑料楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖14 交聯(lián)聚乙烯楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力分布云圖

圖15 高密度聚乙烯楔塊對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖

圖16 鋁合金楔塊對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖

圖17 ABS塑料楔塊對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖

圖18 交聯(lián)聚乙烯楔塊對(duì)應(yīng)導(dǎo)線表面應(yīng)力分布云圖

由圖11～18可知，在這四種材料下，楔型耐張線夾均在線夾中部出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)于集中的現(xiàn)象，導(dǎo)線也在相應(yīng)位置的應(yīng)力較為集中。表2為不同楔塊材料下耐張線夾和導(dǎo)線的應(yīng)力分布均勻情況。

表2 不同楔塊材料下耐張線夾和導(dǎo)線的應(yīng)力分布均勻情況

對(duì)比可得，當(dāng)楔塊材料為鋁合金時(shí)，楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力和導(dǎo)線受力大大減小，但由于NXJ型耐張線夾安裝時(shí)，導(dǎo)線不剝皮，在實(shí)際運(yùn)行中導(dǎo)線的振動(dòng)或絕緣層熱老化的現(xiàn)象會(huì)使金屬易對(duì)導(dǎo)線絕緣層造成損傷。且在仿真結(jié)果圖中可以看出，相較于其他材料，鋁合金楔塊對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線易在某一點(diǎn)集中受力，故NXJ型耐張線夾不宜采用鋁合金楔塊。與交聯(lián)聚乙烯楔塊相比，高密度聚乙烯楔塊和ABS塑料楔塊的應(yīng)力分布較均勻，雖然數(shù)值較小，但是已達(dá)到導(dǎo)線需要的標(biāo)準(zhǔn)，性能更優(yōu)越，其中ABS塑料楔塊對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線應(yīng)力分布更加均勻。

4 結(jié)論

本文首先給出了NXJ型耐張線夾的結(jié)構(gòu)和安裝特點(diǎn)，以及實(shí)際使用中NXJ型耐張線夾易出現(xiàn)的故障，探究了改變NXJ型耐張線夾局部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)線夾力學(xué)強(qiáng)度的影響，主要得出以下結(jié)論。

(1) 綜合考慮線夾本體應(yīng)力分布和導(dǎo)線應(yīng)力分布，耐張線夾楔角呈現(xiàn)出一個(gè)最優(yōu)值的趨勢(shì)，楔角過(guò)大或過(guò)小都會(huì)造成線夾本體和導(dǎo)線應(yīng)力過(guò)于集中的現(xiàn)象。

(2) 采用金屬楔塊時(shí)，線夾本體和導(dǎo)線受力較小，但考慮到NXJ型耐張線夾安裝時(shí)不需要?jiǎng)兤ぃ^硬的金屬會(huì)對(duì)導(dǎo)線絕緣層造成損傷，故實(shí)際使用中依舊選擇塑料楔塊，楔塊材料不同，耐張線夾的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)有較大差異。

(3) 可通過(guò)添加更多約束條件，尋找NXJ型耐張線夾楔角的最優(yōu)值。從本次仿真中得出4.41°楔角的耐張線夾力學(xué)性能已較為優(yōu)秀，但在實(shí)際使用中，這種耐張線夾依舊容易出現(xiàn)導(dǎo)線斷裂脫落的事故，可通過(guò)優(yōu)化楔角角度來(lái)減少此類事故的發(fā)生。

(4) 尋找可作為楔塊的新型材料代替現(xiàn)有材料，應(yīng)具有更好的抗氧化性能和抗熱性，降低對(duì)楔型耐張線夾對(duì)導(dǎo)線絕緣層的損壞，同時(shí)還要對(duì)導(dǎo)線具有較強(qiáng)的摩擦力，減少導(dǎo)線脫落的事故。

(5) 本文只研究了楔型耐張線夾和導(dǎo)線的初始應(yīng)力分布，運(yùn)行中應(yīng)力分布如何變化，運(yùn)行后導(dǎo)線及線夾發(fā)生振動(dòng)、老化、腐蝕等情況應(yīng)力如何分布，需要進(jìn)一步研究。