导线滑移导致的NXJ型耐张线夹失效原因分析及结构性优化*

王云辉 颜 涛 李 学 陈 勇

(云南电网有限责任公司基建部 昆明 650000)

1 引言

耐张线夹是架空线路的重要金具之一，主要用于连接导线和绝缘子并承担导线拉力。其中，楔型耐张线夹主要有NXJ 型和NXL 型，一般用于10 kV及以下城市架空线路，安装方便，结构简单，成本低廉。绝缘导线因能避免相间短路，增加杆塔回路数[1]，提高城市配电网安全性，同时因满足城市化发展和绿化要求而被广泛应用于配电架空线路，经济效益和社会效益较为突出[2-5]。由于NXJ 型耐张线夹在安装时不需要对绝缘导线进行剥皮而受到广泛应用，但随着使用年限增长，NXJ 型耐张线夹在适配绝缘导线时的缺陷逐渐暴露，主要表现为握力下降明显，绝缘导线松动、滑移甚至脱落，从而导致严重事故。

目前对耐张线夹的研究主要集中在压缩型耐张线夹，文献[6]通过对压缩型耐张线夹进行三维建模和有限元电磁-热耦合仿真指出压缩型耐张线夹异常升温的原因；文献[7-8]以事故线夹为分析依据，指出耐张线夹性能表现与其压接工艺是否合格有直接关系；文献[9]指出10 kV 线路NXJ 型绝缘耐张线夹导线脱落原因是绝缘导线绝缘层和耐张线夹楔芯老化等；文献[10-12]借助有限元软件分析了绝缘导线在悬垂线夹夹持下的应力分布；文献[13]以力学和数学的基本知识对架空电线的各种状态进行了系统的分析；文献[14]介绍了机械计算的常用资料、常用数学公式和常用力学公式；文献[15]标准规定了耐张线夹型式和技术要求等内容，适用于架空线路、配电线路、变电站及发电厂配电装置的耐张杆塔上导线、地线终端固定及杆塔拉线终端固定用耐张线夹；文献[16]通过测量高温下复合材料蠕变行为成功预测了工况温度下的材料蠕变，预测出复合芯棒在设计寿命期间的蠕变水平；文献[17]借助三维绘图和有限元软件分析了碳纤维复合棒的拉伸断裂破坏形式；文献[18]利用输电线路暂态热平衡方程给出评估线路暂态载流能力的一种计算精度较高的方法；文献[19]分析了铝合金线夹开裂的位置和原因；文献[20]以现场事故分析及借助力学性能测试指出压接位置不当造成应力集中是耐张线夹出现故障的主要原因；目前由于电网老化、耐张线夹的施工或设计缺陷导致断线的事故时有发生，对电网安全运行产生严重影响[21]。文献[22]通过分析影响导线握着力的因素，总结了导线压接握着力不合格的几种典型工况并分析了产生的原因。文献[23]通过红外测温检测耐张线夹的过热缺陷，提出基于电流检测的并联耐张线夹电流传导能力的评价方法；文献[24]利用X 射线检测线夹压接不良的问题，并提出了通过检测线夹和导线上的电流来判断线夹内部腐蚀情况、评估电流传导能力的方法；文献[25]通过机械校验，对其力学性能进行测试。指出施工不当会造成接触电阻增加，钢芯受热导致强度降低且使得耐张线夹负载面积减小。

上述研究结果及方法对绝缘导线的特性进行了详细分析和介绍，为后续的研究提供了参考，但并没有探究线夹结构对线夹握着力的影响，未设计出新型线夹结构来增大线夹的握着力。结合对云南某市城市架空线路耐张线夹使用情况调研结果和NXJ型耐张线夹拉力试验结果，本文对NXJ 型耐张线夹建立三维模型，利用有限元软件模拟分析简单工况下NXJ 型耐张线夹应力分布情况，提出该型耐张线夹失效原因和结构性优化方案，并利用有限元静力学仿真验证所提假设和方案的正确性。

2 NXJ 型耐张线夹故障及悬链线方程

2.1 NXJ 型耐张线夹故障

根据云南省2017 年部分金具送检报告显示，不合格产品均为NXJ 型耐张线夹，不合格原因均为标称破坏载荷不合格，即握力不达标，如表1 所示。由于配套绝缘导线型号难以确定，标称破坏载荷试验以钢线为工具，试验结果多为线夹主体断裂，但外观尺寸、材料元素检测均为合格。因此，NXJ 型耐张线夹失效原因并非仅仅是生产工艺问题，还可能包含结构问题。

表1 云南省2017 年金具送检报告分析

而针对云南某市架空线路耐张线夹使用情况进行了调研，发现经检测合格的NXJ 型耐张线夹在使用过程中仍然会发生绝缘导线松动、滑移的问题，且部分事故线夹服役年限并不长。为减少事故率，某些线路改用NLL 或NXL 型耐张线夹，但NLL、NXL 型耐张线夹在适配绝缘导线时会不同程度地损伤绝缘层，减少绝缘导线寿命，增加安装难度。

因此，NXJ 型耐张线夹的合格性检测并不能杜绝应用过程中的线夹失效。鉴于配电架空线路耐张金具的庞大使用量和NXJ 型耐张线夹安装方便以及对绝缘导线绝缘层损伤较少等优势，对其失效原因进行分析并提出结构性优化方案具有较高应用价值。

2.2 悬链线方程

忽略导线刚性和集中荷载对架空导线几何形状的影响，以两侧等高悬挂的档内架空线最低点为坐标原点，导线平行方向为横轴，荷载方向为纵轴，可建立均布荷载下的导线悬链线方程及档内架空线线长方程[7]

式中，γ为架空导线任一点处自重比载，MPa/m；σ0为架空导线档内最低点处单位截面所受水平分量应力，MPa。在悬链线方程中，架空线上任一点处应力的水平分量Fx0满足[8]

3 NXJ 型耐张线夹握力计算及拉伸试验

3.1 NXJ 型耐张线夹握力计算

忽略风速、覆冰等影响，建立两侧悬挂点等高的某耐张段架空线路模型，档内导线两侧由相同NXJ 型耐张线夹固定，档内1 侧耐张线夹受力分析如图1 所示，耐张段架空线路其他信息如表2 所示。

图1 NXJ 型耐张线夹结构外力分析图

表2 架空线路某耐张段部分参数信息

图1 中，F1为耐张线夹所受拉力；F0为耐张线夹处导线拉力的水平分量；G为耐张线夹自身重力；T1为耐张线夹所受剪力；θ为该点导线与水平方向夹角。档内另一侧耐张线夹结构外力与图1 对称，对应应力分别为F2、-F0、T2。

对档内两侧耐张线夹列写平衡方程

式中，Gl为架空绝缘导线自重，N。

由于均布荷载下两侧耐张线夹对称，可得式(4)

为避免直接对悬链线方程式(1)进行求解，简化方程根求解步骤，对档内架空线建立抛物线方程，由弧垂可知，抛物线经过两点，故有抛物线方程

由式(1)和式(5)可得

补充式(7)～(9)

式中，g为重力加速度；l为架空绝缘导线线长。

综合式(2)～(9)和表 2 中信息，可解得

0σ≈20.224 MPa，F1≈6 417.962 N，Q1=Q2≈113.58 N。因Q1远小于F1，故在仿真中忽略。

3.2 NXJ 型耐张线夹拉伸试验

利用万能材料测试机对某NXJ 型耐张线夹进行简单拉伸试验，测试机施加拉力随时间线性递增，配套JKLYJ 绝缘导线，以绝缘导线出现明显变形为试验终止条件，试验完成后绝缘导线表面如图2 和图3 所示。

图2 万能材料测试机固定侧导线表面

图3 NXJ 型耐张线夹楔块固定侧导线表面

图2 所示导线表面由测试机所附压块固定，无楔角，导线表面未见明显拉伸变形，绝缘层与铝芯之间未见明显错位；图3 所示导线表面由NXJ 型耐张线夹的楔块固定，在楔块前端进口处导线表面可见颈缩现象，导线绝缘层和线芯出现明显错位和滑移。拉伸试验表明，相同拉力条件下，绝缘导线可承受应力范围与金具固定导线的方式有关。

因导线两侧拉力相同，故提出假设：楔块弧槽侧应力分布不均，造成导线表面绝缘层部分区域超出最大可承受压强是NXJ型耐张线夹适配绝缘导线时的主要失效原因。

4 NXJ 型耐张线夹静力学分析

4.1 NXJ 型耐张线夹建模及材料设置

利用有限元软件对现有NXJ 型耐张线夹进行三维建模，如图4 所示。实际生产中为增加线夹主体机械强度，金具厂家多在主体外侧加筋，因加强筋对内测应力分布并不会造成太大影响但会加大增加仿真难度，故忽略外侧加强筋。同时，因在调研及试验中未发现NXJ 型耐张线夹挂杆出现问题，故挂杆未在模型中展示。

图4 NXJ 型耐张线夹三维模型

NXJ 型耐张线夹模型的部分材料参数如表3 所示[8]。因为绝缘导线绝缘层可承受压强范围较小，超出范围后绝缘层迅速非线性变形从而导致无法对其进行有效仿真，拉力仿真区间较短，不利于分析失效原因，故将普通钢棒作为配套导线进行仿真，鉴于实际生产中楔块内侧花纹具有的防滑功能，调整楔块与钢棒之间的静摩擦因数为0.18。铝合金与楔块之间的静摩擦因数设为0.24。

表3 NXJ 型耐张线夹三维模型材料参数表

4.2 边界条件设置

边界条件主要包括约束和荷载。本文仅涉及有限元静力学仿真，约束设为线夹两螺栓孔内侧固定约束(Fixed support)，限制所有自由度；荷载为力载荷(Force)，拉力荷载不变，改变楔块与线夹主体间荷载值以便对仿真结果进行观察分析。

设置安全系数λ=2.5，则NXJ 型耐张线夹设计握力，即拉力荷载Fdes应满足下式

根据《机械设计手册 第1 卷 常用设计资料》[14]，绝缘线用耐张线夹(剥皮)握力与绝缘导线计算拉断力之比不小于65%，即拉力荷载Fdes(NXJ 型耐张线夹不需要剥皮)应参考下式

综合式(10)、式(11)及表2 中相关信息，取

Fdes=16 039 N。

4.3 仿真结果及分析

通过有限元静力学仿真，得到NXJ 型耐张线夹楔块弧槽侧及对应导线表面的应力分布云图，如图5、6 所示。

图5 NXJ 型耐张线夹楔块弧槽侧应力分布云图

图6 导线表面应力分布云图

由图5、6 可知，仿真结果与拉伸试验结果基本一致，均在楔块弧槽侧进线口处出现应力过于集中的现象，造成导线对应表面部分区域应力值过高，与本文所提假设吻合，即NXJ 型耐张线夹楔形自锁结构本身具有一定缺陷。根据静摩擦力公式，当正压面积近似不变时，所需摩擦力越大，所施加的正压力应越大。因此，现有NXJ 型耐张线夹在适配绝缘导线时，由于绝缘层可承受应力值远小于普通铝导线，其握力性能出现断崖式滑坡，不再符合原有标准所规定的合理使用范围，从而造成检测合格的NXJ 型耐张线夹在使用过程中出现功能性失效的矛盾现象。

5 NXJ 型耐张线夹结构性优化

5.1 新型NXJ 型耐张线夹

尽管NXJ 型耐张线夹的结构特点使其在适配绝缘导线时可能失效，但由于其安装、拆卸简单，对导线绝缘层损伤较小等优点，该型耐张线夹依旧处于未淘汰金具行列。随着配电网安全性要求的不断提高，配电金具逐渐向无螺栓方向发展，而螺栓型耐张线夹与金具发展趋势不符。因此，通过改进NXJ 型耐张线夹结构，提高其适配绝缘导线时的握力性能极具应用价值。

对NXJ 型耐张线夹做结构性优化，首先考虑不打破楔形结构条件下的优化措施，优化重点在于改变楔块内侧应力分布情况，增加提供摩擦力的有效接触面积，提高握力性能的同时严格控制楔块对导线绝缘层的损伤。基于上述观点，提出新型NXJ 型耐张线夹，配套防尘盖，如图7、8 所示。

图7 新型NXJ 型耐张线夹结构示意图

图8 新型NXJ 型耐张线夹零件结构示意图

新型NXJ 型耐张线夹主要由线夹主体、连接杆、四个相同楔块、一个封口滑块和防尘盖组成，其主体材料不变，楔块材料采用高密度碳酸树脂(PC)，其弹性模量远高于高密度聚乙烯(HDPE)，力学性能更为优良。新型耐张线夹连接杆无螺栓，采用特殊结构(图9)固定，易安装和拆卸，避免出现螺栓松动。

图9 新型NXJ 型耐张线夹部分连接结构

5.2 新型NXJ 型耐张线夹有限元静力学仿真

新型NXJ 型耐张线夹因楔块数量较多，为避免非对称楔块所受应力值不同，该型线夹在安装时楔块与线夹主体的预紧力具有更高要求。为解决这一问题，多在线夹主体内侧进行标记，要求安装时楔块进入量达到标记值。因此对新型NXJ 型耐张线夹进行静力学仿真，重点观察其楔块应力分布的改善情况时，仿真步骤与第3 节中相比略有不同，采用同样拉力条件下，通过Tabular Data 等方式预先改变楔块与主体间预紧力来观察楔块弧槽侧应力分布情况。仿真结果如图10、11 所示。图10 左侧为楔块弧槽侧进线端。

图10 新型NXJ 型耐张线夹弧槽侧应力分布云图

图11 新型NXJ 型耐张线夹导线表面应力分布云图

比较图10 与图5、图11 与图6 可得，相同拉力条件下，新型NXJ型耐张线夹楔块所受应力更小、分布更加均匀，配套绝缘导线表面所受应力更小。

6 结论

本文首先介绍了NXJ 型耐张线夹服役过程中出现的功能性失效问题，并对该型线夹进行简单拉伸试验和有限元仿真，提出并证明功能性失效的主要原因，最终给出结构性优化方案，通过仿真证明，本文结构优化具有一定的效果。

NXJ 型耐张线夹失效原因主要如下。

(1) NXJ 型耐张线夹的楔形自锁结构存在缺陷。其楔块弧槽侧提供摩擦力的有效面积不符合设计预期，适配绝缘导线时握力性能滑坡严重。

(2) NXJ 型耐张线夹相关标准滞后，定义不明确，产品型号较为混乱。不带钢芯架空绝缘导线额定计算拉断力小于带钢芯的同类产品，若线夹明显部位无特殊说明，在质量检验和安装时可能会由于导线拉力超出设计值，线夹主体在尺寸、元素检测均合格的条件下发生断裂。

(3) NXJ 型耐张线夹现有检测方法存在漏洞。在检测时未配套绝缘导线，由于绝缘层与铝线所能承受应力值相差较远，检测机构仅能保证NXJ 型线夹在适配钢芯铝导线时合格，从而出现合格NXJ 型耐张线夹服役过程中依旧出现功能性失效。

新型NXJ 型耐张线夹结构优化表现主要有以下几点。

(1) 楔块弧槽侧应力集中现象得到明显改善，提供摩擦力的有效面积增加，握力性能瓶颈上升。

(2) 导线表面最大应力值得到改善，相较于原有型号下降约28%。

(3) 固定结构并未使用螺栓，避免螺栓松动引起的线路事故。