针对不同楔角和楔块材料的NXJ型耐张线夹和导线应力分布情况*

颜 涛 李 学 王云辉 陈 勇

(云南电网有限责任公司基建部 昆明 650500)

1 引言

线夹是架空电力线路中的重要金具，主要分为悬垂线夹和耐张线夹。悬垂线夹用于将导线或避雷线固定于直线杆塔上，或用于换位杆塔上支持换位导线或耐张、转角杆塔上固定跳线，工况较为简单，因此一般较为可靠。耐张线夹用于将导线或避雷线固定于非直线杆塔的耐张绝缘子上，起锚固作用，也可以用来固定拉线杆塔的拉线[1-4]。

楔型绝缘耐张线夹作为耐张线夹的一种，由于其节能降耗、方便装拆、可重复多次使用并且性能稳定，近年来被大量应用于10 kV线路中。但一些线路由于楔型绝缘耐张线夹的安装不当或导线自身原因，常常发生导线脱落的故障，严重影响电网的安全运行[5-7]。文献[8]针对500 kV架空线路线夹运行温度过高引起的线夹脱断事故，研究了电接触最高温度与接触压力的关系。文献[9]和文献[10]均介绍了耐张线夹在不同工作环境中的应用。

在楔型耐张线夹的设计中，通常会重点考虑楔角和楔块材料对导线受力的影响。改变楔角大小和楔块材料会得到不同的应力分布结果，这些数据会影响楔型耐张线夹的力学性能，但现有研究缺乏这方面的探讨，故有必要研究局部结构的改变对楔型耐张线夹力学性能的改变，为优化方案提出参考。本文以NXJ型耐张线夹为例，研究楔角和楔块材料改变时线夹和导线的应力分布情况。

2 NXJ型耐张线夹的结构特点和常见运行故障

2.1 NXJ型耐张线夹的结构

文章以NXJ型耐张线夹为例，主要由线夹本体和楔块组成，图1为其结构示意图。

图1 NXJ型耐张线夹结构示意图

如图1所示，将导线放入线夹楔块中，内楔块的劈力会使楔块和导线同时沿线夹壁向前滑移，线夹逐渐锁紧导线，达到固定导线的目的。NXJ型耐张线夹在安装时，先将导线固定在楔块槽内，再一起插入线夹本体中，随着楔块导线的移动实现固定功能。需要注意的是，NXJ型耐张线夹在安装时，导线一般不剥去绝缘层。

2.2 楔型耐张线夹的特点

(1) 楔型耐张线夹大大减小了对导线的振动伤害。与悬垂线夹相比，当线夹处的导线受到微风吹拂时，楔型线夹消除了悬垂线夹与微风振动的动态应力相同方向的弯曲应力和重量引起的压应力，同时，楔型线夹紧紧夹住导线引起导线的压应力，在导线周围均匀分布，每股导线的受力相同，大大减小了振动时线夹对导线的伤害[11]。

(2) 抗氧化性能和绝缘性能好。目前，10 kV线路中楔形绝缘耐张线夹应用较为广泛，由于楔型线夹的线夹本体常由高强度的铝合金制造而成，具有很好的抗氧化性能，且在使用过程中没有磁滞损耗，具有良好的绝缘性能，节能降耗[12]。

(3) 结构简单，便于安装拆卸。楔型耐张线夹的工作原理即借助楔块的劈力，使导线在滑移过程中可自动调节到最紧固的状态。其简洁的结构设计使得楔型耐张线夹十分便于安装和拆卸，且对导线的损伤最小。同时，这种与导线完全分离的简洁设计可以使楔型线夹得到重复使用，有效提高了线夹的使用寿命和线路的施工效率。

楔型耐张线夹在使用较长时间后，楔芯因热胀冷缩、导线绝缘层老化等原因易发生滑线事故，合理的楔型线夹设计关系到电网运行的安全。

2.3 楔型线夹的常见运行故障

随着城市配电线路的飞速发展，NXJ型耐张线夹逐渐暴露出它在架空线路运行中的缺陷，包括耐张线夹零件变形或外壳破裂、型号误用和安装失误、线夹发热等，这些都会直接或间接地导致线夹握力不足，造成楔块与导线间摩擦力不足或线夹和导线应力分布不均匀，在某一点产生较大的应力集中，最终导致导线断裂或脱落[13-15]。例如天气炎热时，导线绝缘层软化使得楔块握力减小，或者由于安装方式不科学造成的楔块握力不足，最终都会导致楔块摩擦力降低，导线脱落[13-15]。

3 局部结构改变后楔型耐张线夹和导线的应力分布情况

利用有限元软件建立NXJ型耐张线夹的三维模型，如图2所示。调研中未发现线夹挂杆出现问题，故不在模型中展出。同时实际生产中，厂家多在线夹主体外侧加筋以提高线夹的力学强度，这会极大增加仿真的难度，故简化模型。

图2 NXJ型耐张线夹模型

对楔型耐张线夹的楔角和楔块材料做出改变，探究不同楔角和材料的情况下耐张线夹和导线的应力分布有何变化，为之后的优化提供参考。

3.1 调整楔型耐张线夹局部结构数值

模型在保留实物原有参数的基础上，对楔型耐张线夹的楔角和楔块材料做出了改变，改变情况如下。

(1) 改变楔角。所用楔型耐张线夹实物楔角为4.41°，本次仿真中，楔角大小添加3.41°、4.9°和5.41°三个档次。

(2) 改变楔块材料。所用楔型耐张线夹实物楔块材料为高密度聚乙烯，本次仿真中，楔块材料添加ABS塑料、交联聚乙烯和铝合金。

3.2 改变楔角大小线夹和导线应力分布情况

通过有限元静力学仿真，得到3.41°、4.41°、4.9°和5.41°NXJ型耐张线夹楔块弧槽侧应力分布云图和对应导线表面应力分布云图，如图3～10所示。

图3 3.41°NXJ型耐张线夹楔块弧槽侧应力分布云图

图4 4.41°NXJ型耐张线夹楔块弧槽侧应力分布云图

图5 4.9°NXJ型耐张线夹楔块弧槽侧应力分布云图

图6 5.41°NXJ型耐张线夹楔块弧槽侧应力分布云图

图7 3.41°NXJ型耐张线夹对应导线表面应力分布云图

图8 4.41°NXJ型耐张线夹对应导线表面应力分布云图

图9 4.9°NXJ型耐张线夹对应导线表面应力分布云图

图10 5.41°NXJ型耐张线夹对应导线表面应力分布云图

理想状态下，楔形耐张线夹和导线在保证线夹握力充足的情况下，线夹和导线应力应该是比较均匀的，不会出现应力过为集中的现象。由图3～10可知，这4种楔角的楔型耐张线夹均在线夹中部出现应力过于集中的现象，导线表面对应的位置应力值也较为集中。表1为不同楔角下耐张线夹和导线的应力分布均匀情况。

表1 不同楔角下耐张线夹和导线的应力分布均匀情况

对比可得，楔角为4.9°时，楔型耐张线夹楔块弧槽侧应力分布最均匀，但数值较小，可能出现线夹握力不足的问题。且其对应导线的应力分布极不均匀，且数值较大，在经过一段时间的实际运行后，可能会发生导线脱落的故障。楔角为4.41°时，楔型耐张线夹楔块弧槽侧应力分布在中部，虽然数值较3.41°和5.41°的小，但握力已达到导线需要的标准，对应导线应力分布也最均匀，固定导线的同时对导线绝缘层损伤最小。

3.3 改变楔块材料线夹和导线应力分布情况

通过有限元静力学仿真，得到楔块材料不同时NXJ型耐张线夹楔块弧槽侧应力分布云图和对应导线表面应力分布云图，如图11～18所示。

图11 高密度聚乙烯楔块弧槽侧应力分布云图

图12 铝合金楔块弧槽侧应力分布云图

图13 ABS塑料楔块弧槽侧应力分布云图

图14 交联聚乙烯楔块弧槽侧应力分布云图

图15 高密度聚乙烯楔块对应导线表面应力分布云图

图16 铝合金楔块对应导线表面应力分布云图

图17 ABS塑料楔块对应导线表面应力分布云图

图18 交联聚乙烯楔块对应导线表面应力分布云图

由图11～18可知，在这四种材料下，楔型耐张线夹均在线夹中部出现应力过于集中的现象，导线也在相应位置的应力较为集中。表2为不同楔块材料下耐张线夹和导线的应力分布均匀情况。

表2 不同楔块材料下耐张线夹和导线的应力分布均匀情况

对比可得，当楔块材料为铝合金时，楔块弧槽侧应力和导线受力大大减小，但由于NXJ型耐张线夹安装时，导线不剥皮，在实际运行中导线的振动或绝缘层热老化的现象会使金属易对导线绝缘层造成损伤。且在仿真结果图中可以看出，相较于其他材料，铝合金楔块对应的导线易在某一点集中受力，故NXJ型耐张线夹不宜采用铝合金楔块。与交联聚乙烯楔块相比，高密度聚乙烯楔块和ABS塑料楔块的应力分布较均匀，虽然数值较小，但是已达到导线需要的标准，性能更优越，其中ABS塑料楔块对应的导线应力分布更加均匀。

4 结论

本文首先给出了NXJ型耐张线夹的结构和安装特点，以及实际使用中NXJ型耐张线夹易出现的故障，探究了改变NXJ型耐张线夹局部结构参数对线夹力学强度的影响，主要得出以下结论。

(1) 综合考虑线夹本体应力分布和导线应力分布，耐张线夹楔角呈现出一个最优值的趋势，楔角过大或过小都会造成线夹本体和导线应力过于集中的现象。

(2) 采用金属楔块时，线夹本体和导线受力较小，但考虑到NXJ型耐张线夹安装时不需要剥皮，较硬的金属会对导线绝缘层造成损伤，故实际使用中依旧选择塑料楔块，楔块材料不同，耐张线夹的力学强度会有较大差异。

(3) 可通过添加更多约束条件，寻找NXJ型耐张线夹楔角的最优值。从本次仿真中得出4.41°楔角的耐张线夹力学性能已较为优秀，但在实际使用中，这种耐张线夹依旧容易出现导线断裂脱落的事故，可通过优化楔角角度来减少此类事故的发生。

(4) 寻找可作为楔块的新型材料代替现有材料，应具有更好的抗氧化性能和抗热性，降低对楔型耐张线夹对导线绝缘层的损坏，同时还要对导线具有较强的摩擦力，减少导线脱落的事故。

(5) 本文只研究了楔型耐张线夹和导线的初始应力分布，运行中应力分布如何变化，运行后导线及线夹发生振动、老化、腐蚀等情况应力如何分布，需要进一步研究。