耐張線夾失效過(guò)程和傳力特性

朱登杰，趙林杰，李昊，廖永力，唐捷，黃志都，李銳海

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663；2. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，南寧530013)

0 引言

耐張線夾用于將輸電線路導(dǎo)線或避雷線固定在非直線桿塔的絕緣子串上[1 - 3]，起著將導(dǎo)地線錨固在耐張塔上的作用[4 - 6]。壓縮性耐張線夾是目前應(yīng)用最為廣泛的一種耐張線夾，其工作原理是通過(guò)液壓機(jī)使導(dǎo)線與耐張線夾發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生摩擦力，進(jìn)而達(dá)到固定導(dǎo)線的作用[6 - 9]。在耐張線夾的安裝過(guò)程中，需要在高空進(jìn)行多處壓接，不僅安裝難度大，也難以保證壓接質(zhì)量，壓接不良會(huì)導(dǎo)致防滑槽漏壓、鋁線散股和芯線未壓接等缺陷[10 - 12]。不同的壓接缺陷會(huì)造成不同的失效形式，導(dǎo)線與線夾發(fā)生滑移是常見(jiàn)的一種失效形式。

馬恒[13]等基于有限元分析軟件，以彈塑性變形理論為基礎(chǔ)，對(duì)比分析了壓接模型鋼芯應(yīng)力和應(yīng)變的變化特征。牛海軍[14]等針對(duì)大截面鋁合金芯鋁型線絞線，設(shè)計(jì)了兩種配套耐張線夾，并完成了兩種耐張線夾、多種壓縮比方案的比較研究。王云輝[15]等發(fā)現(xiàn)了線夾楔塊弧槽側(cè)應(yīng)力的過(guò)于集中是導(dǎo)致NXJ型耐張線夾失效的重要原因，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。龐鍇[16]等研究發(fā)現(xiàn)耐張線夾的握力主要來(lái)自于鋼錨與鋼芯的壓接，NY-300/40型線夾的破壞模式發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)鋼芯與鋼錨間的臨界壓接長(zhǎng)度在 50～60 mm。周立憲[17]等針對(duì)大截面導(dǎo)線用耐張線夾結(jié)構(gòu)型式、材料屬性及壓接工藝，研究了耐張線夾壓接后鋁管與鋼錨壓接區(qū)域縫隙形成機(jī)理。陳瑜[18]等通過(guò)基于應(yīng)變測(cè)量法的導(dǎo)線壓接握著力試驗(yàn)，壓接規(guī)程中提出的壓接時(shí)鋼壓接管系統(tǒng)額定工作壓力不低于80 MPa，鋁壓接管系統(tǒng)額定工作壓力不低于63 MPa是可行的，壓接保持時(shí)間對(duì)拉斷力的影響不顯著。當(dāng)前階段對(duì)耐張線夾事故分析的方法主要有宏觀檢查、掃描電鏡與能譜分析、顯微組織觀察和材質(zhì)分析等方法[19]，而從結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的角度對(duì)事故線夾進(jìn)行分析的方法研究較少。

本文將針對(duì)NY400-35型耐張線夾，對(duì)正常、穿管長(zhǎng)度不足以及僅壓接鋁管的3種耐張線夾進(jìn)行握力試驗(yàn)，通過(guò)觀察其失效形式，對(duì)耐張線夾失效過(guò)程進(jìn)行研究；通過(guò)分析試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變-載荷曲線，研究耐張線夾的傳力特性。

1 耐張線夾壓接缺陷分析

耐張線夾分為鋼錨和鋁管兩部分，在壓接時(shí)先將導(dǎo)線的鋁股剝掉一定的長(zhǎng)度，露出鋼芯，將鋼芯插入鋼錨內(nèi)，使用液壓機(jī)配合模具將鋼芯與鋼錨壓接在一起，隨后將鋁管一側(cè)對(duì)準(zhǔn)鋼錨防滑槽進(jìn)行壓接，最后將導(dǎo)線和鋁管另一端進(jìn)行壓接，如圖1所示。

圖1 耐張線夾壓接過(guò)程Fig.1 Crimping process of strain clamp

由于壓接過(guò)程繁瑣，施工現(xiàn)場(chǎng)的條件有限以及壓接人員的操作因素的影響，常常會(huì)產(chǎn)生壓接缺陷。較為常見(jiàn)的壓接缺陷有：鋼芯未插入鋼錨穿管底部，會(huì)出現(xiàn)穿管長(zhǎng)度不足，壓接面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致壓接產(chǎn)生的摩擦力減小，耐張線夾握力降低；壓接后對(duì)邊距超標(biāo)(過(guò)大)是由壓接壓力不足導(dǎo)致的，壓接壓力不足也會(huì)導(dǎo)致摩擦力減小，從而降低線夾的握力；此外，由于其他因素導(dǎo)致壓接位置存在偏差、彎曲度超標(biāo)和剝線長(zhǎng)度超標(biāo)等缺陷，都會(huì)影響耐張線夾的壓接質(zhì)量，降低耐張線夾的握力，如表1所示。耐張線夾握力不足，則會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)線與線夾發(fā)生滑移或脫離，從而威脅整條輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 主要壓接缺陷種類(lèi)Tab.1 Types of main crimping defects

2 試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量方案

在上述所提到的壓接缺陷中，穿管長(zhǎng)度不足是耐張線夾常見(jiàn)的壓接缺陷，為了研究存在穿管長(zhǎng)度不足時(shí)耐張線夾的失效型式以及傳力特性，本文根據(jù)《電力金具試驗(yàn)方法 第1部分：機(jī)械試驗(yàn)》(GB/T2317.1—2008)[20]，選取JL/G1A 400/35導(dǎo)線與NY-400/35耐張線夾，對(duì)3種壓接情況對(duì)應(yīng)的耐張線夾進(jìn)行了握力試驗(yàn)：1)正常壓接(無(wú)缺陷)耐張線夾，編號(hào)為A-1，用于作對(duì)比試驗(yàn)；2)僅壓接鋁管不壓接鋼芯，編號(hào)為A-2，同樣是用于作對(duì)比試驗(yàn)；3)穿管長(zhǎng)度不足編號(hào)為A-3，為研究目標(biāo)耐張線夾，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為100 mm，本文穿管長(zhǎng)度取50 mm。

導(dǎo)線段的兩端各壓接一個(gè)耐張線夾，然后將試件安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上(如圖2(a))，采用粘貼應(yīng)變片的方式測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)(如圖2(b)所示)，每個(gè)試件粘貼3個(gè)應(yīng)變片，粘貼位置如圖2(c)所示，其中，應(yīng)變片1測(cè)量鋁管與鋼錨壓接位置中間的鋁管表面的應(yīng)變，應(yīng)變片2測(cè)量管與導(dǎo)線壓接位置中間的鋁管表面的應(yīng)變，應(yīng)變片3測(cè)量導(dǎo)線鋁股的應(yīng)變。為了對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行更好的控制，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)該制定加載制度，加載以20%額定拉斷力(rated tensile strength, RTS)(20.74 kN)、50%RTS(51.85 kN)、75%RTS(77.78 kN)、100%RTS(103.70 kN)和125%RTS(129.63 kN)為載荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載，試驗(yàn)時(shí)從載荷從0加載至125%RTS，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的加載時(shí)間為2 min，加載至一個(gè)節(jié)點(diǎn)維持載荷不變1 min。

圖2 耐張線夾壓接過(guò)程試驗(yàn)設(shè)備與量測(cè)方案Fig.2 Test equipment and measurement scheme for crimping process of strain clamp

3 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

如圖3所示，試件A-1(無(wú)缺陷耐張線夾)在加載過(guò)程中無(wú)明顯現(xiàn)象，達(dá)到極限載荷后，線夾與導(dǎo)線突然發(fā)生滑移，并伴隨一聲巨響，線夾外部無(wú)明顯損傷，導(dǎo)線也沒(méi)有松股，在線夾出口處產(chǎn)生滑移為22.96 mm。如圖4所示，試件A-2(僅壓接鋁管)在加載過(guò)程中在鋁管非壓區(qū)緩慢發(fā)生明顯的伸長(zhǎng)，表面越來(lái)越粗糙，隨后發(fā)生頸縮，最后發(fā)生突然斷裂，產(chǎn)生一聲較大響聲；試件A-3(穿管長(zhǎng)度不足)在加載過(guò)程中其鋁管變形與試件A-2相似，即鋁管非壓區(qū)先頸縮后斷裂，因此在工程實(shí)際中，若鋁管非壓區(qū)失效型式與上述情況相同，可能是耐張線夾存在穿管長(zhǎng)度不足缺陷。

圖3 A-1試件產(chǎn)生滑移Fig.3 A-1 slip of test piece

圖4 A-2(上)與A-3(下)試件失效形式Fig.4 Failure forms of test pieces A-2 (upper) and A-3 (lower)

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，耐張線夾的握力值不應(yīng)小于導(dǎo)線額定拉斷力的95%[12]，本文所選取的JL/G1A 400/35導(dǎo)線的RTS為103.7 kN，A-1、A-2和A-3失效時(shí)的載荷分別占RTS比例為103.5%、81.7%和95.9%，可見(jiàn)：標(biāo)準(zhǔn)試件A-1符合規(guī)范的規(guī)定，試件A-2的鋁管的極限承載力占導(dǎo)線額定拉斷力80%左右，試件A-3的握力很接近95%RTS，這是因?yàn)殇撔緩匿撳^中脫出之前也承擔(dān)了一部分載荷。

4 耐張線夾失效過(guò)程和傳力路線分析

4.1 耐張線夾失效過(guò)程分析

為了研究耐張線夾結(jié)構(gòu)的失效型式，本文首先繪制了3個(gè)試件的載荷-位移圖，如圖5所示。

圖5 試件載荷-位移曲線Fig.5 Load displacement curve of specimens

從圖5可看出：1)試件A-1與試件A-2隨著載荷的增加，位移逐漸增大，且它們的剛度也逐漸下降，但相同位移時(shí)試件A-2所能承受的載荷小于試件A-1，這是因?yàn)樵嚰嗀-2中導(dǎo)線所有的壓力皆由鋁管承擔(dān)，而鋁管的剛度勢(shì)必小于鋁管和鋼芯的組合剛度；2)試件A-3在加載初期其載荷-位移曲線與試件A-1基本重合，說(shuō)明此時(shí)導(dǎo)線張力由鋁管與鋼芯共同承擔(dān)，而后試件A-3的曲線斜率明顯小于試件A-1，這說(shuō)明了鋼芯與穿管發(fā)生滑移，當(dāng)鋼芯完全從穿管抽出時(shí)，鋁管承受全部導(dǎo)線張力(此時(shí)的張力大于試件A-2的極限承載載荷)迅速伸長(zhǎng)并斷裂。

根據(jù)前述可見(jiàn)，穿管長(zhǎng)度不足導(dǎo)致鋼芯與鋼錨穿管接觸面積減小，握著力降低，致使鋼芯從鋼錨穿管抽出，從而將導(dǎo)線張力全部由鋁管承擔(dān)，最后由于鋁管強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂。

4.2 耐張線夾傳力路線分析

目前的研究主要是通過(guò)握力實(shí)驗(yàn)測(cè)量線夾握力判斷線夾壓接質(zhì)量是否合格，為了深入研究耐張線夾受力過(guò)程中以及載荷傳遞方式，本文繪制了3個(gè)試件的應(yīng)變-載荷曲線，如圖6所示，載荷路徑如圖7所示。從圖中可知：

圖6 載荷-應(yīng)變曲線Fig.6 Load strain curve

圖7 載荷路徑圖Fig.7 Load path diagram

1)對(duì)于鋼錨防滑槽與鋁管壓接區(qū)域，認(rèn)為鋁管與鋼錨的變形是一致的(不發(fā)生滑移)。如圖7(b)所示為鋼錨防滑槽與鋁管壓接區(qū)域，圖中T為導(dǎo)線張力，F(xiàn)L為鋁管所承受的載荷，F(xiàn)GX為鋼芯承受的載荷，F(xiàn)r壓接區(qū)域的靜摩擦力(剪力)。以鋼錨為研究對(duì)象，根據(jù)受力平衡可知：

T=FGX+Fr

(1)

以圖7(b)整體為研究對(duì)象，有

T=FGX+FL

(2)

由式(1)與式(2)可得

Fr=FL

(3)

在鋁管變形時(shí)(虎克定律)，測(cè)點(diǎn)一處的應(yīng)力大小為

σ=εEL

(4)

式(4)中EL為鋁管彈性模量?？梢?jiàn)當(dāng)測(cè)點(diǎn)一處的應(yīng)變?chǔ)旁酱?，σ越大，意味著在該處的鋁管橫截面所受的載荷越大，即有FL越大。那么鋼芯所承受的載荷(FGX=T-FL)則越小。由圖6(a)可知，各試件的最大應(yīng)變?yōu)锳-3>A-1，即在該處鋁管承受的應(yīng)力或載荷為A-3>A-1，說(shuō)明了當(dāng)存在穿管長(zhǎng)度不足缺陷時(shí)會(huì)增大鋁管所承受的載荷，約增大44.5%。

2)從圖6(a)和圖6(b)，試件A-2在測(cè)點(diǎn)一和2的變形大于試件A-1，說(shuō)明了無(wú)缺陷的耐張線夾中鋼芯和鋁管同時(shí)承受導(dǎo)線張力。

3)在測(cè)點(diǎn)二處，如圖7(c)所示，F(xiàn)′r壓鋁管與導(dǎo)線鋁股之間的摩擦力，F(xiàn)D為導(dǎo)線鋁股所承受的載荷，F(xiàn)GXZ為導(dǎo)線鋼芯左端所承受的載荷。假設(shè)鋁管與導(dǎo)線鋁股之間的摩擦力F′r為靜摩擦，則以鋁管為研究對(duì)象可有F′r=FL，在(1)中可知，F(xiàn)LA-3>FLA-1，則有F′r≥F′rA-3>F′rA-1，但從圖6(b)可知，試件A-1的應(yīng)變大于試件A-3，可見(jiàn)實(shí)際上F′rA-3

4)對(duì)比圖6(a)和圖6(b)，3種試件在測(cè)點(diǎn)一處的應(yīng)變皆大于測(cè)點(diǎn)二的應(yīng)變，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)一處截面的組合剛度大于測(cè)點(diǎn)二處截面的組合剛度；另外，試件A-1的在測(cè)點(diǎn)一和測(cè)點(diǎn)二的應(yīng)變較為接近，而試件A-3在測(cè)點(diǎn)一的應(yīng)變顯著大于測(cè)點(diǎn)二處的應(yīng)變，即正常耐張線夾防滑槽壓接區(qū)與鋁管壓接區(qū)的鋁管變形基本相同，而存在穿管長(zhǎng)度不足的耐張線夾防滑槽壓接區(qū)的鋁管變形顯著大于鋁管壓接區(qū)。

綜上可知，耐張線夾在承擔(dān)載荷過(guò)程中，有兩條路徑進(jìn)行力的傳遞，一條是鋼錨-鋁管-導(dǎo)線鋁股，另一條路徑是鋼錨-導(dǎo)線鋼芯。

4.3 導(dǎo)線變形分析

如圖8所示為3個(gè)試件的導(dǎo)線股線上的應(yīng)變載荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線股線的變形過(guò)程可以分為3個(gè)階段，第一階段應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，股線處于壓縮狀態(tài)，這是由于試件中導(dǎo)線在自然狀態(tài)下是彎曲的，部分股線受拉，而有部分股線會(huì)受到壓縮，造成應(yīng)變數(shù)值出現(xiàn)負(fù)值。第二階段是線性增加階段，隨著載荷的增加，導(dǎo)線所有股線都會(huì)變成受拉狀態(tài)，股線處于線性變形狀態(tài)，直至線夾發(fā)生失效。

圖8 測(cè)點(diǎn)3處的載荷-應(yīng)變曲線Fig.8 Load strain curves at measuring point 3

5 結(jié)論

本文對(duì)液壓型耐張線夾試件進(jìn)行了握力試驗(yàn)，分析了位移與應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了耐張線夾傳力特性與失效過(guò)程，得到以下結(jié)論。

1)無(wú)缺陷的耐張線夾中鋼芯和鋁管同時(shí)承受導(dǎo)線張力，且耐張線夾在承擔(dān)載荷過(guò)程中：有兩條路徑進(jìn)行力的傳遞，一條是鋼錨-鋁管-導(dǎo)線鋁股，另一條路徑是鋼錨-導(dǎo)線鋼芯。

2)通過(guò)載荷-應(yīng)變曲線可判定，當(dāng)存在穿管長(zhǎng)度不足時(shí)會(huì)增大鋁管所承受的載荷，約增大44.5%，即該類(lèi)缺陷改變了耐張線夾內(nèi)部的傳力性質(zhì)，導(dǎo)致鋼錨-鋁管-導(dǎo)線鋁股路徑所承受的載荷增大。

3)試件A-2(僅壓接鋁管)的握力值為1.7%RTS小于規(guī)范要求(95%RTS)，試件A-1(正常線夾)的握力值103.5%RTS大于規(guī)范要求，而試件A-3(穿管長(zhǎng)度不足)的握力值為95.9%RTS極為接近規(guī)范值(大于)，因此，當(dāng)穿管長(zhǎng)度大于50 mm時(shí)，耐張線夾握力值滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4)在工程實(shí)際中，如果發(fā)生鋁管非壓區(qū)先頸縮后斷裂失效形式，一般是由耐張線夾穿管長(zhǎng)度不足導(dǎo)致；穿管長(zhǎng)度不足導(dǎo)致鋼芯與鋼錨穿管接觸面積減小，握著力降低，致使鋼芯從鋼錨穿管抽出，導(dǎo)致導(dǎo)線張力全部由鋁管承擔(dān)，最后由于鋁管強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂。