输电线路耐张线夹的结构优化

输电线路耐张线夹的结构优化
董芝春;何凤生;张春雷
【摘要】针对输电线路现行耐张线夹容易出现过热现象的问题,设计了一种新型耐张线夹,引流板与引流线夹之间采用双板-单板的连接方式,通过增大接触面积来改善耐张线夹的电气性能.利用有限元分析软件,对新型耐张线夹与现行耐张线夹进行理想工况和异常工况下的温度场仿真分析和对比,得到结果:现行耐张线夹在接触电阻变大的情况下容易过热;新型耐张线夹可以有效避免因安装因素或螺栓松动造成的接触电阻快速增大的问题,散热性能明显优于现行耐张线夹.对比结果说明新型耐张线夹具有较好的散热性能,可解决过热问题.
【期刊名称】《广东电力》
【年(卷),期】2013(026)012
【总页数】4页(P60-63)
【关键词】输电线路;耐张线夹;过热;有限元
【作者】董芝春;何凤生;张春雷
【作者单位】广东电网公司中山供电局,广东中山528400;广东电网公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网公司电力科学研究院,广东广州510080
【正文语种】中文
【中图分类】TM752
耐张线夹是用于固定导线，以承受导线张力，并将导线挂至耐张串组或杆塔上的
金具。

压缩型耐张线夹除承受导线或避雷线的全部拉力外，还作为导电体，是输电线路中不可或缺的重要元件，对高压输电线路的安全、稳定运行具有重要的作用［1－5］。

目前线路上使用的压缩型耐张线夹按结构型式可分为弯管型、冲锋枪
型和锄头把型3种［6］；根据连接方式的不同，通常有螺栓式、液压式、爆压式和楔式等类型［7］。

无论哪种型式，引流板与引流线夹间的连接方式均为单板－单板结构。

采用单板－单板结构的耐张线夹，在实际运行中常常出现因引流板温度较高而导致发烫、烧红甚至熔断的现象，给线路的安全运行带来严重的危害［8］。

因此，研究耐张线夹在运行过程中的过热问题，改进现行耐张线夹的整体结构，对线路运行的可靠性和安全性具有现实的意义。

本文通过分析导致耐张线夹过热的因素，介绍一种改进、优化后的新型耐张线夹，采用经过二次开发的有限元数值计算方法，并应用具有强大的实体造型、解算、数据分析和后处理功能的软件及工作站，对新型耐张线夹和现行耐张线夹进行三维温度场的电热耦合仿真计算分析，为耐张线夹的优化提供理论依据，同时进行试验比对，验证新型耐张线夹的电气性能。

1 耐张线夹过热分析
在运行、使用过程中，耐张线夹会由于制造、安装工艺质量问题或材料老化、腐蚀等原因而发生故障甚至破坏失效，比如钢锚断裂［9－10］、引流板焊缝开裂［5］、耐张线夹过热［11］甚至烧熔等，其中耐张线夹过热故障的概率较高。

耐张线夹大致可分为两类：一是耐张线夹承受导线或避雷线的全部拉力，但不作为导电体；二是耐张线夹除承受导线或避雷线的全部拉力外，还作为导电体［1］。

本文探讨的压缩型耐张线夹属于第二类。

在工作状态下，电流从导线流经耐张线夹的铝管、引流板和引流线夹，因此耐张线夹的这三部分皆受到电流的热效应而发热，过热部位通常是引流板与引流线夹的接触位置，主要因接触电阻增大所致。

在正常工况下，输电线路耐张线夹的接触电阻较小，引起接触电阻增大的原因有：
a）施工不严格，如未涂导电复合脂、螺栓预紧力矩不足、未安装弹簧垫圈、接触面处理不当等。

b）紧固件松动。

因弹簧垫圈质量低劣，气候变化使接触面上的引流板铝制件、螺栓钢制件两种不同材质产生膨胀效应，以及风振、导线振荡等原因导致螺母松动，以致紧固力不足，实际电气接触面积减小，接触电阻增大。

c）金属蠕变。

蠕变使接触压力降低，增大接触电阻。

d）接触面氧化。

耐张线夹暴露于空气中，长期受到日晒雨淋、风尘结露以及化学活性气体的腐蚀，造成接触面氧化，导致接触电阻变大，使温度升高，温升又致氧化和蠕变加剧，引起恶性循环。

通过分析研究，笔者设计了一种新型耐张线夹，通过结构优化较好地解决了上述因素导致接触电阻增大的问题。

2 新型耐张线夹的结构设计
新型耐张线夹的结构如图1所示，引流板与引流线夹之间的连接方式为双板－单板结构，因引流板已经不承受太大的张力，设计时主要考虑电气性能的要求。

音叉型引流板具有2个电气接触面，在保证加工质量的前提下，通过增大接触面积来改善电气性能。

引流板与铝管之间采用氩弧焊接，焊接点位于铝管后端。

图1 新型耐张线夹的结构
在引流线夹的安装紧固过程中，若施工人员操作随意，对安装工艺要求模糊或因体力状况不同导致施加的力矩不一，都会造成螺栓紧固扭力矩未达到标准值而使接触电阻较大。

为此引流板和引流线夹的紧固件用剪切螺栓代替普通螺栓，无需力矩扳手就能达到预定力矩值和轴向夹紧力，不仅方便安装，也减小了人为因素导致未达到预期力矩值的可能性。

由于新型耐张线夹的引流板和引流线夹是平面配合，引流板中间为槽，在槽的底部设置一个弧形孔，可以降低接触面板的刚度，在螺栓紧固时使引流板与引流线夹接
触更加良好，运行时可以有效降低引流板处的温度。

3 耐张线夹的有限元分析
利用有限元分析软件研究新型耐张线夹在运行过程中的发热问题及温度场分布，并与现行耐张线夹进行对比分析。

本文分别研究新型耐张线夹和现行耐张线夹在正常、异常工况下，当经济电流为300 A，环境温度为70 ℃、80 ℃、90 ℃，额定载流量为503 A、628 A、728 A 时的温度场分布。

其中正常工况指引流板与引流线夹完全贴合，两者之间的接触电阻为零；异常工况指因螺栓松动导致引流板与引流线夹之间的接触电阻变大。

新型耐张线夹的型号为NY－300－40Y 型，双板接触；
现行耐张线夹的型号为NY－300／40型，单板接触。

3.1 计算模型
新型耐张线夹和现行耐张线夹的计算模型如图2所示。

图2 耐张线夹的计算模型
3.2 稳态温度场计算
设环境温度为20 ℃，综合考虑热传导和热对流，并结合材料物性参数对新型耐张线夹和现行耐张线夹进行温度场计算。

表1为耐张线夹整体的稳态温度场计算结果，表2为引流板的稳态温度场计算结果，异常工况时引流板与引流线夹之间的
接触电阻率为5.66×10－5 Ω·m。

表1 耐张线夹整体的稳态温度场计算结果最高温度／℃耐张线夹载流量／A正常
工况异常工况现行300 25.5 26.6 503 35.4 38.4 628 44.0 48.7 728 52.2 58.6
新型300 27.2 27.2 503 40.3 40.4 628 51.6 51.8 728 62.5 62.7
表2 耐张线夹引流板的稳态温度场计算结果耐张线夹载流量／A 最高温度／℃正
常工况异常工况现行300 25.0 26.5 503 34.2 38.3 628 42.1 48.5 728 49.7 58.3新型300 25.6 25.7 503 35.7 36.0 628 44.4 44.9 728 52.8 53.4
从表1—表2以及试验所得的温度场分布情况可以得出：
a）在正常工况下，现行耐张线夹的最高温度出现于铝管和引流线夹引流管的出口端，且两处温度相近；新型耐张线夹的最高温度出现于铝管出口端，而引流线夹引流管的温度较低。

b）在异常工况下，现行耐张线夹在引流线夹的引流管出口端温度最高，且相比正常工况时温度增值明显，随着载流量的增大，温度增值更为显著；新型耐张线夹仍在铝管出口端处温度最高，但相比正常工况时温度增值不明显，随着载流量的增大，温度增值变化不大。

c）在异常工况时，对于不同的载流量，现行耐张线夹引流板处的温度相比正常工
况时增值显著，而新型耐张线夹则变化不大。

4 耐张线夹的比对试验与分析
依据DL／T757—2009《耐张线夹》［6］、GB／T 2317.3—2008《电力金具试验方法第3部分：热循环试验》［12］，对新型耐张线夹和现行耐张线夹进行正常工况（螺栓力矩达到标准值）和异常工况（螺栓完全松动）下的直流电阻、温升比对试验。

选取检验合格的现行耐张线夹和新型耐张线夹，分别将其压接在未经使用的JL／G1A－300／40型钢芯铝绞线两端，再用压接好的引流线夹安装在引流
板上，依据标准［13］选取两类线夹各2套试样进行试验。

4.1 直流电阻比对试验
对现行耐张线夹和新型耐张线夹的引流板和引流线夹进行螺栓紧固时，正常工况下施加力矩80 N·m，异常工况下不施加力矩，采用直流电压法测试。

测试结果：正常工况下，现行耐张线夹和新型耐张线夹的直流电阻分别为
36.86μΩ 和34.12 μΩ；异常工况下，现行耐张线夹和新型耐张线夹的直流电阻分别为100.18μΩ 和59.43μΩ。

比对结果：正常工况下，现行耐张线夹和新型耐张线夹的直流电阻均达标；新型耐张线夹在异常工况下的直流电阻较正常工况下增幅65%，但仍合格；现行耐张线
夹在异常工况下的直流电阻较正常工况下增幅172%，超过了标准值（78.31μΩ）。

4.2 温升比对试验
将试样接入大电流试验系统，分别在正常工况和异常工况下进行温升试验，热电阻测温头捆绑在线夹的铝管和引流板处，试验数据见表3。

表3 温升比对试验数据温度／℃耐张线夹测试部位正常工况异常工况46.7 53.8
引流板铝管现行46.7 79.0 41.8 47.0引流板铝管新型39.3 53.3
从表3可以看出：在正常工况下，新型耐张线夹铝管和引流板处的温度均小于现
行耐张线夹，两者的温度值均合格（参照导线JL／G1A－300／40的温度值为71.7℃）；在异常工况下，新型耐张线夹铝管处的温度较正常工况时增幅12%，
引流板处的温度较正常工况时增幅36%，但温度值合格（参照导线JL／G1A－300／40的温度值为72.1 ℃）；在异常工况下，现行耐张线夹铝管处的温度较正常工况时增幅15%，引流板处的温度较正常工况时增幅69%，已超过参照导线的温度值。

5 结束语
对于耐张线夹的发热问题，虽然从施工管理入手可以规避很多问题，但进行结构优化是解决问题的根本办法。

通过有限元分析及比对试验可知，改进后的新型耐张线夹可以有效避免因安装因素或螺栓松动造成的发热问题，散热性能明显优于现行耐张线夹。

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