新型液压式金具连接长度与压强关系研究

董 罡

（国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

0 引言

随着国家经济的发展，社会对电力能源的依赖愈发强烈［1］，架空导线是电能从发电端到受电端之间传输的必要载体，因此发展新型架空输电导线已逐步成为节能环保的重要途径。近年来，碳纤维导线因其线损小、密度低等优点得到了较为广泛的应用［2］。然而，在实际施工过程中，导线会受到较大的径向压力，碳纤维复合芯虽具有很好的抗拉性能，但其抗压能力相对较弱，所以碳纤维导线曾发生过耐张线夹断裂的情况［3］。因此碳纤维导线对连接金具的要求更为严格，朱健飞等人［4］分析了碳纤维导线材质、工艺、运行温度和受力情况对金具特性的影响。传统的楔形金具会在碳纤维导线芯棒上产生较大的应力集中现象，刘洪正［5］尝试采用新型液压式金具，通过试验方法初步研究了新型金具的机械特性，该金具可采用压接的方式进行施工，以达到降低安装过程中对芯棒损伤的目标，然而其未深入探究新型液压式金具连接区长度与压接压强之间的变化规律。

基于上述文献中提及JLRX1／F2A-800／70新型碳纤维复合芯导线配套的新型液压式金具 （耐张线夹与接续管），通过理论公式的推导，计算并讨论其压接区连接长度与压接压强之间的关系，进而更加合理地分配金具的制造尺寸，为实际设计和生产提供参考，降低安装和施工过程中的难度与成本。

1 金具连接长度与压强的关系推导

1.1 相关力学参数的计算

新型碳纤维复合芯导线的配套液压式金具是根据普通钢芯铝绞线金具的原理优化而成。总体上，将碳纤维导线专用金具中的楔形内衬管更换为平行压接管，并采用液压压接的方法进行施工，这在一定程度上便于产品的制造加工并能改善芯棒的受力情况。

为计算出金具所需要的握力大小，首先依据相关标准中关于型线同心绞碳纤维导线额定拉断力的理论计算方法［6］，计算型号为 JLRX1／F2A-800／70新型碳纤维复合材料芯软铝绞线额定拉断力，其公式为

式中：f1为碳纤维复合材料芯的拉断力，采用复合材料芯标称面积与最小抗拉强度的乘积；f2为铝部分的拉断力，采用铝标称面积与铝单线最小抗拉强度的乘积。

通过式（1）计算得出 JLRX1／F2A-800／70 新型碳纤维导线的综合拉断力为240 kN。

根据GB／T 2314—2018《电力金具通用技术条件》，架空电力线路用压缩型金具（耐张线夹、接续金具）预绞式接续金具和预绞式耐张线夹的握力与拉断力之间的关系为：握力为拉断力的95%［7］，则本文中金具的握力为228 kN。

1.2 模型与公式的建立

根据静力学平衡分析，拉断力与金具和导线之间的摩擦力相互抵消。而摩擦力大小可由压接区的压力值与摩擦系数的乘积计算得到，故通过确定摩擦系数，求得压力值。由于摩擦系数随物体之间的运动状态而改变，考虑临界状态即导线未被拉断，同时导线与金具处于未滑动的临界状态，此时的摩擦系数为最大静摩擦系数。通过该假设可以求得压接区的压力值大小。由于压力值为压强与接触面积的乘积，将压力值固定后，可以改变压强取值来获得压强与接触面积（压接区长度）之间的关系，具体公式可表达为

式中：p为压接过程中的压强，MPa；R为对应结构的半径，m；L 为压接区的连接长度，m；Fp为压力，N；FT为摩擦力，N；μmax为材料接触面的最大静摩擦系数。

通过以上假设及式（2），进行新型液压式耐张线夹与接续管的压强和压接区连接长度关系的研究，两者模型如图1和图2所示。

图1 新型碳纤维复合芯导线配套耐张线夹

图2 新型碳纤维复合芯导线配套接续管

从图1可以看出，耐张线夹的压接区长度分为两个部分：一部分是内衬管与导线铝包覆结构的接触长度L1；另一部分是外衬管与铝绞线的接触长度L2。

内衬压接管部分的数学关系为

式中：L1为内衬管压接铝包覆的长度，m；rin为内衬管的半径，m；rc为碳芯的半径，m；σc为碳纤维复合芯的最小抗拉强度，MPa；rbf为铝包覆结构的半径，m；σal为铝合金的最小抗拉强度，MPa。通过式（3）计算可以得到内衬管压接碳棒的长度L1。

类似地，外衬管压接部分的数学关系可以表示为

式中：L2为外衬管压接铝绞线的长度，m；rout为外衬管的半径，m；sal为铝标称面积，m2。通过式（4）可以计算得到外衬管压接导线的长度。

此外，由图2可知，接续管的压接区长度可分为3个部分：一部分是内衬铝管与导线铝包覆的连接长度L3；另两部分是外衬管与铝绞线的接触长度L4和L5。根据上述理论及结果，内衬管部分的数学关系为

式中：L3为内衬管压接铝包覆的长度，m；rin2为接续管内衬管的半径，m；sc为碳芯标称面积，m2；sbf为铝包覆结构面积，m2。通过式（5）计算可以得到接续金具中内衬管压接碳棒的长度L3。

同样，外衬管压接部分的数学关系可以表示为

式中：L4和L5为外衬管压接铝绞线的长度，m；rout2为外衬管的半径，m。通过式（6）与（7）可以计算得到外衬管压接导线的长度L4和L5。

2 理论计算结果与分析

基于上节中推导所得公式，分别计算耐张线夹和接续管连接长度与压接压强之间的关系，其中压强的取值范围为1～20 MPa。为更加清晰地观察其变化规律，以压强作为横坐标，以不同结构压接区长度作为纵坐标，绘制针对新型液压式耐张线夹的压强和压接区连接长度的关系曲线，如图3所示。同时，为生产安装时方便查询，将新型液压式接续管连接长度与压强的计算结果汇总为表，结果如表1所示。

图3 耐张线夹的压强与压接区连接长度关系

表1 新型液压式接续管压强与压接区连接长度关系的计算结果

从新型液压式金具压接区连接长度与压强的结果中可以看出，当金具握力不变时，随着压强的增大，所需要的内衬管与铝包覆的压接区连接长度L1和L3，以及外衬管与铝绞线的连接长度L2，L4和L5都逐渐减小。同时，随着压强的不断提高，压接区长度的衰减速率有所降低，这对金具的结构与压接流程的设计具有指导意义。由于液压机与压接器具的限制，在实际操作过程中不能一次性压接整套金具，若能在一定程度上提高压强的大小，则可以达到减小压接区长度的目的，这不仅能减少制造金具所需要的材料，提升其经济性，更能缩短安装和施工的时间，提高工作效率。

3 结语

以型号JLRX1／F2A-800／70新型碳纤维复合芯导线配套的新型液压式金具为研究对象，对其压接区的连接长度与液压压强之间的关系进行了理论公式的推导与计算，新型液压式耐张线夹与接续管的压接区连接长度随着压强的增大逐渐减小。

与传统的楔形金具相比，该新型液压式金具的结构较为简化，将新型液压式金具的压强与对应的连接长度汇总为图表，为该金具的设计制造与施工安装提供了参考。