钢芯铝绞线压接缺陷统计分析及典型缺陷对承载性能的影响

叶中飞，伍 川，庞 锴，陈瑞斌，张 博，吕中宾，卢 明

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，输电线路舞动防治技术重点实验室，郑州 450052；2.河南四达检测技术有限公司，长葛 461503)

能源是经济发展的推进剂，电能是当今世界能源传输和利用的主要形式，作为电能传输的高速公路，输电线路的安全运行至关重要，而结构稳定是输电线路安全运行的前提保证[1]。输电线路的主要组成部分包括铁塔、导/地线、绝缘子串，各种金具连接将这些主要元件组成整体。耐张线夹作为众多金具中的一种，与耐张绝缘子串相连，承受线路运行过程中的全部张力，同时起到导流的作用[2-4]。

不同类型的耐张线夹中，压缩型耐张线夹应用最广泛、安全系数最高，其通过液压实现与导/地线之间的连接，称为压接。除压缩型耐张线夹外，导/地线直线接续管、复合绝缘子端部金具[5]也是典型的压接型结构。压接型金具压接之后关键特征(如穿管深度、防滑槽填充情况)均隐藏在结构内部，不易识别，因此会出现部分含缺陷的产品不能被及时发现，而导致挂网运行的情况[6-10]。

压接缺陷通常情况下不会对输电线路运行有不利影响，但是在大风、舞动、覆冰等情况下，金具承受的载荷提高，缺陷处存在破坏风险。例如，2016年江西省电网某110 kV输电线路导线耐张线夹由于压接位置不正确导致在覆冰情况下钢锚断裂，造成跳闸[11-12]。

近年来发展起来的压接缺陷X射线成像技术，为压接结构内部质量检测提供了有效手段，各种压接缺陷开始被检测出来[13-14]。吕占杰等[15-16]通过同时改变钢芯与铝管压接尺寸，并利用X射线进行检测，研究了钢芯压接尺寸与拉力关系，确定了满足95%额定拉断力的压接尺寸临界值；研究结果表明，X射线检测技术是压接缺陷检测的有效手段。但是目前的研究是基于实验室人造缺陷，线路实际服役过程中，压接结构存在的缺陷类型并不明确，目前的研究也涉及较少实际缺陷对压接结构承载能力的影响情况，缺陷被检测出后该如何处理也没有统一标准。

根据多年压接结构X射线检测数据积累，以及在中国26个省、自治区、直辖市的调研统计，明确在运耐张线夹存在的缺陷类型；根据统计结果，设计专项实验，确定各种典型缺陷对压接结构承载性能的影响；并系统分析压接缺陷的形成原因及其对承载性能的影响机理。研究结果将对输电线路建设与运维过程中压接结构缺陷定性及处理具有指导意义。

1 统计与实验方法

1.1 缺陷类型统计方法

为了确定压接结构存在的缺陷类型，采用现场实测和调研统计两种方法，两种方法的统计结果相互验证以确保统计结果的真实性和准确性。

现场实测：利用自主研发的低剂量数字射线检测仪HNDR在2017年1月—2018年6月底，对各不同电压等级在运输电线路耐张线夹进行检测，总共检测线夹26 500个；而后依据《输变电工程架空导线(800 mm2以下)及地线液压压接工艺规程》(DL/T 5285—2018)(简称《标准》)以及《大截面导线压接工艺导则》(Q/GDW 1571—2014)对检测结果进行分析与统计。

调研统计：归纳国家电网有限公司范围内26个省、自治区、直辖市(1)河北、山西、山东、江苏、浙江、安徽、福建、湖北、湖南、河南、江西、四川、辽宁、吉林、黑龙江、陕西、甘肃、青海、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区、西藏自治区、内蒙古自治区、北京、天津、上海、重庆。近20年(1997—2017年)的压接缺陷信息，进行分类与统计。

1.2 实验步骤

根据缺陷统计结果，详细分析缺陷的典型特征后，以JL/G1A-300/40钢芯铝绞线和NY-300/40耐张线夹为对象，利用CO-100S分体式液压钳，依据《标准》规定的步骤进行压接，制造含典型缺陷的压接接头的样品。而后利用HNDR对含缺陷的压接接头进行检测以确定其特征和统计所得的缺陷特征相同。最后利用卧式拉力试验机进行拉力-位移曲线及拉断力检测，拉伸速度1 mm/s。图1所示为拉力实验样品的示意图，A端为正常压接的NY-300/40耐张线夹、B端为含有缺陷的NY-300/40耐张线夹，A、B端之间JL/G1A-300/40钢芯铝绞线的长度为4 m。

2 统计与实验结果

2.1 压接结构缺陷类型统计

本研究通过26 500个在运耐张线夹的测量结果与26个省、自治区、直辖市20年数据之间相互验证，确定压接缺陷的主要类型。

2.1.1 压接缺陷总体统计结果

根据26 500个线夹的实际测量结果，压缩型耐张线夹最主要的3种缺陷是防滑槽漏压、防滑槽欠压、不压区压接，占所有缺陷的96%；其余的缺陷还包括钢芯穿入深度不足、弯曲度超标、钢芯断裂、飞边、压接预留长度过长等。图2所示为各种缺陷的所占比例。

图2 各种不同压接缺陷占比Fig.2 The proportion of various clamping defects

为了验证实测统计结果的准确性，对国家电网有限公司范围内的26个省、自治区、直辖市电力公司近20年(1997—2017年)的压接数据进行统计与归纳，共收集121 009处压接接头数据，发现缺陷3 172处，缺陷占比2.62%，这说明按照《标准》规定进行压接，出现缺陷的概率极小。

由图2可以看出，和实测结果相同，国家电网有限公司范围内的26个省、自治区、直辖市电力公司近20年统计的压接缺陷中，防滑槽漏压、防滑槽欠压、不压区压接是最主要的3种缺陷，约占所有缺陷的85%。除了这3种主要缺陷外，其他缺陷类型和实测缺陷类型也基本一致，包括飞边、弯曲度超标、钢芯断裂、散股等。

实测数据和20年数据统计相互验证可知，压接结构的典型缺陷包括：防滑槽漏压、防滑槽欠压、不压区压接、飞边、弯曲度超标、钢芯断裂、散股；其中防滑槽漏压、防滑槽欠压、不压区压接3种缺陷约占所有缺陷的85%左右。

2.1.2 典型压接缺陷特征分析

根据压接缺陷的统计结果，本部分内容对各种典型缺陷的特征进行分析，以指导用于研究缺陷对压接结构承载性能影响的缺陷样品制备。为了方便理解，图3给出了典型钢芯铝绞线耐张线夹结构及完好压接后的特征。

图3 耐张线夹结构及正常压接后特征Fig.3 Structure and typical characteristics of strain clamps

(1)防滑槽漏压。

防滑槽漏压是指一个或者多个防滑槽处完全未经过压接变形，防滑槽内部完全未被变形铝管填充的现象；其典型特征如图4所示。

防滑槽漏压缺陷分为一个防滑槽漏压[图4(a)]和多个防滑槽漏压同时漏压[图4(b)]两种情况。由图4和图3(b)对比可以看出，存在防滑槽漏压的耐张线夹X射线成像的照片在铝管和钢锚防滑槽之间有一个明显的亮色过渡区域，由于此处铝管和钢锚未接触，射线经过路径上等效钢厚度较小，射线经过后能量衰减较小，因此其在射线成像中亮度较大。

同时在图4中可以看出，漏压的防滑槽处外径比左侧相邻区域要大，这是因为在压接过程中此处没有经过模具压制，未发生变形引起。

图4 防滑槽漏压缺陷Fig.4 Compression-elimination defect of anti-skid groove

由上述内容可知，防滑槽漏压有两个特征：①防滑槽完全未填充；②漏压防滑槽位置铝管的外径比相邻压接位置的外径大。

(2)防滑槽欠压。

防滑槽欠压比防滑槽漏压严重程度低，欠压的防滑槽处虽然经过压接变形，但是变形的铝管仅仅填充了部分防滑槽，未填充至防滑槽底部，图5所示为典型的防滑槽欠压特征照片。

和防滑槽漏压相同，防滑槽欠压也分为一个防滑槽欠压[图5(a)]和多个防滑槽欠压[图5(b)]两种情况。防滑槽漏压的典型特征是：一个或多个防滑槽仅部分被填充。

图5 防滑槽欠压缺陷Fig.5 Defect of compression-deficiency at anti-skid groove

(3)不压区压接及飞边。

根据《标准》的规定，图3(b)所示的钢锚前端空心位置，即钢芯穿管位置对应的铝管[图3(b)右侧虚框]是不用压接的，称为不压区，但是在实际施工过程中由于定位不准确等原因，会发生不压区被压接的情况，具体特征如图6所示。

图6 不压区压接及飞边缺陷Fig.6 Compressing at no deformation zone and fins

飞边是在压接过程中金属塑性流动，在上下模接触面形成的，按照《标准》的规定,压接中产生的飞边要予以去除，但实际施工中存在不能有效去除的现象。由于压接完成后铝管的飞边是肉眼可见的，因此一般都会有效去除，而钢锚压接后隐藏在铝管内部，不经过特殊检测不能发现，因此如图6所示飞边缺陷多发生在钢锚处。

(4)弯曲度超标。

根据《标准》的规定，压接完成后压接管弯曲度应该小于长度的2%，且有明显弯曲变形时应校直。在实测和调研中发现钢锚弯曲超标和铝管弯曲超标的现象均会出现，其中钢锚弯曲出现的较多。图7(a)、图7(b)分别为铝管弯曲和钢锚弯曲的照片。

图7 弯曲度超标缺陷Fig.7 Defect of bending degree exceeding standard

(5)钢芯断裂/断股。

相比上述缺陷而言，钢芯断裂缺陷发生的概率较低。钢芯作为钢芯铝绞线承受载荷的主要部件，断裂之后对整体的承载性能影响较大，虽然发生概率较低，一旦发生就属于危急缺陷，钢芯断裂的位置一般位于铝绞线压接位置。图8所示为某500 kV输电线路发生钢芯断裂现场的照片。

图8 钢芯断裂X射线照片Fig.8 X-ray photo showing the fracture of steel core

(6)钢芯穿管不到位。

按《标准》规定，在进行压接时，如图3所示钢芯应该插入到钢锚底部，以保证压接完成后钢锚和钢芯的结合长度足够长。调研中发现部分压接完成的接续管，存在有钢芯深入长度不够的现象，称为钢芯穿管不到位，具体特征如图9所示。

图9 钢芯穿管不到位缺陷Fig.9 Insufficient penetration of steel core in steel anchor

(7)铝管压接长度不足。

按《标准》规定，除了不压区以及钢锚前端钢芯的变形预留长度外(标准要求约5 mm)，其余的导线与铝管接触的地方均需要压接，但是在实际施工过程中会由于预留长度过长[图10(a)]或者压接模数不够[图10(b)]导致铝管压接长度不足。

图10 钢铝管压接长度不足缺陷Fig.10 Insufficient depressing length of aluminum tube

(8)散股。

钢芯铝绞线正常情况下处于绞合状态，散股是指钢芯铝绞线绞合状态被破坏的一种状态。散股通常发生在压接管的出口处。图11所示为钢锚出口处钢芯散股的现象。

图11 钢锚出口钢芯散股Fig.11 Loosening of steel core at the exit of steel anchor

2.2 典型缺陷对压接结构承载性能影响

前文对压接结构存在的主要缺陷类型进行了归纳，并对各种缺陷的典型特征进行了分析。为了明确缺陷处理方案，现以JL/G1A-300/40和NY-300/40耐张线夹为对象，通过实验研究了典型缺陷对压接结构承载性能的影响。飞边、不压区压接这两种缺陷不会影响承载能力，弯曲度超标、散股缺陷发生的概率很低，因此这4种缺陷对承载能力的影响不做详细研究。重点关注防滑槽漏压、防滑槽欠压、钢芯穿管深度不足、钢芯断裂以及铝管压接长度不足5种缺陷对压接结构承载能力的影响。

2.2.1 防滑槽漏压压接结构承载性能

图3(a)为NY-300/40耐张线夹的照片，由照片中所示的钢锚可以看出，NY-300/40共有两个防滑槽，因此防滑槽漏压试验研究分为漏压一个防滑槽和漏压两个防滑槽两种情况，其余位置压接严格按照《标准》规定执行，试验样品防滑槽位置的X射线照片如图12插图所示。

图12所示为防滑槽漏压样品与正常压接样品的拉力-位移曲线的对比，由图12可以看出，漏压一个防滑槽时，压接结构的拉力-位移曲线和正常压接结构基本重合，拉断力的差别小于1%；这说明对于NY-300/40耐张线夹而言，漏压一个防滑槽，在拉伸过程中无论是对变形过程还是综合承载能力都不会有影响。

和漏压一个防滑槽形成鲜明对比的是，当NY-300/40的两个防滑槽都漏压时，其拉断力由94.6 kN降低到53.4 kN，降低了43.6%。由拉伸曲线上可以看出，在开始变形阶段，其拉伸曲线和正常压接的拉伸曲线基本重合，而随着拉力的增大，在相同拉力下，其变形位移会更大。关于防滑槽漏压对承载力影响的详细分析讨论将在下部分展开。

2.2.2 防滑槽欠压压接结构承载性能

NY-300/40防滑槽欠压分为一个防滑槽欠压、两个防滑槽欠压两种情况；其中一个防滑槽欠压的最严重情形就是该防滑槽漏压，上述的研究已经证明一个防滑槽漏压对承载能力没有影响，因此一个防滑槽欠压的情形将不再进行实验研究。本部分主要研究两个防滑槽不同程度欠压对压接结构承载能力的影响。

NY-300/40的防滑槽深度为1.5 mm左右，在实验中通过控制液压机的压力，以10、15 MPa制作防滑槽填充深度30%和50%的实验样品，研究不同欠压程度对压接结构承载能力的影响，图13为不同填充深度的拉力-位移曲线。

图12 防滑槽漏压压接结构拉力-位移曲线Fig.12 The load-displacement curves of clamped structures with anti-skid groove uncompressed

图13 防滑槽欠压压接结构拉力-位移曲线Fig.13 The load-displacement curves of clamped structures with anti-skid groove insufficient compressed

当防滑槽填充深度为30%时，压接结构的拉断力为76.6 kN，和正常压接相比，其拉断力降低了19%；当槽深填充50%时，其拉断力已经超过正常压接值，这是由导线的个体差异引起的，和防滑槽欠压没有关系，这说明两个防滑槽填充50%左右时可以保证NY-300/40的承载能力。

2.2.3 钢芯穿管不到位压接结构承载性能

为了研究钢芯穿管不到位对压接结构承载性能的影响，分别制作了钢芯穿入钢锚内孔深30%、60%的样品(图14插图)，而后进行拉伸测试。

图14所示为不同穿管深度样品的拉伸曲线，可以看出，当穿管深度为30%时，其拉断力为78.3 kN，约为正常压接样品的83%；当穿管深度为60%时，拉断力和正常压接样品一致。

图14 不同穿管深度样品的拉力-位移曲线Fig.14 The load-displacement of clamped structure with different penetration depths

2.2.4 钢芯断裂压接结构承载性能

如图9所示，钢芯断裂的结果是钢芯和钢锚之间的连接被破坏，钢芯所受载荷无法传到钢锚上。为了模拟这种钢芯与钢锚连接被破坏的情况，制作了钢锚和钢芯之间完全不压接，而铝管与铝绞线、铝管与钢锚防滑槽之间正常压接的样品，具体情况如图15所示。

图15所示为模拟钢芯断裂缺陷实验样品的拉伸曲线，由图15可见，当发生钢芯断裂时，NY-300/40压接接头的拉断力仅为63.5 kN，相比正常压接降低了33%。和正常压接不同的是，钢芯断裂样品在拉伸中断裂位置是铝管，而非发生在导线处。

图15 钢芯断裂样品拉伸曲线Fig.15 The load-displacement curve of experimental sample with fractured steel core

2.2.5 铝管压接长度不足压接结构承载性能

为了明确不同压接长度对压接结构承载力的影响，分别压接0、30%、60%标准规定长度，而后进行拉伸实验，图16所示为实验测量结果。可以看出，当铝管完全不压接时，拉断力为47.9 kN，为正常压接的51%；当压接30%长度时，拉断力为79.8 kN，为正常压接的85%；当压接60%长度时，拉断力为92.5 kN，为正常压接的98%，满足《标准》要求。这说明在其他压接工艺合格时，铝管压接60%长度就能够满足服役要求的机械性能。

图16 铝管压接长度不足样品拉伸曲线Fig.16 The load-displacement curve of experimental samples with insufficient depression length

3 分析与讨论

3.1 压接缺陷形成原因分析

3.1.1 定位错误导致的压接缺陷

按照《标准》要求，在压接之前要在金具上画线标出压接位置，压接完成后要用未压的钢锚进行比对，以确保防滑槽压接位置的正确。由定位错误导致的压接缺陷包括防滑槽漏压、防滑槽欠压、不压区压接以及铝管压接长度不足。

由图4可以明显看出，由于定位错误，防滑槽处的压接位置偏向挂环(左侧)导致未能压接到防滑槽而形成漏压。图5(a)同样是由于防滑槽处的压接位置过于偏左导致最右侧的一个防滑槽未能压满，而形成欠压。图6中的未压区压接以及图10(b)中的铝管压接长度不足是由于在压接之前未能准确标出铝绞线的长度，导致压接长度过长。

3.1.2 压接压力及保压时间不足导致的缺陷

压接压力不足会导致上下模具不能完全合模，而保压时间不够会导致变形过的金属回弹，这两个因素均会引起防滑槽欠压。图5(b)中防滑槽处的压接位置并无错误，其出现欠压是由于金属变形不够，形成原因只能是压力不够或者保压时间不足。

3.1.3 压接顺序错误导致的压接缺陷

压接顺序错误导致缺陷的典型代表是钢芯断裂。按照《标准》要求，钢芯铝绞线耐张线夹的压接有正压和倒压，正压是从钢锚拉环向管口压接，倒压是从管口向钢锚拉环测压接。在实际施工过程中会出现如图17所示的先压两端、后从两端向中间压接的情况。这种压接方式导致耐张线夹内的导线两端被限制无法移动，后续压接时铝管延伸使导线受到轴向的拉应力，拉应力超过钢芯的断裂极限导致钢芯断裂。

图17 错误压接顺序Fig.17 Incorrect compressing sequence

压接顺序错误引起的另一个缺陷是散股。对于大截面导线而言，推荐的压接方式为倒压，如果采用正压压接，由于压接的长度较长，铝绞线延伸量较大，容易在铝管出口处出现散股[17]。表1对各种缺陷的形成原因进行了归纳。

表1 各种压接缺陷形成原因Table 1 The origin of various clamping defects

3.2 压接缺陷对能力影响分析

3.2.1 防滑槽漏压及欠压对压接结构承载性能的影响

当压接结构承受载荷时，钢芯和铝绞线均需分担一部分载荷，其中铝绞线所承受的载荷通过铝绞线与铝管的压接界面传递至铝管，铝管所受载荷通过防滑槽位置传递至钢锚的拉环处。防滑槽漏压、欠压分为两种情况：

(1)防滑槽虽然漏压或欠压，但依然能够在承受导线断裂载荷时不发生滑动，此时防滑槽漏压、欠压对压接结构承载能力没有影响，上文实验中一个防滑槽漏压以及防滑槽填充50%均属于这种情况。

(2)防滑槽在受力超过某一临界载荷后(此载荷小于导线的拉断力)发生滑移，此时载荷无法由钢锚挂环传递到铝绞线上，所有载荷均由钢芯承担，导致当载荷达到钢芯破断力时钢芯断裂，钢锚由铝管中拔出，压接结构破坏[图18(a)]。实验中2个防滑槽均漏压以及防滑槽填充30%均属这种情况。

图18 拉伸断裂照片Fig.18 Photo showing the fracture of experimental samples

3.2.2 钢芯断裂及穿管不到位对压接结构承载性能的影响

钢芯穿管不到位会导致铝绞线所承担载荷的比例增大，最严重的情况就是钢芯断裂，所有载荷均由铝绞线承担，此时在总载荷尚未达到导线的破断力时，如图18(b)所示的铝绞线就会由于过载首先发生破坏。

3.2.3 钢芯断裂及穿管不到位对压接结构承载性能的影响

铝管压接长度不足引起的情况有三种：

(1)拉伸过程中铝管与铝绞线压接位置发生滑移，此时导致钢芯承载过大，首先发生破坏，典型情况是图16铝管完全不压接情况。

(2)拉伸过程中铝管与铝绞线压接位置正常承载，不发生滑移，此时由于压接长度过短，在有限的长度上要承受铝绞线分配的所有载荷，压接位置处铝绞线应力集中，在尚未达到导线破断载荷时发生破坏，图16压接30%长度就是这种情况。

(3)铝绞线与铝管的压接长度虽然比标准规定短，但是其长度足以使铝绞线不会因为应力集中提前发生断裂，此时其不对压接结构承载有任何影响，如图16所示压接60%长度。

4 结论

通过现场实测和26个省、自治区、直辖市调研确定了压接结构的典型缺陷及其典型特征，以NY-300/40为研究对象，通过实验研究确定了各种缺陷对压接结构承载能力的影响，结论如下。

(1)压接结构出现最多的3种缺陷是防滑槽漏压、防滑槽欠压和不压区压接，约占所有缺陷的85%左右。

(2)防滑槽漏压会增大钢芯承受载荷的占比，降低承载力。两个防滑槽都漏压时，拉断力降低了43.6%。

(3)防滑槽欠压会增大钢芯承担载荷的占比，两个防滑槽填充30%深度时，拉断力降低了19%。

(4)钢芯穿管不到位、钢芯断裂会增大铝绞线承担载荷的比例，当穿管深度为30%时，拉断力降低17%；钢芯断裂会使压接结构的承载能力相比正常压接降低33%。

(5)铝管压接长度不足会增加钢芯承担载荷的比例，铝管完全不压接时，承载力降低49%；当铝管压接30%长度时，承载力降低15%。