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输电钢芯铝绞线微风振动疲劳损伤机理

2018/06/19 17:42:44      点击:
输电钢芯铝绞线在野外风的激励下极易发生微风振动,严重威胁到线路的安全运行。目前,架空在野外的输电钢芯铝绞线多以钢芯铝绞线为主,其内外层分别由多股钢铝绞线绕制而成。当线路发生微风振动时,一方面钢芯铝绞线上下振动使得钢芯铝绞线股与股之间相互挤压发生滑移及变形,造成股与股之间接触部位发生微动磨损,从而使线股产生大量裂纹; 另一方面钢芯铝绞线由于振动弯曲产生塑性变形,促进裂纹萌生及扩展并加速钢芯铝绞线疲劳。这2种破坏长期作用于钢芯铝绞线将造成钢芯铝绞线断股,严重降低钢芯铝绞线的使用寿命。


当前,国际上研究架空钢芯铝绞线微风振动的方法主要有动力学法、能量平衡法以及有限元方法。动力学法和能量平衡法适用于从宏观角度研究钢芯铝绞线在振动下的整体受力情况,利用有限元方法则可以分析钢芯铝绞线的局部受力,如线股间的接触受力。国际上对线夹出口处的钢芯铝绞线疲劳计算已有相关理论支持,线股磨损则缺乏有效理论来评估,利用有限元软件可以有效地对钢芯铝绞线接触磨损进行分析并对一些难以直接测量的接触量进行计算。实验表明,微风振动造成钢芯铝绞线断股往往发生在线夹出口处,文献建立了线夹–钢芯铝绞线体系有限元模型,将钢芯铝绞线等效为单根圆柱形钢芯铝绞线,分析了在不同拉力载荷及悬垂角下,钢芯铝绞线与悬垂线夹间接触应力的分布情况,但该方法仅限于在静态条件而未研究振动下的接触状况。文献构建了0.5m长度的钢芯铝绞线模型,分析了钢芯铝绞线在微风振动下的线股接触状态,但并未对_容易出现断股的线夹出口处钢芯铝绞线进行分析。


现有钢芯铝绞线疲劳理论主要以钢芯铝绞线 89 mm 处振幅与线夹出口处钢芯铝绞线弯曲应力之间的关系为研究目标,本文通过 ABAQUS 有限元软件对线夹出口 89mm 长度的钢芯铝绞线进行建模仿真,分析钢芯铝绞线中铝线股及钢芯在微风振动时的受力磨损程度。同时,利用现有线夹出口应力计算公式对所建立模型的动弯应力与拉力载荷、振幅的关系做进一步研究,并结合仿真结果对钢芯铝绞线断股机理展开分析。


a) 线夹出口处钢芯铝绞线塑性疲劳与钢芯铝绞线振幅关系密切,而钢芯铝绞线两端的拉力载荷对钢芯铝绞线塑性疲劳影响并不明显,当振幅大于 1 mm 后,钢芯铝绞线迅速进入塑性变形阶段萌生出大量裂纹并不断扩展加深,钢芯铝绞线疲劳寿命大幅下降。


b) 线夹出口段钢芯铝绞线邻层铝线股的磨损情况与钢芯铝绞线受到的拉力载荷及 89 mm 处振幅密切相关,当振幅低于 0. 1 mm 时钢芯铝绞线邻层铝线股在接触点处发生粘着磨损,在接触表面并没有微动位移产生,只在接触压力作用下产生局部微裂纹。当振幅大于0. 1 mm 小于 1 mm 时接触点发生较小的微动位移,接触位置处发生滑动磨损,在拉力和微动位移的共同作用下裂纹不断产生并扩展延伸,此时将对钢芯铝绞线安全运行产生影响。当振幅大于 1 mm 时,微动位移和接触压力都快速增加,导致裂纹急剧扩展加深,对钢芯铝绞线的正常工作将产生严重危害。


c) 对钢芯铝绞线内层钢芯的接触压力及微动位移分析显示,内层钢芯_接触压力随钢芯铝绞线两端拉力载荷增大而增大,一定拉力载荷下,钢芯接触处的_接触压力随钢芯铝绞线振幅变化微小,钢芯接触点处的微动位移随振幅增大而增大。同时发现钢芯间的微动位移远比铝线股间的微动位移小,仅达到微米级别。


d) 结合数值计算和仿真结果可以发现,当振幅达到 1 mm 时线夹出口附近邻层铝线股接触磨损急剧增强,裂纹产生及扩展速率加快,加之钢芯铝绞线进入塑性变形阶段加剧裂纹扩展汇合,长时间工作在振幅大于 1 mm 的环境中将使钢芯铝绞线寿命严重降低,危及线路的安全运行。