一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的大截面擴(kuò)徑導(dǎo)線設(shè)計(jì)

萬建成，司佳鈞，劉彬，楊加倫，劉龍

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 102401)

0 引言

在滿足輸電容量和電磁要求的前提下，采用擴(kuò)徑導(dǎo)線，可以減少導(dǎo)線的總質(zhì)量或?qū)Ь€分裂根數(shù)，減少鐵塔荷載和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低線路投資［1］。若輸送容量和利用小時(shí)數(shù)不高的線路需降低可聽噪聲，在導(dǎo)線分裂數(shù)相同的情況下，采用擴(kuò)徑導(dǎo)線與通過增大導(dǎo)線截面從而增大導(dǎo)線外徑的方法相比，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

擴(kuò)徑導(dǎo)線類型很多，結(jié)構(gòu)差異較大，但根據(jù)用途可分為變電站用和輸電線路用2類。目前我國(guó)輸電線路用得較多的是疏絞型鋼芯鋁絞線，而且疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線造價(jià)較低，是一般優(yōu)先考慮的擴(kuò)徑方式［2］。以往工程中應(yīng)用的是圓線疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線，通過大量試驗(yàn)研究表明，大截面的圓線疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、過滑輪易跳股，主要是由于導(dǎo)線內(nèi)層本應(yīng)均勻分布的鋁線股經(jīng)過滑輪后產(chǎn)生偏移而導(dǎo)致鋁股聚集，同時(shí)層間的鋁線為線與線的接觸，極易發(fā)生鋁線跳股現(xiàn)象［3］。

大截面擴(kuò)徑導(dǎo)線［4］是指鋁股為4層或鋁截面超過720 mm2的導(dǎo)線，它外徑大、鋁股內(nèi)部空隙大、截面穩(wěn)定性差，不宜采用圓線疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線。因此要考慮一種新結(jié)構(gòu)，可以改善層間鋁股的接觸狀態(tài)，增大層間鋁股接觸面積，在達(dá)到擴(kuò)徑效果的同時(shí)保證截面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

在疏絞型大截面擴(kuò)徑導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過開發(fā)出來的分析擴(kuò)徑導(dǎo)線截面穩(wěn)定性的有限元仿真程序，解決評(píng)估其截面穩(wěn)定性的難題，可以減少研發(fā)時(shí)間與成本;利用試制出來樣品通過試驗(yàn)手段，驗(yàn)證擴(kuò)徑導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是其工程應(yīng)用的必經(jīng)環(huán)節(jié)。本文通過理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證來研制疏絞型大截面擴(kuò)徑導(dǎo)線。

通過研制疏絞型大截面擴(kuò)徑導(dǎo)線，由此取得的技術(shù)進(jìn)步，不但可以提升我國(guó)在該產(chǎn)品領(lǐng)域的制造技術(shù)，同時(shí)截面穩(wěn)定性好，可用常規(guī)方法施工的大截面擴(kuò)徑導(dǎo)線還為我國(guó)在特高壓、高海拔地區(qū)線路工程提供了一種新的選擇方案［5-6］。

1 大截面型線疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線的設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擴(kuò)徑導(dǎo)線跳股的主要原因是導(dǎo)線在拉伸載荷作用下通過滑輪彎曲形成明顯鋁股間接觸塑性壓痕，從而導(dǎo)致擴(kuò)徑導(dǎo)線直徑的明顯減縮，使最外層鋁股間的原始間隙減少。當(dāng)間隙減小到0后，如繼續(xù)加載將使外層鋁股沿徑向相互擠壓，導(dǎo)線內(nèi)部各層直徑縮減量大于導(dǎo)線外層縮減量時(shí)，繼續(xù)增加的載荷將導(dǎo)致外層鋁股失去鄰?fù)鈱愉X股的徑向支撐，從而導(dǎo)致外層的一些鋁股被擠出層外的現(xiàn)象［7-9］。

對(duì)于截面大、擴(kuò)徑比較高的導(dǎo)線，若采用圓線疏絞型擴(kuò)徑方式，支撐層(非外層)鋁股則無法達(dá)到對(duì)外層鋁股有效支撐的效果，因此本文研究一種新型結(jié)構(gòu)，鋁股外層采用圓線密排，支撐層采用型線疏絞。導(dǎo)線的最外層由于鋁股數(shù)多，若采用型線將提高占積率，不利于提高擴(kuò)徑比，故仍采用圓形鋁線［8-10］，且絞線外層若不緊密光潔，將導(dǎo)致電暈產(chǎn)生，所以外層必須密排。把支撐層鋁股設(shè)計(jì)為型線疏絞擴(kuò)徑方式，即將支撐層的圓形鋁線更改成梯形，在原有緊密絞合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上少絞若干根型線單線，剩余的單線均勻分布，如此可以將層間鋁股的線線接觸改變?yōu)槊婷娼佑|，提高了擴(kuò)徑導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

型線疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線中的型線厚度與圓線的直徑相同，如圖1所示。圓線的線徑和設(shè)計(jì)的型線厚度均為3.9 mm，以保證鋁線層每層的外徑與圓線疏絞式擴(kuò)徑導(dǎo)線每層的外徑相同，如圓線疏絞式擴(kuò)徑導(dǎo)線的每層鋁層的外徑分別為11.7、27.3、35.0 mm，型線疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線的每層鋁層的外徑亦相同，再根據(jù)型線的寬厚比4∶3設(shè)計(jì)型線的線徑。

圖1 型線擴(kuò)徑導(dǎo)線設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Design of sectional diameter expanded conductor

試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)梯形線倒角的大小嚴(yán)重影響了導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，過小的倒角使得導(dǎo)線在過滑輪時(shí)內(nèi)層的鋁股極易發(fā)生斷股現(xiàn)象［11］，因此，研究特別設(shè)計(jì)了大倒角的梯形鋁股，如圖2所示。通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)證明，梯形鋁股的倒角控制在0.5～1.5 mm時(shí)，鋁線通過滑輪后產(chǎn)生的壓痕不明顯，不易引起斷股［12］。

圖2 梯形線倒角的設(shè)計(jì)Fig.2 Design of ladder track chamfer

1.2 導(dǎo)線參數(shù)

導(dǎo)線截面如圖3所示，導(dǎo)線中部為7根圓截面鋼線，內(nèi)層鋁股、鄰內(nèi)層鋁股和鄰?fù)鈱愉X股為梯形截面，外層鋁股為圓截面。

圖3 JLXK/G2A-780(1000)/80導(dǎo)線截面圖Fig.3 Section of JLXK/G2A-780(1000)/80

根據(jù)電磁環(huán)境控制要求，大截面擴(kuò)徑導(dǎo)線的外徑應(yīng)與JL/G2A－1000/80相等，即為42.88 mm。按電流密度為0.80 A/mm2設(shè)計(jì)，八分裂擴(kuò)徑導(dǎo)線的導(dǎo)電截面約為 780 mm2。因此，設(shè)計(jì) JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88的主要參數(shù)如表1所示。

表1 JLXK/G2A-780(1000)/80擴(kuò)徑導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Parameters of expanded diameter conductor JLXK/G2A-780(1000)/80

1.3 導(dǎo)線技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

計(jì)算條件:導(dǎo)線年電阻損耗功率為系統(tǒng)額定輸送功率11000MW(極導(dǎo)線額定電流5000A)，年損耗小時(shí)數(shù)分別為 3000、4000、5000、6000 h，電價(jià)為0.25、0.3、0.35、0.4 元/(kW·h)，年費(fèi)用按工程經(jīng)濟(jì)使用年限取50年，電力工業(yè)投資回收率取8%，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率取1.5%。對(duì)8×1000 mm2截面導(dǎo)線方案進(jìn)行了縱向比較，結(jié)果如下:采用8×JLXK/G2A-780(1000)/80，初期投資較8×1000 mm2常規(guī)導(dǎo)線方案低。全壽命周期內(nèi)，由于8×JL/G3A-1000/45導(dǎo)線鋼芯截面較8×JL/G2A－1000/80導(dǎo)線方案小，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu);在電價(jià)較低、損耗小時(shí)數(shù)較小時(shí)，擴(kuò)徑導(dǎo)線方案經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于8×1000 mm2常規(guī)導(dǎo)線方案;在電價(jià)較高、損耗小時(shí)數(shù)較大時(shí)，經(jīng)濟(jì)性略差于8×JL/G3A-1000/45導(dǎo)線方案，且與8×JL/G2A-1000/80導(dǎo)線方案相當(dāng)。

2 截面穩(wěn)定性仿真分析

2.1 仿真流程

擴(kuò)徑導(dǎo)線的數(shù)值仿真流程如圖4所示。

中國(guó)電力科學(xué)研究院開發(fā)了擴(kuò)徑導(dǎo)線截面穩(wěn)定性分析軟件，利用基于ANSYS軟件APDL語言開發(fā)的全參數(shù)化的有限元程序?qū)?dǎo)線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬［13］，以預(yù)測(cè)跳股現(xiàn)象。

圖4 擴(kuò)徑導(dǎo)線數(shù)值仿真流程示意圖Fig.4 Numerical simulation process of diameter expanded conductor

2.2 失穩(wěn)判據(jù)

根據(jù)擴(kuò)徑導(dǎo)線跳股機(jī)理來設(shè)計(jì)在建模仿真時(shí)導(dǎo)線截面失穩(wěn)判據(jù)，當(dāng)外層某個(gè)單線到最內(nèi)層鋼線中心的距離大于相鄰單線則認(rèn)定為跳股發(fā)生，可以用公式(1)表達(dá)，如圖5所示。

圖5 跳股判據(jù)示意圖Fig.5 Criterion of string jump

式中:R(I)為加載變形后，最外層第I根單線中心到最內(nèi)層鋼線的中心距離;R(I+1)為加載變形后，與第I根單線相鄰的第I+1根單線中心到最內(nèi)層鋼線的中心距離;Ro為最外層鋁線半徑;參考值取0.5～1.0。

以R(I)與R(I+1)之差與最外層鋁線半徑的比值k作為是否出現(xiàn)跳股現(xiàn)象的簡(jiǎn)單判斷項(xiàng)，當(dāng)這個(gè)數(shù)值大于參考值時(shí)表示跳股情況發(fā)生。

將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可得跳股準(zhǔn)則的合理經(jīng)驗(yàn)值為:對(duì)于3層鋁股擴(kuò)徑導(dǎo)線，跳股準(zhǔn)則判定值取1較為合理;對(duì)于4層鋁股擴(kuò)徑導(dǎo)線，跳股判定值取0.5較為合理。

2.3 仿真結(jié)果

JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88擴(kuò)徑導(dǎo)線跳股臨界載荷模擬結(jié)果，如圖6所示，圖中縱向?yàn)樘膳袚?jù)值(R(I)與R(I+1)之差與最外層鋁導(dǎo)線半徑的比值)，最上端橫線值為1，中間橫線值為0.5;橫向?yàn)閷?dǎo)線長(zhǎng)度方向。圖中每根曲線代表導(dǎo)線外層每根鋁股變形情況，其跳股臨界載荷為25.0%RTS。

圖6 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88擴(kuò)徑導(dǎo)線模擬結(jié)果跳股判斷曲線圖Fig.6 Criterion of string jump for simulation result of expanded diameter conductor JLXK/G2A-780(1000)/80-42.88

3 截面穩(wěn)定性驗(yàn)證

3.1 模擬試驗(yàn)

由于現(xiàn)場(chǎng)展放試驗(yàn)需要的場(chǎng)地大、牽張?jiān)O(shè)備多、導(dǎo)線長(zhǎng)度長(zhǎng)、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、跳股現(xiàn)象難以觀測(cè)等因素，無法將之作為建模參數(shù)化試驗(yàn)研究的方式。因此本試驗(yàn)驗(yàn)證使用了模擬過滑輪試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)原理如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)示意圖Fig.7 Test schematic diagram

試驗(yàn)條件如下:(1)滑輪呈倒品字形擺放，1、3號(hào)滑輪直徑為650 mm，2號(hào)滑輪直徑為800 mm;(2)包絡(luò)角為30°;(3)運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)運(yùn)動(dòng);(4)機(jī)構(gòu)行走速度為1 m/s;(5)試驗(yàn)設(shè)備的標(biāo)高為1.5 m，觀測(cè)點(diǎn)位于試件離開上部滑輪的位置;(6)最大加載力為500 kN;(7)試樣長(zhǎng)度為21 m。

取20次作為過滑輪次數(shù)上限，在某張力下，如果20次過滑車試驗(yàn)后沒有發(fā)生跳股現(xiàn)象，則可以認(rèn)為導(dǎo)線在此張力作用下不會(huì)跳股。采用順序法逼近最小跳股張力，張力從15%RTS開始，若不跳股則試驗(yàn)張力每隔5%RTS遞加，直到發(fā)生跳股為止。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 最小跳股張力

過滑輪試驗(yàn)選取導(dǎo)線LXK/G2A-780(1000)/80－42.88，試驗(yàn)得到此種導(dǎo)線跳股臨界張力為25%RTS，與仿真模擬計(jì)算結(jié)果相同。

3.2.2 鋁股壓痕及單絲損傷

當(dāng)擴(kuò)徑導(dǎo)線在較大的張力作用下通過滑車，因其內(nèi)部同層鋁線之間存在較大間隙，使其對(duì)相鄰層鋁線的支持力存在較大的缺失，從而使導(dǎo)線鋁股層間產(chǎn)生了比一般常規(guī)導(dǎo)線嚴(yán)重的壓痕。因?yàn)殇X股材質(zhì)相同，產(chǎn)生的層間壓痕是相互鑲嵌式的。這些壓痕的累積將使導(dǎo)線的直徑減小。擴(kuò)徑導(dǎo)線的典型壓痕如圖8所示［14］。

圖8 導(dǎo)線鋁線壓痕圖Fig.8 Creasing of aluminium conductor

由圖8可見，隨著張力的增加，導(dǎo)線各層鋁股強(qiáng)度逐漸減小，由于導(dǎo)線中間層鋁股疏絞較多，因此導(dǎo)線中間層的鋁股強(qiáng)度損失最多。各層鋁股強(qiáng)度的測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88導(dǎo)線各層鋁股試驗(yàn)后平均強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Average intensity statistics of aluminum wire at each layer of conductor JLXK/G2A-780(1000)/80-42.88 after testing

3.2.3 導(dǎo)線截面變化

對(duì)25%RTS張力下經(jīng)過20次滑輪試驗(yàn)的導(dǎo)線試件進(jìn)行取樣，并在樹脂中浸泡，待樹脂完全凝固后，沿導(dǎo)線徑向切開，得到如圖9所示的臨界張力下導(dǎo)線跳股截面。

圖9 擴(kuò)徑導(dǎo)線跳股處截面失穩(wěn)照片F(xiàn)ig.9 Section instability of expanded diameter conductor when string jump

通過觀察發(fā)現(xiàn)，外層鋁線之間緊密接觸，相互擠壓。這是由于鋁線發(fā)生局部塑性變形產(chǎn)生壓痕導(dǎo)致的導(dǎo)線直徑縮減，進(jìn)而使外層鋁線之間原始間隙減小，又使外層鋁線之間發(fā)生相互擠壓［15］。

4 結(jié)語

本文通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，探索出一條研制擴(kuò)徑導(dǎo)線的道路。首創(chuàng)了一種大截面型線疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線的新型結(jié)構(gòu)，即鋁股外層采用圓線密排，支撐層采用型線疏絞，設(shè)計(jì)了JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88較常規(guī)等外徑導(dǎo)線可節(jié)約投資，年費(fèi)用在電價(jià)低、利用小時(shí)數(shù)低的工程上與常規(guī)等外徑導(dǎo)線相當(dāng)。

通過開發(fā)出來的分析擴(kuò)徑導(dǎo)線截面穩(wěn)定性的有限元仿真程序，評(píng)估上述大截面型線疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線的截面穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果表明其臨界跳股張力為25%RTS。對(duì)試制樣品進(jìn)行過滑車試驗(yàn)，結(jié)果表明上述擴(kuò)徑導(dǎo)線的臨界跳股張力為25%RTS，能夠用于實(shí)際工程中。

綜上所述，大截面擴(kuò)徑導(dǎo)線 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88，截面穩(wěn)定性好，適用于電磁環(huán)境要求高、利用小時(shí)數(shù)低的工程。

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