針對(duì)輸電架空線(xiàn)路的受力磨損特性分析

胡駿+羅平

摘 要：隨著科學(xué)的飛速發(fā)展，人們生活水平的進(jìn)一步提高，同時(shí)工業(yè)的大力發(fā)展，導(dǎo)致用電負(fù)荷進(jìn)一步增大，電力己經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分。在全國(guó)大部分范圍內(nèi)輸電方式上，以架空輸電線(xiàn)路為主，導(dǎo)線(xiàn)在架空輸電線(xiàn)路中起重要的作用，但架空導(dǎo)線(xiàn)大部分在野外運(yùn)行，受風(fēng)載荷的影響，導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)與線(xiàn)夾、導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)股間出現(xiàn)磨損。且這種磨損是無(wú)法避免性的，久之就對(duì)導(dǎo)線(xiàn)表面狀況和導(dǎo)電性能產(chǎn)生一定性影響，隨之帶來(lái)導(dǎo)線(xiàn)電暈的增強(qiáng)、導(dǎo)線(xiàn)斷股的概率增加、線(xiàn)路損耗增多，甚至?xí)?dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)斷裂情況發(fā)生。由于導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)股間的磨損具有很大的隱蔽性，難以實(shí)施有效的檢測(cè)，因此，研究導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)股間的應(yīng)力分布，對(duì)深入研究導(dǎo)線(xiàn)的磨損特性具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：架空線(xiàn)路；受力；磨損

中圖分類(lèi)號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0192-02

引言

架空導(dǎo)線(xiàn)經(jīng)歷了由銅絞線(xiàn)到鋁絞線(xiàn)再到復(fù)合多股絞線(xiàn)的演變。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般輸電線(xiàn)路工程項(xiàng)目主要?jiǎng)澐秩缦?五個(gè)方面：（1）土石工程：主要包括材料運(yùn)輸，以及土石方開(kāi)挖。土石方開(kāi)挖包括塔坑、拉線(xiàn)坑、接地槽、施工基面的土石方等工作。（2）基礎(chǔ)工程：該項(xiàng)目主要包括基礎(chǔ)材料的運(yùn)輸，基礎(chǔ)工程中的鋪石灌漿，預(yù)制基礎(chǔ)和現(xiàn)澆混凝土、打預(yù)制樁和灌注樁基礎(chǔ)?；A(chǔ)建設(shè)完成還需要護(hù)坡、擋土墻、以及排洪砌建。（3）桿塔工程：桿塔工程包括桿塔角鋼的運(yùn)輸、桿塔的組立以及拉線(xiàn)的制作安裝；桿塔接地的安裝。（4）架線(xiàn)工程：架線(xiàn)工程主要包括導(dǎo)地線(xiàn)的牽引架設(shè)、導(dǎo)地線(xiàn)的運(yùn)輸。（5）附件安裝工程：附件安裝主要包括金具絕緣子等附件的運(yùn)輸和安裝費(fèi)用。

1 導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)及物理性能

圓線(xiàn)同心絞線(xiàn)就是將整根電線(xiàn)的所有各層圓線(xiàn)股都圍繞著同一根芯線(xiàn)扭絞而成。常用的電線(xiàn)都是單絞式的圓線(xiàn)股同心分層絞成，了解其結(jié)構(gòu)和物理性能是推導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)分層模型的基礎(chǔ)。

1.1 導(dǎo)線(xiàn)的扭絞理論

（1）絞線(xiàn)的股數(shù)與外徑。單絞型絞線(xiàn)的線(xiàn)芯可以用1～5股的圓線(xiàn)股扭成，而以中心為一股者最好（現(xiàn)行線(xiàn)標(biāo)中均為一股），這時(shí)的外徑最小。各層的股數(shù)隨該層股徑（mm）和相鄰內(nèi)層外徑（mm）而變，其近似關(guān)系式可寫(xiě)為：

式中考慮了層中線(xiàn)股因具有扭絞斜角而在電線(xiàn)的垂直截面內(nèi)線(xiàn)股呈橢圓、長(zhǎng)徑稍大于股經(jīng)的因素。實(shí)際生產(chǎn)中股數(shù)取與計(jì)算結(jié)果最接近的整數(shù)。

（2）電線(xiàn)密實(shí)系數(shù)。電線(xiàn)的密實(shí)系數(shù)q為電線(xiàn)各股圓截面總和與外徑圓面積之比值。當(dāng)股徑均相等為d時(shí)，具有n層的電線(xiàn)密實(shí)系數(shù)q由上式寫(xiě)為：

由式可知q總是大于0.75，當(dāng)考慮扭絞斜度和層數(shù)n很多時(shí)，q接近0.75。該系數(shù)也可用作防腐涂料的計(jì)算參數(shù)。

1.2 導(dǎo)線(xiàn)的物理性質(zhì)

綜合拉斷力和抗拉強(qiáng)度是指架空線(xiàn)在均勻增大的拉力作用下，逐漸被拉長(zhǎng)，至拉斷時(shí)所需的拉力稱(chēng)為拉斷力。對(duì)于鋼芯鋁絞線(xiàn)來(lái)說(shuō)，拉斷力由剛部和鋁部共同承受，為二者的綜合拉斷力。絞線(xiàn)的綜合拉斷力是指絞線(xiàn)受拉時(shí)其中強(qiáng)度最弱或受力最大的一股或多股出現(xiàn)拉斷時(shí)的總拉力。

相鄰兩層線(xiàn)之間存在正壓力和摩擦力，影響線(xiàn)材的強(qiáng)度和變形，從而降低了絞線(xiàn)的綜合拉斷力。

鋁線(xiàn)的強(qiáng)度損失系數(shù)：37股以上的鋁絞線(xiàn)取0.9，37股及以下的鋁絞線(xiàn)取0.95，鋼芯鋁絞線(xiàn)取1.0。

2 力學(xué)模型的基礎(chǔ)條件

《電力工程高壓送電線(xiàn)路設(shè)計(jì)手冊(cè)》里面將導(dǎo)線(xiàn)視為一個(gè)柔索，不考慮導(dǎo)線(xiàn)分層特性，滿(mǎn)足常規(guī)地質(zhì)、氣候條件的設(shè)計(jì)要求。但在極端氣候條件發(fā)生時(shí)，由于其導(dǎo)線(xiàn)自身材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和載荷比較復(fù)雜，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法往往不能滿(mǎn)足要求。本節(jié)將結(jié)合導(dǎo)線(xiàn)材料性能參數(shù)，推導(dǎo)了導(dǎo)線(xiàn)分層力學(xué)模型。在對(duì)軸向張力以及股間壓力的分析中，我們假定絞線(xiàn)內(nèi)各層股間之間沒(méi)有相對(duì)滑移，在此前提條件下，推導(dǎo)了得出了線(xiàn)股的軸向張力和股間壓力。

2.1 現(xiàn)有的張力分析方法

工程設(shè)計(jì)中，主要的導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)力算法如下：

（1）張力均分模型。導(dǎo)線(xiàn)在張力T的作用下，鋁股總受力和鋼股總受力分別為和，計(jì)算式為：

（MPa）；EL為鋁股的彈性模量（MPa）；AG為鋼芯的總截面積（mm2）；AL為鋁股的總截面積（mm2）。

（2）電線(xiàn)的狀態(tài)方程：

式中？滓m為已知電線(xiàn)最低點(diǎn)的水平應(yīng)力，？滓為待求最低點(diǎn)應(yīng)力，N/mm2；？酌m，？酌分別為己知和待求的電線(xiàn)比載，N/mm2；l為電線(xiàn)檔距，m；E為導(dǎo)線(xiàn)的彈性模量，N/mm2；a為導(dǎo)線(xiàn)的溫度伸長(zhǎng)系數(shù)，1/℃。

2.2 圓線(xiàn)同心絞載荷試驗(yàn)方法

導(dǎo)線(xiàn)經(jīng)過(guò)加工工藝后為驗(yàn)證可靠性和可用性，在出廠(chǎng)前需進(jìn)行一系列試驗(yàn)，進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)拉斷力試驗(yàn)及應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以解釋導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度要求。應(yīng)當(dāng)指出的是運(yùn)行導(dǎo)線(xiàn)的載荷形式相似于應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)加載。圓線(xiàn)同心絞架空導(dǎo)線(xiàn)（GB/T1179-1999）中關(guān)于導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)加載如下：（1）施加2%額定抗拉力的初負(fù)荷，拉直導(dǎo)線(xiàn)，拉直后去除初負(fù)荷；（2）施加30%額定抗拉力的負(fù)荷，保持0.5小時(shí)，在5分鐘、10分鐘、15分鐘、30分鐘時(shí)讀取結(jié)果，并卸載到初負(fù)荷；（3）分別施加50%額定抗拉力、70%額定抗拉力、85%額定抗拉力，保持1小時(shí)，分別在5分鐘、10分鐘、15分鐘、30分鐘、45分鐘、60分鐘時(shí)讀取結(jié)果，并卸載到初負(fù)荷；（4）均勻施加拉力至額定拉斷力；（5）達(dá)到30%額定抗拉力的時(shí)間介于1分鐘與2分鐘之間，負(fù)荷增長(zhǎng)速率保持不變。

3 導(dǎo)線(xiàn)分層模型計(jì)算實(shí)例

通過(guò)查詢(xún)相關(guān)資料得到方程組導(dǎo)線(xiàn)的力學(xué)相關(guān)方程組，應(yīng)用MATLAB軟件中的Solve命令進(jìn)行求解，處理過(guò)程如下：（1）對(duì)開(kāi)方項(xiàng)進(jìn)行級(jí)數(shù)分解，約掉對(duì)結(jié)果影響較小的高次項(xiàng)；（2）按5層進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，目前實(shí)際導(dǎo)線(xiàn)最多只有5層絞線(xiàn)；（3）應(yīng)用矩陣?yán)碚撘?guī)范方程，便于MATLAB求解的通用化。

以國(guó)標(biāo)中JL/G2A-400-45/7型鋼芯鋁絞線(xiàn)為例，該導(dǎo)線(xiàn)是由45股直徑為3.36mm的硬鋁線(xiàn)和7股直徑為2.24mm的高強(qiáng)度A級(jí)渡鋅鋼線(xiàn)絞制而成，有3層鋁股，1層鋼芯和中心1根未經(jīng)絞捻的鋼芯，外層右捻，內(nèi)層依此交替，由上式可求得JL/G2A-400-45/7導(dǎo)線(xiàn)各層股線(xiàn)的螺旋角（捻角），用MATLAB編制計(jì)算程序，計(jì)算得到各股絞線(xiàn)的軸向張力（N）：

=0.028620T，=0.027365T，=0.017226T，=0.017325T，=0.017

331T

各股層間擠壓力（N）：

=0.0030951T，=0.0026913T，=0.0014206T，=0.00063785T

各股線(xiàn)的剪應(yīng)力（）：

=0.0010388T，=0.00047218T，=0.00051172T，=0.0005548T

各股線(xiàn)的正應(yīng)力（）：

=0.0072622T，=0.0069442T，=0.0019539T，=0.0019546T，=0.0019428T

導(dǎo)線(xiàn)受力情況十分復(fù)雜，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：（1）四種應(yīng)力中，軸向張力占主導(dǎo)地位；（2）鋼芯的軸向張力最大。這是因?yàn)殇摼哂锌估阅芤约案邚?qiáng)度的機(jī)械特性，也與其結(jié)構(gòu)有關(guān)；（3）鋁股軸向張力從內(nèi)到外依次增加；（4）股線(xiàn)間擠壓力從外到內(nèi)逐漸增大，這是可以理解的，外層作用的層間擠壓力會(huì)累計(jì)到內(nèi)層。

通過(guò)對(duì)承受已知張力的各股線(xiàn)受力分配，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)各股線(xiàn)受力情況非常復(fù)雜，而在實(shí)際運(yùn)行中，由于荷載較多，將會(huì)更加復(fù)雜。

4 結(jié)束語(yǔ)

圓線(xiàn)同心絞架空導(dǎo)線(xiàn)是由若干股線(xiàn)絞合而成的復(fù)合導(dǎo)線(xiàn)。由于絞線(xiàn)在多方面所呈現(xiàn)的優(yōu)異性能，因此廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中。絞線(xiàn)在其使用過(guò)程中經(jīng)受著各種各樣的荷載。為確保絞線(xiàn)的安全可靠運(yùn)行，有必要對(duì)絞線(xiàn)的受力性能加以分析。本文介紹了圓線(xiàn)同心絞的結(jié)構(gòu)特性及其物理特性，圍繞構(gòu)建分層模型展開(kāi)研究，在實(shí)踐工作中有一定參考意義。

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