鋼芯鋁絞線沿振動波形方向磨損研究

趙新澤 高 偉 周 權(quán)

(三峽大學(xué)機械與材料學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

鋼芯鋁絞線是目前高壓架空輸電線路中最常用的導(dǎo)線,它采用鋁線和鋼線兩種線材分層同軸絞制而成[1].在風(fēng)載作用下,由于卡門(Kaman)旋渦效應(yīng),導(dǎo)致架空輸電導(dǎo)線經(jīng)常處于微風(fēng)振動狀態(tài),振動導(dǎo)致線股間會出現(xiàn)磨損[2].磨損不僅導(dǎo)致導(dǎo)線表面損傷,增加電暈放電造成功率損失,嚴(yán)重時還會導(dǎo)致導(dǎo)線斷股,造成重大的經(jīng)濟損失[3].磨損最直觀的表現(xiàn)就是產(chǎn)生磨損斑,本文通過對試驗導(dǎo)線沿振動波形方向的磨損斑進行尺寸統(tǒng)計,分析了振幅、振動角和振動次數(shù)對磨損程度的影響,結(jié)果對深入研究鋼芯鋁絞線微風(fēng)振動磨損機理及其減磨技術(shù)等具有重要價值.

1 試驗裝置

試驗采用自制導(dǎo)線微風(fēng)振動模擬試驗裝置,對LGJ150/25型鋼芯鋁絞線進行磨損試驗,圖1為試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖.通過螺栓調(diào)節(jié)試驗導(dǎo)線的試驗張力,利用導(dǎo)線端部的應(yīng)變片測定張力的大小.位于導(dǎo)線下方的激振器通過配重連接架、懸垂線夾對導(dǎo)線中點提供正弦激振力模擬導(dǎo)線在微風(fēng)下的振動.導(dǎo)線兩端的懸垂線夾在豎直方向上高度可調(diào),以模擬導(dǎo)線懸垂角度,利用加速度傳感器測量導(dǎo)線上各點的振幅.

圖1 架空導(dǎo)線微風(fēng)振動磨損試驗裝置

2 試驗方案

試驗導(dǎo)線選用35 kV輸電線路中LGJ150/25型鋼芯鋁絞線,根據(jù)LGJ150/25型鋼芯鋁絞線一般使用條件,利用相似性原理,確定試驗方案如下:

(1)試驗時導(dǎo)線加載張力為4.33kN,即導(dǎo)線計算拉斷力的8%.試驗導(dǎo)線長5.5 m.激振器振動為正弦振動,頻率為40Hz,模擬風(fēng)速為3.42m?s-1[4].

(2)振動試驗時間為每次持續(xù)40 min,每天振動時間120min,連續(xù)達到確定的振動周次.

(3)分別在105、106和1073種不同振動周次下進行試驗,每次試驗1根導(dǎo)線,記錄各檢測點振幅并分別對它們的磨損斑測量分析.表1為3次試驗的試驗參數(shù).

表1 試驗參數(shù)

圖2為導(dǎo)線3次振動試驗的檢測點,坐標(biāo)所示為各檢測點與O點的距離,其中O點為線夾出口處導(dǎo)線與線夾的最后一個接觸點.圖3為試驗導(dǎo)線振動波形示意圖,其中λ為波長,α為振動角,波節(jié)處振動角達到最大值.

試驗中利用東華測試系統(tǒng)及加速度傳感器獲得各檢測點的振幅值,試驗結(jié)束后將導(dǎo)線從檢測點處截斷,對其解股同時用丙酮、石油醚(分析純)清洗,制作檢測試樣.分別利用掃描電子顯微鏡、DMR多功能顯微鏡對磨損斑進行形狀和尺寸檢測.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 檢測結(jié)果

試驗導(dǎo)線各檢測點的振幅值見表2.由表中測量結(jié)果可知,試驗中導(dǎo)線的振動波長λ約為2m.

表2 導(dǎo)線振動試驗檢測點振幅值

在掃描電子顯微鏡下檢測發(fā)現(xiàn),導(dǎo)線內(nèi)外層磨損區(qū)的形貌均為橢圓狀磨損斑,如圖4所示.磨損斑的大小可在一定程度上反映出磨損的程度和規(guī)律.在DMR多功能顯微鏡下,以長、寬的形式記錄橢圓磨損斑的長、短軸尺寸,計算同一檢測點多個試樣磨損斑的尺寸平均值及對應(yīng)的長寬積,見表3.將表3中的數(shù)據(jù)采用折線圖表示,分別獲得相同坐標(biāo)下3種振動周次下的磨損斑的長寬尺寸和長寬積分布圖,如圖5所示.

圖4 導(dǎo)線磨痕的典型形貌(SEM×50)

表3 導(dǎo)線鋁線股磨損斑尺寸

圖5 3種振動周次下磨損斑尺寸和長寬積折線圖

3.2 結(jié)果分析

由圖5可知,導(dǎo)線各檢測點的內(nèi)外層磨損斑尺寸隨著振動周次的增加均有所增大,且磨損斑長軸方向尺寸的增加較短軸上的明顯.在105和106振動周次下,外層鋁線股磨損斑的長度略大于內(nèi)層長度,當(dāng)振動周次達到107時,內(nèi)外層磨痕尺寸發(fā)生較大變化,內(nèi)層線股磨損斑的長度迅速增長,超過外層導(dǎo)線的磨痕長度,由于內(nèi)層線股磨損斑長度增大趨勢明顯,磨損斑的長寬積也變得比外層稍大.此過程表明,在振動的初期,磨損斑的增長主要受局部接觸應(yīng)力的影響,因為鋁線股為螺旋絞制結(jié)構(gòu),內(nèi)層鋁線繞制半徑小,接觸局部曲率半徑變化較小,使得線股的局部接觸應(yīng)力相對外層較小.由同一根試驗導(dǎo)線磨損斑的尺寸分布趨勢可以看出,磨損斑尺寸的增大受導(dǎo)線振幅和導(dǎo)線振動角的雙重作用,振幅大的地方,其磨損程度相對嚴(yán)重,在距離O點980mm處的檢測點,其振幅僅為0.193mm,但振動角卻最大,其磨損斑尺寸同樣較大.3種振動周次下89mm處和2070 mm處檢測點的振幅接近,但89mm處磨損斑的尺寸較大,說明此處因金具夾持使線股間產(chǎn)生的較大接觸應(yīng)力對磨損造成了影響.

4 結(jié) 論

(1)導(dǎo)線內(nèi)外層接觸區(qū)的磨損斑呈橢圓狀,隨著振動次數(shù)的增加,鋁線股內(nèi)外層磨損斑尺寸均有顯著增加,且磨損斑長軸方向尺寸的增加較短軸上的明顯,振動前期外層線股磨損較內(nèi)層嚴(yán)重,在107周期時,內(nèi)層線股的磨損程度迅速加劇.

(2)振幅和振動角的增加都會加大接觸線股之間的磨損,但其作用機制卻不一樣:振幅大的地方內(nèi)外層導(dǎo)線曲率變化較大,層間法向擠壓力變化較大;振動角大的部位導(dǎo)線接觸副之間的相對位移趨勢更大,從而引起各部位磨損斑尺寸增長速度有差異.

(3)相同振幅及振動角時,線股間局部接觸應(yīng)力大的地方磨損程度嚴(yán)重.

[1］Karabay S,Kaya? nder F.An Approach for Analysis in RefurbishmentofExisting ConventionalHV-ACSR Transmission Lines with AAAC[J].Electric Power Systems Research,2004(72):179-185.

[2］吳 剛,趙新澤,趙春華.架空導(dǎo)線的摩擦磨損研究進展[J].潤滑與密封,2008(10):103-106.

[3］楊立秋,李?；?高玉竹.架空輸電線路微風(fēng)振動危害分析[J].中國科技信息,2008(12):54-55.

[4］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊[M].北京:中國電力出版社,1999:226-233.