擴徑導線在張拉載荷下的股線分層應力計算

董玉明，萬建成，王 孟，司佳鈞，劉 龍，楊光甫

(1.中國電力科學研究院，北京102200；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

擴徑導線在張拉載荷下的股線分層應力計算

董玉明1，萬建成1，王 孟2，司佳鈞1，劉 龍1，楊光甫2

(1.中國電力科學研究院，北京102200；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

研究擴徑導線分層應力計算，能夠為擴徑導線的應用提供技術(shù)支持?？紤]擴徑導線的幾何特征，對擴徑導線的分層應力計算進行了理論分析，推導了擴徑導線分層應力計算的理論公式；建立了擴徑導線的有限元模型，考慮股線間的接觸非線性，對張拉載荷工況的擴徑導線進行了分析；將理論計算與有限元仿真計算的結(jié)果進行了對比研究。研究結(jié)果表明：張拉載荷下擴徑導線分層應力計算的理論公式與有限元結(jié)果的對比基本吻合；張拉載荷作用下，擴徑導線各絞層股線所受軸向拉力從內(nèi)向外逐漸減小，鋼芯所受軸向應力相對較大，鋁絞層所受軸向應力較小。

擴徑導線；分層應力計算；張拉載荷；有限元

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電能需求日益增長。為提高電能輸送，輸電電壓等級逐漸提高。當電壓等級高于220 kV時，線路電抗較大，電暈損耗較為嚴重[1]，這會提高輸電線路運行成本。另外，較為嚴重的電暈帶來較大電磁噪聲，給周邊環(huán)境帶來噪音污染[2]。為了造就資源節(jié)約型與環(huán)境友好型的架空輸電線路工程，需要選用更經(jīng)濟與環(huán)保的架空輸電線路，擴徑導線應運而生[3，4]。擴徑導線通過支撐層鋁線疏絞的方式擴大了導線外徑，這樣可以減小導線表面的電場強度和電暈放電，降低噪聲，減少對無線電的干擾。相對于常規(guī)導線，擴徑導線重量較輕，在滿足輸送容量要求和環(huán)境保護指標的前提下，可降低線路整體造價[5，6]。

由于擴徑導線支撐層鋁線疏絞，在外載荷作用下其各層線股的受力與普通導線有所不同。若鋁股所受應力過大，則將大大降低其疲勞壽命，所以有必要分析其在平均運行張力下擴徑導線分層應力。有關(guān)導線結(jié)構(gòu)應力計算的研究方法主要可分為理論推導與數(shù)值仿真兩種[7～11]。研究擴徑導線分層應力計算，能夠為擴徑導線的應用提供技術(shù)支持。

本文考慮擴徑導線的幾何特征，對擴徑導線的分層應力計算進行理論分析，推導擴徑導線分層應力計算的理論公式；建立擴徑導線的有限元模型，考慮股線間的接觸非線性，對張拉載荷工況的擴徑導線進行分析，并將理論計算與有限元仿真計算的結(jié)果進行對比研究。

1 理論分析

1.1 股線所受沿導線軸向的力

截取擴徑導線的一微段進行受力分析，如圖1所示。F為擴徑導線所承受的軸向拉力；Zd,L為所研究股線沿自身軸線切線方向承受的拉力；Fd,L為股線沿絞線軸向方向的分力；股線螺旋角為βL。

圖1 螺旋微元段受力圖

股線沿自身軸線切線方向拉力為：

(1)

則擴徑導線所承受的拉力:

(2)

根據(jù)軸向應力關(guān)系可知

(3)

式中：εL是指股線沿自身軸向應變。設(shè)擴徑導線整體的軸向應變?yōu)棣?。圖2所示為股線沿自身軸向變形及擴徑導線軸向變形間的關(guān)系。

圖2 股線的幾何變形關(guān)系

由于

(4)

而考慮到應變很小，則有

(5)

股線沿自身軸向應變滿足

(6)

由式(4)、(5)、(6)可得

(7)

則式(3)可化為

(8)

聯(lián)立式(2)、(8)可得

(9)

由式(1)與(9)可知，當鋼絞線承受軸向力F時，股線截面沿絞線軸向方向的分力為

(10)

1.2 股線截面應力

由于外力沿擴徑導線軸向施加，其作用點可認為是絞線截面中心點上，因而計算各螺旋股線截面上內(nèi)力分布時，還得考慮軸向力平移到各股線截面中心引起的彎矩作用，如下圖3(a)所示。

螺旋股線層內(nèi)股與股間相互作用力較小，而螺旋股線與中心股線間的摩擦也對螺旋股線產(chǎn)生彎矩，且與螺旋股線所承受因外力引起的彎矩的方向共線，故其總彎矩示意圖如圖3(b)所示。

螺旋股線截面承受的是拉彎組合，截面上的應力為

(11)

根據(jù)螺旋股線截面上的內(nèi)力可得該截面上的綜合應力分布，如圖3(c)，軸向應力的極值存在于螺旋股線橢圓截面短軸的兩端。

中心股線軸線與絞線軸線重合，所受外力與其軸線共線，因而其只承受拉伸應力。由此可知，鋼絞線內(nèi)中心股線僅承受拉伸載荷，截面上為均布正應力；螺旋股線承受拉彎載荷，截面上存上拉伸應力與彎曲應力，其截面法向應力沿橢圓短軸線性變化，極值位于短軸兩端。

圖3 螺旋股線截面內(nèi)力平衡圖

2 有限元仿真

為驗證分層應力計算理論分析的正確性，以JLXK/G1A-530(630)/45擴徑導線為例，利用Ansys軟件采用有限元方法進行分析驗證。JLXK/G1A-530(630)/45擴徑導線的截面如圖4所示，其主要參數(shù)如表1所示。

圖4 擴徑導線的橫截面結(jié)構(gòu)

表1 擴徑導線的主要參數(shù)

2.1 有限元模型

這里采用實體模型模擬擴徑導線，考慮到在外載荷作用下股線間的接觸、彈塑性變形等問題，計算模型具有強非線性，因此選用8節(jié)點的Solid185非線性單元。在計算過程中需要考慮股線間的接觸問題，這里選用接觸的目標單元為TARGE170，接觸單元為CONTA174。采用參數(shù)化建模方法建立擴徑導線的有限元模型如圖5所示。在計算時，導線的一端固定，另一端設(shè)為剛性平面并施加軸向拉力。

圖5 擴徑導線有限元模型

考慮到擴徑導線線股在接觸位置會發(fā)生塑性變形，因此擴徑導線建模過程采用雙線性等向強化模型，鋼股線其彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，材料密度為ρ=7.85×103kg/m3，屈服極限為σ=1 100 MPa，鋁股線其彈性模量E=60 GPa，泊松比μ=0.3，材料密度為ρ=2.7×103kg/m3，屈服極限為σ=170 MPa。

2.2 有限元分析結(jié)果

施加張拉荷載為線路的平均運行張力，等于25%RTS。加載計算后，得到擴徑導線軸向應力云圖如圖6所示。

圖6 張拉載荷作用下軸向應力云圖

由于端部約束及加載端剛性面的影響，距模型兩端部分應力失真，故距固定端一定距離截取3個截面，其軸向應力云圖如圖7所示。

擴徑導線各層股線軸向應力分布如圖8所示。從圖中可以看出：接觸區(qū)域有應力集中現(xiàn)象，軸向應力一般沿股線橢圓截面短軸向外側(cè)逐漸減小。

圖7 張拉載荷作用下各截面軸向應力云圖

圖8 張拉載荷作用下某截面內(nèi)各絞層截面軸向應力云圖

3 分層應力計算結(jié)果對比

為減小邊界條件對分析結(jié)果的影響，取擴徑導線模型的中間截面，通過對截面軸向應力的積分，求出每個絞層內(nèi)各根股線的截面軸力，求出每個絞層內(nèi)股線截面的平均軸向應力，并與理論值進行對比，如表2所示。

表2 各股線截面內(nèi)力的理論值與有限元值對比

由表2可知，各股線軸力理論值與仿真值最大相差為10.68 %，最小相差為1.34 %，而該截面積分總軸向力為39.998 kN，與總荷載相等。平均應力理論與仿真值相差在7%～10%之間。理論推導過程，未考慮相臨絞層間的摩擦，由此表可知，絞層間的接觸對各股線間的軸力存在一定的影響。張拉載荷作用下，擴徑導線橫截面內(nèi)絞層軸向應力從內(nèi)向外逐漸減小，鋼芯相對較大，鋁絞層軸向應力較小，且鋁絞層間彼此相差不大。

4 結(jié)論

(1)建立了擴徑導線分層應力計算的理論公式，該公式計算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果基本吻合。

(2)建立了擴徑導線的分層應力計算有限元模型，并進行了分析。分析結(jié)果表明：各股線接觸區(qū)域有應力集中現(xiàn)象，軸向應力一般沿股線橢圓截面短軸向外側(cè)逐漸減小。

(3)在線路平均運行張拉載荷作用下，擴徑導線內(nèi)絞層各股線所受軸向拉力從內(nèi)向外逐漸減??；中心股線軸向應力相對較大，鋁絞層軸向應力較小，且鋁絞層間彼此相差不大。

[1]隋曉杰，宋守信.高壓輸電線路電暈放電分析[J]. 電力建設(shè), 2006, 27(3): 37-38.

[2]葉鴻聲，袁志磊，趙連岐.降低特高壓輸電線路電暈可聽噪聲的措施[J]. 電力建設(shè), 2007, 28(8): 1-5.

[3]劉本粹, 喻新強, 郭日彩, 等. 擴徑導線在超高壓大容量輸電工程中的應用展望[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007, 31(21): 1-4.

[4]張祿琦，郝陽，李小亭，等.擴徑導線在特高壓交流輸電線路工程中的應用[J]. 電力建設(shè), 2012, 33(8): 1-4.

[5]萬建成，劉臻，孫寶東，等. 擴徑導線的分類與擴徑方式的選擇[J]. 電力建設(shè),2010, 31(6):113-118.

[6]萬建成，司佳鈞，劉彬，等. 一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的大截面擴徑導線設(shè)計[J]. 電力建設(shè),2013, 34(10):92-96.

[7]趙新澤，周權(quán)，高偉.鋼芯鋁絞線同層線股間接觸有限元分析[J]. 三峽大學學報(自然科學版),2011,33(1):69-72.

[8]Gnanavel B K, Parthasarathy N S. Effect of Interfacial Contact Forces in Lateral Contact Wire Strand[C]. World Congress on Engineering 2011(WCE 2011), Lodon, UK, 6-8 July, 2011: 2057-2063.

[9]Jolicoeur C, Cardou A. Semicontinuous Mathematical Model for Bending of Multilayered Wire Strands[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1996, 122(7): 643-650.

[10]馬行馳, 何大海, 朱瑞. ACSR-720/50 型架空導線單股應力狀態(tài)分析[J]. 電線電纜, 2013,(3): 13-16.

[11]姚瑞, 黃新波. 架空導線的有限元建模方法解析[J]. 科技資訊, 2013 (24): 103-104.

Stress Calculation of Between Layered Strands of Expanded Conductor Under Tension

Dong Yuming1, Wan Jiancheng1, Wang Meng2,Si Jiajun1, Liu Long1, Yang Guangfu2

(1.China Electric Power Reseach Institute, Beijing 102200, China; 2. Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

This study about expanded conductor stratified stress calculations could provide technical support for the production and application of the expanded conductor. First, considering the geometric characteristics of expanded conductor, the theoretical analysis of stratified stress calculation of expanded conductor was done and the theoretical formula for stratified stress calculation was deduced. Then, a finite element model of expanded conductor was developed and the tensile load condition was studied, considering the nonlinear contact of the strands. Finally, the results of the theoretical calculations were compared with those of the finite element simulation. The results showed that the results of the theoretical formula for stratified stress calculation of expanded conductor were basically consistent with those in the simulation. Under the tensile load, the axial tension in each layer of expanded conductor decreased from the inside to the outside, and the inner strands made of steel withstood larger force while the aluminum layer’s axial tension was weaker.

expanded conductor; stratified stress calculation; tensile load; FEM

2015-05-08。

國家電網(wǎng)公司科技項目(GCB17201400076)

董玉明(1968-)，男，高級工程師，從事導線、金具研究與設(shè)計工作，E-mail：dongyuming@epri.sgcc.com.cn。

TM73

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.012