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发布时间: 2019-08-10
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DOI: 10.3969/j.issn.1006-4729.2019.04.015
2019 | Volume 35 | Number 4




        




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钢芯铝绞线微动疲劳机理及其疲劳寿命的研究进展
expand article info 段一锋, 马行驰, 高磊, 刘畅
上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090
收稿日期: 2018-04-13
基金项目: 国家自然科学基金(51501108)
中图法分类号: TM723
文献标识码: A
文章编号: 1006-4729(2019)04-0386-05

摘要

微动疲劳普遍存在于钢芯铝绞线中, 在长期的使用过程中, 微动磨损及腐蚀同时存在, 共同损害输电线路, 造成巨大的隐患。综述了钢芯铝绞线的微动疲劳研究进展, 介绍了钢芯铝绞线的微动疲劳机理、裂纹萌生和扩展机制及其影响因素。结合超高压输电导线结构特性及受力特性, 基于非线性强度退化模型, 研究了钢芯铝绞线的疲劳寿命, 并提出了一些尚待研究与探索的问题。

关键词

钢芯铝绞线; 微动疲劳; 疲劳寿命

Research on Fretting Fatigue and Fatigue Life Mechanism of Aluminum Cable Steel Reinforced Conductors
expand article info DUAN Yifeng, MA Xingchi, GAO Lei, LIU Chang
School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China

Abstract

In the long-term use process, fretting wear and corrosion accelerate the failure of the ACSR, which causes a huge security risk.The research progress of the fretting fatigue of ACSR is reviewed.The fretting fatigue, crack initiation and propagation mechanisms and the influencing factors of ACSR are introduced.Combined with the structural characteristics and mechanical characteristics of EHV transmission line, the fatigue strength residual strength model of ACSR is deduced based on the nonlinear strength degradation model.Some problems worth further research and exploration are put forward.

Key words

aluminum cable steel reinforced; fretting fatigue; fatigue life

高压输电导线主要在户外高空工作, 在工作过程中不仅会受到持续的微风振动作用, 还会受到大气污染的影响。导线长时间的微风振动作用, 加上大气环境、酸雨的腐蚀, 直接影响了导线的使用寿命, 造成导线发生疲劳断裂断股的现象, 威胁着输电线路的运行安全。因此, 研究输电导线的疲劳特性及其预留的使用寿命具有重要的现实意义。

1 微动疲劳及输电导线疲劳

架空输电线路是电力系统中最重要的组成部分之一。现今输电线路大都采用特高压输电导线, 高压输电线将电能输送至各地, 使得各个发电厂和变电站之间取得相互联系, 实现并列运行, 以及不同地区的电力系统的联网。架空输电线路主要由导线、地线、杆塔、基础和金具等组成[1]。其中, 输电导线用来输送电能, 传导电流。输电导线长期在大气环境下工作, 长时间经受酸雨的污染[2-3], 同时空气中也存在着一定的污染物, 对其造成腐蚀; 此外还要承受时刻变化的拉力作用。这将导致输电线路及其主要金属构件受到损坏, 给输电线路的安全带来巨大挑战[4]。若架空输电导线出现断股断线等故障, 则将导致输电网络出现问题, 造成大面积的停电或工业停滞, 从而造成非常严重的经济损失[5-6]。

1.1 微动疲劳的基本概念

微动是指两个物件虽然接触了, 但接触面积相当小, 且不断地来回运动。疲劳是某些构件受到循环应力和应变的持续作用, 其局部产生永久性的损伤累计, 经过一定循环次数, 其局部所累积的损伤超过材料所能承受的极限, 将会产生裂纹或者突然发生断裂。

微动疲劳是指构件要承受很多的载荷, 其中包括构件与构件相接触地方的载荷, 还有其他的诸如来自外面的载荷等。在这两种载荷的共同作用下, 材料的表面就会因为受力而发生裂纹, 由于存在着微动, 将加速裂纹的萌生和扩展。这些都是导致导线产生疲劳损伤的原因。

1.2 输电导线疲劳问题

在风所导致的一些舞动下, 导线与导线之间存在一定的摩擦, 在铝绞线绞合的情况下, 股线之间的导线与导线、导线与金属线夹之间会发生一定的微小位移与摩擦[7]。在不考虑腐蚀作用的情况下, 这种微动损伤实际上是一种不同于常规疲劳的微动疲劳, 其微动疲劳行为受到主要包括接触压力、应力状态、位移幅值和循环周次等机械参数的影响。ACSR导线的疲劳断裂区最先发生于外层铝线与线夹的接触点, 由此开始形成断裂口[8]。当铝线出现股断情况, 此时输电导线因为力的关系的不同, 导线发生一定扭转, 产生扭矩, 在各种力和力距不同的情况下, 里面的铝线容易转动而产生线的折断和损坏, 经常会产生45°断口和“V”形断口。输电导线在空中受到风吹的影响, 一般情况下可以分成多种不同振幅、不同频率的舞动[9]。导线工作中的稳定性会因不同的舞动而发生巨大改变[9-10]。同时铝线在空气中暴露存在, 在沿海地区和阴雨天, 会存在腐蚀铝线的气液体, 如Na2SO4, NaCl, NaHSO4, NaNO3, 酸雨等, 在此环境中, 铝线将会受到腐蚀[11]; 铝线由于自重和空气气流的影响, 在腐蚀环境存在时, 二者会发生耦合作用, 会进一步加快铝线的疲劳, 导致铝线失效。图 1为钢芯铝绞线失效示意。



图 1 钢芯铝绞线失效示意

2 钢芯铝绞线微动疲劳研究现状

2.1 钢芯铝绞线微动疲劳的测试方法

在国内, 部分学者已认识到输电导线微风振动研究的重要性, 并开始结合国外的相关理论和国内输电线路的实际情况开展了相关研究[12]。孔祥志[13]研究了导线自阻尼, 通过试验, 提出了3种关于测量导线自阻尼的方法, 并将“剪力法”推广应用。该方法在测量中非常先进有效。卢明良等人[14]提出了一种方法, 可以估算输电线自阻尼条件下的风振强度, 并应用此方法对影响输电线风振强度的有关因素进行了分析。孔德怡[15]通过动力学原理分析了风动原理, 同时结合实际输电导线线路的运行, 提出了防振的基本措施。李盛钦[16]提出在输电导线线路中安装防振锤来防止风吹动引起导线发生剧烈运动, 并指出不同安装位置的作用不同。卢明良和许同文[17-18]通过有限元法对输电线路中防振锤的消耗功率进行了数值模拟, 并且编制了可以分析不同防振锤类型耗能的软件, 为防振锤的耗能计算带来了方便。

2.2 钢芯铝绞线失效的案例分析

朱仲鸣[19]研究了一条架空输电线路——10~35 kV运行的线路, 这条线路经历7年运行后, 其导线与地面线路发生了严重断股的情况。汪长春、郑文远[20]通过对大亚湾核电站220 kV门型架A相导线断股事故的分析, 指出导线断股的根本原因在于点蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀。该线路所使用的钢芯铝绞线的型号为AC-185(其中铝线28根, 直径为2.89 mm, 钢芯线7根, 直径为2.5 mm), 运行过程中的年平均运行应力为24.2%;架空地线型号为C-50(其中钢线7根, 直径为2.97 mm), 运行过程中的年平均运行应力为20.6%。经过分析可知, 这种断股是由于长期微风吹动使线路发生疲劳, 最终发生事故[21]。由此可见, 虽然微风振动的振幅非常之小, 但是由于导线损伤累计效应, 这种看似微小的作用将造成重大的经济损失。梅丽佳[22]分析了一起直线铁塔的折断事故, 此次事故发生在抚州10 kV湖南I回线路的150#直线铁塔。该线路由于地处河流上端, 受河流、风动的影响, 长期存在导线振动, 导致铁塔螺栓松动。由于微风振动的振幅非常小, 隐蔽性极强, 工作人员检查时很难发现铁塔的连接螺栓出现松动、脱落的情况, 最终引起了这起事故。1982年12月大同至北京的500 kV输电工程, 出现了钢芯铝绞线最外层铝线断股事故[23-24]。2010年山东电力研究院发现, 于1986年投入运行的220 kV钢芯铝绞线, 其导线多处出现了膨胀问题, 通过解剖发现铝线最外层完好, 铝线第2层出现了70%~80%的断股, 铝线第3层有少量断股, 铝线内部出现了大量粉末[25]。2010年四川大渡河龚嘴水电站220 kV线路意外停电, 检修人员发现铝线出现了4股断线[26]。2002年1月, 巴西一条穿过巴拉那河的460 kV输电线路发生严重故障, 导致该区域发生大面积的电力瘫痪, 造成了巨大的损失[27]。通过对该线路的调查和研究发现, 这是一起典型的由于导线线股间发生的微动疲劳, 加上长时间的损伤累积导致导线断股所引发的事故[28]。

2.3 钢芯铝绞线失效的影响因素

微动疲劳是微动磨损和疲劳联合作用的过程, 涉及摩擦磨损、疲劳和腐蚀3种失效形式, 其可能单一存在, 也可能同时存在。石心余和刘启跃[29]通过试验研究了试件所受摩擦与试件表面粗糙度之间的关系, 发现在不同的条件下, 粗糙度对试件摩擦的影响不同。刘启跃等人[30]的试验研究表明, 导线表面粗糙度对微动摩擦特性的影响视情况的不同而不同:在部分滑移区域, 表面粗糙度的变化会造成较大的变化, 而在另一些滑移区域, 表面粗糙度变化对摩擦力影响较小。周文等人[31]通过有限元分析软件进行分析, 得出材料裂纹的产生和扩展主要在试件接触区域边缘。刘道新等人[32]借助了有限元分析软件对导线进行了分析, 对高压输电导线的微动疲劳特性和影响导线疲劳特性的因素进行了研究。陶锋等人[33]通过对不同结构、不同试件的分析, 研究了微动疲劳失效机理。其失效机理为, 大气中风引起导线舞动颤动, 而导线是绞合形成的, 因此钢线与铝线、铝线与铝线之间形成一定的磨损, 同时由于风的吹动, 使得导线与线夹之间存在一定的拉张力与磨损。由于酸雨中会有Nacl, Na2SO4, NaHSO4等腐蚀液体, 在磨损的同时, 会加剧磨损的程度, 加速了导线的失效[34]。

通过对输电线路种种事故案例的分析可知, 微动振动尽管看似微小, 但是能对输电线路造成极大的危害。长期的微风振动会积累导线的损伤, 出现导线疲劳断裂断股。综合学者们的研究进展, 发现目前对钢芯铝绞线疲劳的研究仍然不够完善。导线的微动疲劳极其复杂, 并且存在不同情况间影响因素的耦合作用, 现有的研究在多因素耦合作用这一方面还不够完善。

3 输电导线疲劳寿命研究

输电线路微风振动的持续作用, 会导致输电线的微动疲劳, 微动疲劳造成的损伤累积到一定程度, 将造成导线的断裂或断股, 导致输电线路出现瘫痪, 从而造成重大的财产损失或人身伤亡。

3.1 输电导线疲劳寿命的研究现状

为了研究输电导线疲劳寿命, 国外一些学者进行了大量的研究。KNYCH T等人[35]通过AlMgSi合金丝在可变应力下的蠕变实验, 得到应力与温度之间的关系。1980年的国际电网会议提出了采用同累计损伤的原理来计算其线路的疲劳寿命, 明确了输电导线达到一定损伤程度后的更换标准[36]。1995年, ZHOU Z R等人[37]进行了输电导线的疲劳实验, 模拟输电导线在运行状态时, 线夹与导线的咬合状态及相同的应力咬合, 并根据其疲劳实验对输电导线的疲劳寿命进行了具体的分析。对比国外, 我国在疲劳寿命方面的研究比较落后, 只在近20年我国经济发展的带动下才开始这方面的研究。王景朝和徐乃管[38]以Miner疲劳损伤累积理论为基础, 提出了输电线路的寿命估算方法, 如图 2所示。



图 2 Miner线性疲劳损伤理论疲劳寿命预测

该方法可以普遍应用于绝大多数的输电网络, 但其精准性和可靠性有待后续研究和大数据的验证。王洪等人[39]通过输电导线的疲劳试验及微风引起导线的振动结合动力学方程, 推导了导线所受的应力大小与微风振动振幅之间的关系。陈浩宾[40]通过微动疲劳试验机进行了试验, 采用LGJl50/25型钢芯铝绞线为材料进行了断裂分析, 对其导线的疲劳寿命作出了预测。

秦力等人[41-43]采用LGJ 400/35型钢芯铝绞线对导线疲劳剩余强度模型进行了验证, 在导线张力为20 000 N的情况下, 测得其导线抗弯刚度为13 711 922 N·mm2, 导线铝线未受损伤时强度为170 MPa, 并通过导线振动强度的计算方法, 得出了导线外层铝线动弯应力和导线疲劳剩余强度曲线。

3.2 输电导线疲劳寿命的估算方法

(1) 导线疲劳损耗率系数的计算导线年耗率系数计算表达式[44]为

$ \delta=\sum \frac{n_{i}}{N_{i}} $ (1)

式中:ni——下一年的振动次数;

Ni——疲劳特性曲线所查得的疲劳断股振动次数。

(2) 导线疲劳寿命的计算导线疲劳寿命预估表达式[45]为

$ A=\frac{1}{\sum \frac{n_{i}}{N_{i}}} $ (2)

式中:ni/Ni——在某一动弯应力σi下疲劳损伤的比例数。

式(2)表明, 导线的累计损伤之和为1。

4 结语

本文综述了钢芯铝绞线微动疲劳的研究现状, 并总结了疲劳寿命的预测方法。钢芯铝绞线在工作过程中失效的主要原因是:风致振动导致导线与线夹之间、导线与导线之间、导线与钢芯之间发生微动磨损; 大气环境下存在的NaCl, Na2SO4NaHSO4, Na3NO3等气液会对其造成一定的腐蚀, 腐蚀与微动共同作用发生微动腐蚀, 从而引发一系列的疲劳裂纹, 继而裂纹与孔洞扩展, 钢芯铝绞线发生断裂。但现有的研究只关注了钢芯铝绞线的微动磨损、微动疲劳、微动腐蚀等问题, 对其相互间的耦合作用的研究甚少, 且未考虑当有电流通过导线时, 导线周围是否存在相应的电场情况, 存在的电场是否对其微动磨损、微动疲劳、微动腐蚀存在耦合作用。同时, 在输电导线疲劳寿命的预测方面, 也存在着一定的局限。这表明在电场环境及耦合作用这两方面还有许多问题亟待探索。

参考文献