新型输电导线内嵌式接续管振动疲劳响应特性及试验分析1)

doi:10.6052/1000-0879-21-154

新型输电导线内嵌式接续管振动疲劳响应特性及试验分析¹⁾

张仁奇^,^*^,²⁾, 祝贺^†, 张义钊^*, 邢宏超^†, 袁鸣^†, 廖汉梁^†, 朱金福^†

^*贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵阳550000

^†东北电力大学,吉林吉林 132000

VIBRATION FATIGUE RESPONSE CHARACTERISTICS AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF A NEW TYPE OF INLINE JACKET FOR TRANSMISSION CONDUCTORS¹⁾

ZHANG Renqi^,^*^,²⁾, HU He^†, ZHANG Yizhao^*, XING Hongchao^†, YUAN Ming^†, LIAO Hanliang^†, ZHU Jinfu^†

^*Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550000, China

^†Northeast Electric Power University, Jilin 132000, Jilin, China

通讯作者: 2)张仁奇,高级工程师,研究方向为高压输电导线内套型接续段研制。E-mail:1847100557@qq.com

责任编辑: 王永会

收稿日期: 2021-04-14 修回日期: 2021-06-19

基金资助:

1)高压输电导线内套型接续管研制资助项目(2018220202000)

Received: 2021-04-14 Revised: 2021-06-19

作者简介 About authors

摘要

为了研究新型输电导线内嵌式接续管振动疲劳寿命各种压接影响因素以及风振疲劳失效响应,在建立风振作用下钢芯铝绞线接续管疲劳响应数学模型的基础上,结合塑性流动法和强度因子法,使用COMSOL软件对不同压接对边尺寸下的钢芯铝绞线接续管的疲劳响应进行仿真和试验。研究结果验证了新型输电导线内嵌式接续管的可行性,与传统的接续管相比,新型输电导线内嵌式接续管能够提高压接的稳定性,有效降低接续管疲劳源区在微风振动作用下形成的动弯应力,减小导线的疲劳损伤。

关键词： 接续管; 疲劳; 振动; 动弯应变; 应力

Abstract

Numerical simulation and experiment have been carried out to investigate the vibration fatigue life, various crimping factors, and wind-induced fatigue for the new transmission conductor built-in connection pipe. First, a mathematical model for the fatigue response of the steel core aluminum stranded wire connection pipe under the action of wind vibration is developed. Then the model is used to numerically simulate the fatigue response of the pipe under different crimping opposite sides, which is numerically solved with COSMOL by combining the plastic flow method and the strength factor method. The research results verify the feasibility of the new transmission wire embedded splice tube. Compared with the traditional splice tube, the new transmission wire embedded splice tube can improve the stability of crimping and effectively reduce the fatigue source area of the splice tube in the breeze vibration, the dynamic bending stress formed under the action, and the fatigue damage of the wire.

Keywords： connecting pipe; fatigue; vibration; dynamic bending strain; stress

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本文引用格式

张仁奇, 祝贺, 张义钊, 邢宏超, 袁鸣, 廖汉梁, 朱金福. 新型输电导线内嵌式接续管振动疲劳响应特性及试验分析¹⁾. 力学与实践, 2021, 43(5): 702-711 DOI:10.6052/1000-0879-21-154

ZHANG Renqi, HU He, ZHANG Yizhao, XING Hongchao, YUAN Ming, LIAO Hanliang, ZHU Jinfu. VIBRATION FATIGUE RESPONSE CHARACTERISTICS AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF A NEW TYPE OF INLINE JACKET FOR TRANSMISSION CONDUCTORS¹⁾. MECHANICS IN ENGINEERING, 2021, 43(5): 702-711 DOI:10.6052/1000-0879-21-154

作为连接导线的重要金具,接续管在振动和热作用下发生的形变会影响导线路径安全^[1-2]。导线的疲劳特性研究主要基于Miner理论,该理论认为损伤的累积造成了导线的疲劳损伤^[3-6]。王景朝等^[7]基于Miner准则与Wohler安全边界曲线,研究并总结了导体疲劳寿命的估计方法。文献[8,9]采用有限元方法分析了钢芯铝绞线在不同振幅和不同张力下的动态弯曲应变。然而,由于导线风振响应的复杂性,数值模拟与实际存在较大的差异。文献^[10,11]研究了微风振动作用下,沿导线方向上电机的疲劳寿命,并根据实时监测数据得到不同环境下导线的损伤特性。综上,国内外学者对微风振动条件下导线的疲劳损伤进行的研究,证明了Miner疲劳准则和Wohler安全边界曲线与疲劳寿命的计算密切相关。目前对疲劳寿命的研究存在如下问题：(1)仅注重线夹的出口端,而忽略了接续管的影响;(2)对接续管失效的研究仍处在对失效金具的表象分析,仅仅提出了压接条件是影响接续管使用的重要因素,并没有对接续管的使用应力进行深层次的研究。为了解决以上问题,本文对接续管的使用应力进行深度分析,提出新型输电导线内嵌式接续管,建立钢芯铝绞线接续管压风振疲劳响应数学模型,将接续管的疲劳破坏划为损伤阶段与断裂阶段,采用COMSOL仿真软件建立相同物理模型进行疲劳仿真计算,通过试验进行接续管疲劳寿命损伤特性研究,并明确压接对边尺寸、压接模长、接续管口倒角型式等压接因素以及风振疲劳对接续管失效的影响。

1 新型输电导线内嵌式接续管与传统接续管对比结构的特点

新型输电导线内嵌式接续管由外层铝接续管、外嵌层变台阶铝管和内嵌层管构成。外层铝接续管提供圆线同心绞架空导线对接主要的抗张力和接头压力,内外嵌层铝管分别提供压接部分钢丝、铝丝嵌入填充材料,利用铝合金的高静摩擦系数将接头压力转变为抗张力,提高接头的握着力。

相比于传统的接续管,新型输电导线内嵌式接续管内外嵌层铝管硬度低,不会压伤19绞架空同心钢芯铝绞线,只要模具跟压接管匹配,压接头不会出现欠压、松股现象,因此可以不用对压接头进行无损检测。

传统接续管具有如下问题：(1) 导线接续处各部分结构线膨胀系数不同,导致温度变化时接续处出现裂缝;(2)现有钢芯铝绞线接续管在使用过程中,由于材料及压接工艺存在不足,常造成钢芯压伤疲劳断股;(3)压接后铝绞线、铝合金接续管出现屈服硬化,热膨胀不一致无法补偿,接续管与铝绞线压接部位产生缝隙,空气和水进入后氧化,接续管与铝绞线压接部位接触电阻增大发热,导线接续失效断线。相较于传统接续管,新型接续管具有接续管结构温升低于导线温升、整体结构压接后握力不小于高压输电导线额定拉断力的95%、插层铝管材料电导无限接近铝绞线且弹性模量在钢铝之间等特点。此外,新型接续管对各部分结构进行了防腐处理,结构内部能够起到防腐蚀作用,并且母铝管内壁特殊处理,弥补了插层设置导致的结构特殊性。

2 内嵌式钢芯铝绞线接续管振动疲劳响应数学模型

2.1 建立钢芯铝绞线接续管振动疲劳响应数学模型

钢芯铝绞线接续管的疲劳损伤在风振作用下可分为两个阶段,第一阶段为损伤阶段,此阶段结构未出现宏观裂纹,采用塑性流动法进行计算;第二阶段为断裂阶段,此时接续管出现宏观裂纹,此阶段应用强度因子理论进行计算。可通过对两个阶段的描述来定义钢芯铝绞线接续管的疲劳寿命。

2.2 塑性流动法求解接续管损伤阶段疲劳响应数学模型

局部反复塑性形变会导致接续管疲劳损伤,因此管辖瞬时塑性流动的损伤发展方程为

(1)$D=\frac{\sigma^{b-1}{\dot{\sigma}_{\rm r} }}{B(1-D)^{b}}$

式中,$B$和$b$分别为与钢芯铝绞线结构有关的参数,$\sigma $为钢芯铝绞线接续管的使用应力,$\sigma_{\rm r}$为钢芯铝绞线接续管在风振作用下的动弯应力,$D$为损伤变量。

对式(1)积分一个反复载荷周期便可得出每个周期的损伤量d$D$/d$N$ ($N$为损伤循环次数)。经过一个反复载荷周期积分,钢芯铝绞线接续管在风振作用下的动弯应力$\sigma_{\rm r} $只与载荷循环中的最大应力$\sigma_{\max}$和最

小应力$\sigma_{\min}$有关,假定在一个周期中的损伤变化下,积分过程中$D$视为常数,可得

(2)$\frac{{\rm d}D}{{\rm d}N}=2\int_{\sigma_{\min } }^{\sigma_{\max}}{{\rm d}D} =\frac{2(\sigma_{\max}^{b} -\sigma_{\min }^{b} )}{bB(1-D)^{b}}$

当$D=1$时结束此阶段计算,此时材料出现裂纹。当$N$到达破坏载荷循环周数$N_{\rm I}$时,

(3)$N_{{\rm I}} =\frac{bB}{2(b+1)(\sigma_{\max}^{b}-\sigma_{\min }^{b} )}$

由此,得

(4)$D=1-\lt(1-\frac{N}{N_{{\rm I}} })^{1/(b+1)}$

考虑到钢芯铝绞线振动下的应力幅值以及钢芯铝绞线接续管压接后材料的结构参数,为了表示钢芯铝绞线接续管的动弯疲劳应力$\sigma_{a}$与导线架设张力状态下的应力$\sigma_{u}$之比,引入了$S_{a}=\sigma_{a}/\sigma_{u}$,即

(5)$\frac{{\rm d}D}{{\rm d}N}=[1-(1-D)^{\beta +1}]^{\alpha (S_{M},S_{0})}\lt[\frac{S_{a} }{M(S_{0} )(1-D)}]^{\beta}$

式中,$\alpha$和$\beta $为与压接管的压接尺寸及钢芯铝绞线型号有关的参数,可由相关钢芯铝绞线$S$-$N$曲线得出;$M$ ($S_{0}$)为与钢芯铝绞线接续管微风振动相关的参数,可由具体工况取得;$S_M$为输电线风振疲劳应力与导线架设张力状态下的应力;$S_0$为接续管产生初始裂纹时疲劳应力与导线架设张力状态下的应力。

2.3 强度因子法求解接续管断裂阶段疲劳寿命数学模型

假设钢芯铝绞线接续管的管壁厚度为$h$,平均的曲率半径为$r$,裂纹长度为$a$,损伤后初始的裂纹长度为$a_{0}$,接续管裂纹长度为$a$时接续管的拉伸张力为$F_{\rm s}$,风速大小为$v$,裂纹长度折算系数为$\lambda$,接续管所在位置承受的动弯张力为$N_{0}$、应力为$\sigma_{\rm r}$,其拉伸强度因子为

(6)$K_{\rm I} =F_{\rm s} (\lambda a_{0} )\sigma_{\rm r} \sqrt {\pi a}$

利用Origin选取数据,作散点图,然后选择线性拟合,对式(6)进行曲线拟合,得到曲线关系为

(7)$F_{\rm s} =0.124 82 \lambda a$

(8)$\lambda a=\left[12-\left(1-v^{2}\right)\right]^{{1}/{4}} a / \sqrt{r h}$

裂纹扩展速率

$\frac{{\rm d}a}{{\rm d}N}=f\left( {\sigma,a,c} \right)=f\left( {K,R}\right)$

其中$K$为应力强度因子,$R$为循环应力比,$c$为材料常数,得

(9)$\frac{{\rm d}a}{{\rm d}N}=c\left[K(1-R)^{s}\right]^i,$

式中,$i$,$s$为材料常数。

令$\left[12-\left(1-v^{2}\right)\right]^{{1}/{4}}=\eta$,得

(10)$\frac{{\rm d}a}{{\rm d}N}=c\lt[\eta \sqrt {\pi rh\sigma_{\rm r} }a^{{3}/{2}}(1-R)^{s}]^{i}$

接续管裂纹从$a_{0}$扩展到$a_{c}$ ($a_{c}$为裂纹扩展到$c$位置时的裂纹长度)的疲劳寿命为$N_{\rm II}$,则对式(9)和式(10)两边进行积分得

(11)$\hspace{-4mm}\int_{a_{0}}^{a_{c}} a^{3n/2} =\ \\ \hspace{-4mm} \int_0^{N_{\rm II}} c\left[ {\eta\sqrt {\pi rh} \sigma_{\rm r} a^{3/2}(1-R)^{s}}\right]^{i}{\rm d}N_{\rm II}$

得接续管损伤寿命

(12)$N_{\rm II} =\frac{2\lt(a_{c}^{1+3n/2} -a_{0}^{1+3n/2})}{c(2+3n)\left[ {\left[ {12(1-v^{2})}\right]^{{1}/{4}}(1-R)^{s}\sigma_{\rm r} \sqrt {\pi rh} } \right]^{i}}$

式中,$n$为铝绞线的股数。

3 内嵌式钢芯铝绞线接续管振动疲劳响应特性仿真分析

以LGJ-240/30型号的钢芯铝绞线接续管为仿真模型,将塑性流动法和强度因子理论编写至COMSOL仿真软件,分析钢芯铝绞线接续管风振响应以及不同压接对边尺寸下的内嵌式钢芯铝绞线接续管疲劳响应特性。

3.1 建立内嵌式钢芯铝绞线接续管风振响应仿真模型

LGJ-240/30钢芯铝绞线接续管具体参数为：泊松比$\nu=0.33$,杨氏模量$E=1.46\times 10^{11}$ Pa,密度$\rho =5 000$ kg/m$^{3}$。

设置档距为100 m,档距内的接续管正好在整档1/4位置处压接,同时设置长为100 m,高和宽均为2.4 m的风域,建立有限元模型,如图1。