趙新澤 高 偉 周 權(quán)

(三峽大學(xué)機(jī)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(dòng)狀態(tài),振動(dòng)導(dǎo)致線股間會(huì)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(shí)還會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線斷股,造成重大的經(jīng)濟(jì)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(duì)試驗(yàn)導(dǎo)線沿振動(dòng)波形方向的磨損斑進(jìn)行尺寸統(tǒng)計(jì),分析了振幅、振動(dòng)角和振動(dòng)次數(shù)對(duì)磨損程度的影響,結(jié)果對(duì)深入研究鋼芯鋁絞線微風(fēng)振動(dòng)磨損機(jī)理及其減磨技術(shù)等具有重要價(jià)值.

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用自制導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置,對(duì)LGJ150/25型鋼芯鋁絞線進(jìn)行磨損試驗(yàn),圖1為試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖.通過螺栓調(diào)節(jié)試驗(yàn)導(dǎo)線的試驗(yàn)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(duì)導(dǎo)線中點(diǎn)提供正弦激振力模擬導(dǎo)線在微風(fēng)下的振動(dòng).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(diǎn)的振幅.

圖1 架空導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)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(yàn)方案如下:

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

(2)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間為每次持續(xù)40 min,每天振動(dòng)時(shí)間120min,連續(xù)達(dá)到確定的振動(dòng)周次.

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

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖2為導(dǎo)線3次振動(dòng)試驗(yàn)的檢測點(diǎn),坐標(biāo)所示為各檢測點(diǎn)與O點(diǎn)的距離,其中O點(diǎn)為線夾出口處導(dǎo)線與線夾的最后一個(gè)接觸點(diǎn).圖3為試驗(yàn)導(dǎo)線振動(dòng)波形示意圖,其中λ為波長,α為振動(dòng)角,波節(jié)處振動(dòng)角達(dá)到最大值.

試驗(yàn)中利用東華測試系統(tǒng)及加速度傳感器獲得各檢測點(diǎn)的振幅值,試驗(yàn)結(jié)束后將導(dǎo)線從檢測點(diǎn)處截?cái)?對(duì)其解股同時(shí)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(duì)磨損斑進(jìn)行形狀和尺寸檢測.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 檢測結(jié)果

試驗(yàn)導(dǎo)線各檢測點(diǎn)的振幅值見表2.由表中測量結(jié)果可知,試驗(yàn)中導(dǎo)線的振動(dòng)波長λ約為2m.

表2 導(dǎo)線振動(dòng)試驗(yàn)檢測點(diǎn)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(jì)算同一檢測點(diǎn)多個(gè)試樣磨損斑的尺寸平均值及對(duì)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)的內(nèi)外層磨損斑尺寸隨著振動(dòng)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(dòng)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(dòng)周次達(dá)到107時(shí),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(dòng)的初期,磨損斑的增長主要受局部接觸應(yīng)力的影響,因?yàn)殇X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(duì)外層較小.由同一根試驗(yàn)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(dòng)角的雙重作用,振幅大的地方,其磨損程度相對(duì)嚴(yán)重,在距離O點(diǎn)980mm處的檢測點(diǎn),其振幅僅為0.193mm,但振動(dòng)角卻最大,其磨損斑尺寸同樣較大.3種振動(dòng)周次下89mm處和2070 mm處檢測點(diǎn)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(duì)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(dòng)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(dòng)前期外層線股磨損較內(nèi)層嚴(yán)重,在107周期時(shí),內(nèi)層線股的磨損程度迅速加劇.

(2)振幅和振動(dòng)角的增加都會(huì)加大接觸線股之間的磨損,但其作用機(jī)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(dòng)角大的部位導(dǎo)線接觸副之間的相對(duì)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(dòng)角時(shí),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(jìn)展[J].潤滑與密封,2008(10):103-106.

[3］楊立秋,李海花,高玉竹.架空輸電線路微風(fēng)振動(dòng)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(jì)手冊(cè)[M].北京:中國電力出版社,1999:226-233.