針對輸電架空線路的受力磨損特性分析

胡駿+羅平

摘 要：隨著科學的飛速發展，人們生活水平的進一步提高，同時工業的大力發展，導致用電負荷進一步增大，電力己經成為人們生活中不可缺少的一部分。在全國大部分范圍內輸電方式上，以架空輸電線路為主，導線在架空輸電線路中起重要的作用，但架空導線大部分在野外運行，受風載荷的影響，導致導線與線夾、導線線股間出現磨損。且這種磨損是無法避免性的，久之就對導線表面狀況和導電性能產生一定性影響，隨之帶來導線電暈的增強、導線斷股的概率增加、線路損耗增多，甚至會導致導線斷裂情況發生。由于導線線股間的磨損具有很大的隱蔽性，難以實施有效的檢測，因此，研究導線線股間的應力分布，對深入研究導線的磨損特性具有重要指導意義。

關鍵詞：架空線路；受力；磨損

中圖分類號：TM726 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0192-02

引言

架空導線經歷了由銅絞線到鋁絞線再到復合多股絞線的演變。結合實際經驗，一般輸電線路工程項目主要劃分如下5五個方面：（1）土石工程：主要包括材料運輸，以及土石方開挖。土石方開挖包括塔坑、拉線坑、接地槽、施工基面的土石方等工作。（2）基礎工程：該項目主要包括基礎材料的運輸，基礎工程中的鋪石灌漿，預制基礎和現澆混凝土、打預制樁和灌注樁基礎。基礎建設完成還需要護坡、擋土墻、以及排洪砌建。（3）桿塔工程：桿塔工程包括桿塔角鋼的運輸、桿塔的組立以及拉線的制作安裝；桿塔接地的安裝。（4）架線工程：架線工程主要包括導地線的牽引架設、導地線的運輸。（5）附件安裝工程：附件安裝主要包括金具絕緣子等附件的運輸和安裝費用。

1 導線的結構及物理性能

圓線同心絞線就是將整根電線的所有各層圓線股都圍繞著同一根芯線扭絞而成。常用的電線都是單絞式的圓線股同心分層絞成，了解其結構和物理性能是推導導線分層模型的基礎。

1.1 導線的扭絞理論

（1）絞線的股數與外徑。單絞型絞線的線芯可以用1～5股的圓線股扭成，而以中心為一股者最好（現行線標中均為一股），這時的外徑最小。各層的股數隨該層股徑（mm）和相鄰內層外徑（mm）而變，其近似關系式可寫為：

式中考慮了層中線股因具有扭絞斜角而在電線的垂直截面內線股呈橢圓、長徑稍大于股經的因素。實際生產中股數取與計算結果最接近的整數。

（2）電線密實系數。電線的密實系數q為電線各股圓截面總和與外徑圓面積之比值。當股徑均相等為d時，具有n層的電線密實系數q由上式寫為：

由式可知q總是大于0.75，當考慮扭絞斜度和層數n很多時，q接近0.75。該系數也可用作防腐涂料的計算參數。

1.2 導線的物理性質

綜合拉斷力和抗拉強度是指架空線在均勻增大的拉力作用下，逐漸被拉長，至拉斷時所需的拉力稱為拉斷力。對于鋼芯鋁絞線來說，拉斷力由剛部和鋁部共同承受，為二者的綜合拉斷力。絞線的綜合拉斷力是指絞線受拉時其中強度最弱或受力最大的一股或多股出現拉斷時的總拉力。

相鄰兩層線之間存在正壓力和摩擦力，影響線材的強度和變形，從而降低了絞線的綜合拉斷力。

鋁線的強度損失系數：37股以上的鋁絞線取0.9，37股及以下的鋁絞線取0.95，鋼芯鋁絞線取1.0。

2 力學模型的基礎條件

《電力工程高壓送電線路設計手冊》里面將導線視為一個柔索，不考慮導線分層特性，滿足常規地質、氣候條件的設計要求。但在極端氣候條件發生時，由于其導線自身材質、結構和載荷比較復雜，經驗設計法往往不能滿足要求。本節將結合導線材料性能參數，推導了導線分層力學模型。在對軸向張力以及股間壓力的分析中，我們假定絞線內各層股間之間沒有相對滑移，在此前提條件下，推導了得出了線股的軸向張力和股間壓力。

2.1 現有的張力分析方法

工程設計中，主要的導線應力算法如下：

（1）張力均分模型。導線在張力T的作用下，鋁股總受力和鋼股總受力分別為和，計算式為：

（MPa）；EL為鋁股的彈性模量（MPa）；AG為鋼芯的總截面積（mm2）；AL為鋁股的總截面積（mm2）。

（2）電線的狀態方程：

式中？滓m為已知電線最低點的水平應力，？滓為待求最低點應力，N/mm2；？酌m，？酌分別為己知和待求的電線比載，N/mm2；l為電線檔距，m；E為導線的彈性模量，N/mm2；a為導線的溫度伸長系數，1/℃。

2.2 圓線同心絞載荷試驗方法

導線經過加工工藝后為驗證可靠性和可用性，在出廠前需進行一系列試驗，進行導線拉斷力試驗及應力應變實驗，應力應變的實驗結果可以解釋導線強度要求。應當指出的是運行導線的載荷形式相似于應力應變試驗加載。圓線同心絞架空導線（GB/T1179-1999）中關于導線應力應變的實驗加載如下：（1）施加2%額定抗拉力的初負荷，拉直導線，拉直后去除初負荷；（2）施加30%額定抗拉力的負荷，保持0.5小時，在5分鐘、10分鐘、15分鐘、30分鐘時讀取結果，并卸載到初負荷；（3）分別施加50%額定抗拉力、70%額定抗拉力、85%額定抗拉力，保持1小時，分別在5分鐘、10分鐘、15分鐘、30分鐘、45分鐘、60分鐘時讀取結果，并卸載到初負荷；（4）均勻施加拉力至額定拉斷力；（5）達到30%額定抗拉力的時間介于1分鐘與2分鐘之間，負荷增長速率保持不變。

3 導線分層模型計算實例

通過查詢相關資料得到方程組導線的力學相關方程組，應用MATLAB軟件中的Solve命令進行求解，處理過程如下：（1）對開方項進行級數分解，約掉對結果影響較小的高次項；（2）按5層進行程序設計，目前實際導線最多只有5層絞線；（3）應用矩陣理論規范方程，便于MATLAB求解的通用化。

以國標中JL/G2A-400-45/7型鋼芯鋁絞線為例，該導線是由45股直徑為3.36mm的硬鋁線和7股直徑為2.24mm的高強度A級渡鋅鋼線絞制而成，有3層鋁股，1層鋼芯和中心1根未經絞捻的鋼芯，外層右捻，內層依此交替，由上式可求得JL/G2A-400-45/7導線各層股線的螺旋角（捻角），用MATLAB編制計算程序，計算得到各股絞線的軸向張力（N）：

=0.028620T，=0.027365T，=0.017226T，=0.017325T，=0.017

331T

各股層間擠壓力（N）：

=0.0030951T，=0.0026913T，=0.0014206T，=0.00063785T

各股線的剪應力（）：

=0.0010388T，=0.00047218T，=0.00051172T，=0.0005548T

各股線的正應力（）：

=0.0072622T，=0.0069442T，=0.0019539T，=0.0019546T，=0.0019428T

導線受力情況十分復雜，根據計算結果，可以得到如下結論：（1）四種應力中，軸向張力占主導地位；（2）鋼芯的軸向張力最大。這是因為鋼具有抗拉性能以及高強度的機械特性，也與其結構有關；（3）鋁股軸向張力從內到外依次增加；（4）股線間擠壓力從外到內逐漸增大，這是可以理解的，外層作用的層間擠壓力會累計到內層。

通過對承受已知張力的各股線受力分配，已經發現導線各股線受力情況非常復雜，而在實際運行中，由于荷載較多，將會更加復雜。

4 結束語

圓線同心絞架空導線是由若干股線絞合而成的復合導線。由于絞線在多方面所呈現的優異性能，因此廣泛應用在國民經濟的各個領域中。絞線在其使用過程中經受著各種各樣的荷載。為確保絞線的安全可靠運行，有必要對絞線的受力性能加以分析。本文介紹了圓線同心絞的結構特性及其物理特性，圍繞構建分層模型展開研究，在實踐工作中有一定參考意義。

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