ACSR-720/50型架空导线单股应力状态分析
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钢芯铝绞线(ACSR)是目前高压架空输电线路中最常用的导线之-,其产品结构形式较多,典型结构含有两部分:钢芯股和铝线股。架空导线在工作收稿日期:2012-11-19基金项目:上海高校盐培养优秀青年教师科研专项基金(Z2011-022)作者简介:马行驰(1980-),男,博士,讲师。
过程中,钢芯与铝股共同承担张力作用。由于架空导线的结构特性,各层单股的应力状态是不同的。
在户外风载条件下,架空导线将产生微风振动,进而引起单股间的微动损伤 。由于钢芯铝绞线邻层间的接触情况较为复杂,目前尚无适用于其单股间接触力学分析的解析方法。在对此类问题进行求解时,有限元软件取得了-些卓有成效的成绩,运用有限元软件建立简化的两线接触模型,-定程度上反映出单股接触区的应力状态 。但前述成果中,并无完整的钢芯铝绞线实体计算模型。
2013年第3期No.3 2013电 线 电缆Electric Wire& Cable2013年 6月Jun.,2013下,将应力组合与单向拉伸时应力状态的屈服极限相比较,来衡量材料屈服状态的-个物理量。表达式为:o"d: ( - ) ( - :) (O"z- ) -6(.r 丁 )]/2当等效应力等于屈服极限时,材料进入塑性状态。
为了分别展示计算每根导线的应力,图5示出了架空导线在z0截面上处于Y轴正方向上的钢芯和铝股(1 、2 、8 、l7 、32 )的轴向应力、切应力、轴向应力oMPa切应力r/~iPa表2 ACSR-720/50型导线等效应力计算结果结构 最大值元件 绞层 数 MPa 最大值位置 线号内层 49.1-74.0 1 与外层接触区钢芯外层 44.8-73.3 2 与内层接触区内层 l5.1-31.8 9 与外层接触区铝股 中层 16.5~28.8 31# 端面外层 l6.4 27.3 37# 端面等效应力的数值及变化规律,结合表2数值结果,可以看出以下特征:/ / // / / 。么 。,. 。 .。
。 ,么 。a)l 股 b)2 股 c)8 股图5 单股应力分布(1)在 10%RTS轴向拉力作用下,钢芯内层与外层的等效应力最大值分别为74 MPa、73.3 MPa,均处于与邻层接触区域。铝股内层、中层与外层的等效应力最大值分别为 31.8 MPa、28.8 MPa和27.3 MPa,内层等效应力最大值位于与外层铝股的接触区,而中层、外层的等效应力最大值均处在端面位置。
(2)在单股表面上,钢芯和铝股内层的轴向应力、切应力和等效应力均沿邻层的绞制方向呈螺旋状分布。铝股中层和外层的应力状态受邻层绞制方向的影响减弱,端面对应力状态的影响起到主要作用。
(3)架空导线单股上存在切应力。由于各个绞层的外径和节距的不同,不同单股曲率半径的不同,加之层问相互作用力对切应力的影响,钢芯外层切应力较大。铝股切应力由内层到外层逐渐减校2.2 横截面应力状态图6为架空导线铝股不同位置截面上的等效应力分布∩见,各层中铝股应力分布差别明显,内层等效应力值较大,且在截面上分布不均,与钢芯接触e1 32 股区域应力值显著增加(图6a~6c)。这主要是由于架空导线在轴向拉力的作用下,各绞线层会沿径向向内挤压,而铝绞层内层架空导线向内与钢芯外层相邻,钢芯外层钢线股具有相对较小的直径和较高的弹性模量,因此,产生了如图所示的应力状态。
另外,越向端面(假设有吊线夹固定的断面)靠近,铝股中层及外层的等效应力受端面约束力的影响越大,因为架空导线端面处的约束力是沿着z轴方向,与各铝股的延伸方向存在-定的夹角。等效应力沿各层铝股的旋转方向呈纹状分布,见图6f。
2.3 铝股截面等效应力变化规律图7示出了8 股、l7 股、32 股约束端截面等效应力沿截面圆周方向的变化曲线(近中心轴处为0。/360。)∩见,铝股中等效应力沿特定角度呈对称分布。应力水平呈现由外层到内层逐渐增大的趋势,固定端截面处的最大应力值位于内层铝股上。
材料的疲劳极限与静应力大小有关,结合单股应力状态信息,内层铝股在轴向拉力作用下首先产生失效的可能性较大。由此可以推断,如果架空导线的内外导体层绞线的材质有所调整,内层选择较高强. 15 ·
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