针对输电架空线路的受力磨损特性分析

胡骏+罗平

摘 要：随着科学的飞速发展，人们生活水平的进一步提高，同时工业的大力发展，导致用电负荷进一步增大，电力己经成为人们生活中不可缺少的一部分。在全国大部分范围内输电方式上，以架空输电线路为主，导线在架空输电线路中起重要的作用，但架空导线大部分在野外运行，受风载荷的影响，导致导线与线夹、导线线股间出现磨损。且这种磨损是无法避免性的，久之就对导线表面状况和导电性能产生一定性影响，随之带来导线电晕的增强、导线断股的概率增加、线路损耗增多，甚至会导致导线断裂情况发生。由于导线线股间的磨损具有很大的隐蔽性，难以实施有效的检测，因此，研究导线线股间的应力分布，对深入研究导线的磨损特性具有重要指导意义。

关键词：架空线路；受力；磨损

中图分类号：TM726 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0192-02

引言

架空导线经历了由铜绞线到铝绞线再到复合多股绞线的演变。结合实际经验，一般输电线路工程项目主要划分如下5五个方面：（1）土石工程：主要包括材料运输，以及土石方开挖。土石方开挖包括塔坑、拉线坑、接地槽、施工基面的土石方等工作。（2）基础工程：该项目主要包括基础材料的运输，基础工程中的铺石灌浆，预制基础和现浇混凝土、打预制桩和灌注桩基础。基础建设完成还需要护坡、挡土墙、以及排洪砌建。（3）杆塔工程：杆塔工程包括杆塔角钢的运输、杆塔的组立以及拉线的制作安装；杆塔接地的安装。（4）架线工程：架线工程主要包括导地线的牵引架设、导地线的运输。（5）附件安装工程：附件安装主要包括金具绝缘子等附件的运输和安装费用。

1 导线的结构及物理性能

圆线同心绞线就是将整根电线的所有各层圆线股都围绕着同一根芯線扭绞而成。常用的电线都是单绞式的圆线股同心分层绞成，了解其结构和物理性能是推导导线分层模型的基础。

1.1 导线的扭绞理论

（1）绞线的股数与外径。单绞型绞线的线芯可以用1～5股的圆线股扭成，而以中心为一股者最好（现行线标中均为一股），这时的外径最小。各层的股数随该层股径（mm）和相邻内层外径（mm）而变，其近似关系式可写为：

式中考虑了层中线股因具有扭绞斜角而在电线的垂直截面内线股呈椭圆、长径稍大于股经的因素。实际生产中股数取与计算结果最接近的整数。

（2）电线密实系数。电线的密实系数q为电线各股圆截面总和与外径圆面积之比值。当股径均相等为d时，具有n层的电线密实系数q由上式写为：

由式可知q总是大于0.75，当考虑扭绞斜度和层数n很多时，q接近0.75。该系数也可用作防腐涂料的计算参数。

1.2 导线的物理性质

综合拉断力和抗拉强度是指架空线在均匀增大的拉力作用下，逐渐被拉长，至拉断时所需的拉力称为拉断力。对于钢芯铝绞线来说，拉断力由刚部和铝部共同承受，为二者的综合拉断力。绞线的综合拉断力是指绞线受拉时其中强度最弱或受力最大的一股或多股出现拉断时的总拉力。

相邻两层线之间存在正压力和摩擦力，影响线材的强度和变形，从而降低了绞线的综合拉断力。

铝线的强度损失系数：37股以上的铝绞线取0.9，37股及以下的铝绞线取0.95，钢芯铝绞线取1.0。

2 力学模型的基础条件

《电力工程高压送电线路设计手册》里面将导线视为一个柔索，不考虑导线分层特性，满足常规地质、气候条件的设计要求。但在极端气候条件发生时，由于其导线自身材质、结构和载荷比较复杂，经验设计法往往不能满足要求。本节将结合导线材料性能参数，推导了导线分层力学模型。在对轴向张力以及股间压力的分析中，我们假定绞线内各层股间之间没有相对滑移，在此前提条件下，推导了得出了线股的轴向张力和股间压力。

2.1 现有的张力分析方法

工程设计中，主要的导线应力算法如下：

（1）张力均分模型。导线在张力T的作用下，铝股总受力和钢股总受力分别为和，计算式为：

（MPa）；EL为铝股的弹性模量（MPa）；AG为钢芯的总截面积（mm2）；AL为铝股的总截面积（mm2）。

（2）电线的状态方程：

式中？滓m为已知电线最低点的水平应力，？滓为待求最低点应力，N/mm2；？酌m，？酌分别为己知和待求的电线比载，N/mm2；l为电线档距，m；E为导线的弹性模量，N/mm2；a为导线的温度伸长系数，1/℃。

2.2 圆线同心绞载荷试验方法

导线经过加工工艺后为验证可靠性和可用性，在出厂前需进行一系列试验，进行导线拉断力试验及应力应变实验，应力应变的实验结果可以解释导线强度要求。应当指出的是运行导线的载荷形式相似于应力应变试验加载。圆线同心绞架空导线（GB/T1179-1999）中关于导线应力应变的实验加载如下：（1）施加2%额定抗拉力的初负荷，拉直导线，拉直后去除初负荷；（2）施加30%额定抗拉力的负荷，保持0.5小时，在5分钟、10分钟、15分钟、30分钟时读取结果，并卸载到初负荷；（3）分别施加50%额定抗拉力、70%额定抗拉力、85%额定抗拉力，保持1小时，分别在5分钟、10分钟、15分钟、30分钟、45分钟、60分钟时读取结果，并卸载到初负荷；（4）均匀施加拉力至额定拉断力；（5）达到30%额定抗拉力的时间介于1分钟与2分钟之间，负荷增长速率保持不变。

3 导线分层模型计算实例

通过查询相关资料得到方程组导线的力学相关方程组，应用MATLAB软件中的Solve命令进行求解，处理过程如下：（1）对开方项进行级数分解，约掉对结果影响较小的高次项；（2）按5层进行程序设计，目前实际导线最多只有5层绞线；（3）应用矩阵理论规范方程，便于MATLAB求解的通用化。

以国标中JL/G2A-400-45/7型钢芯铝绞线为例，该导线是由45股直径为3.36mm的硬铝线和7股直径为2.24mm的高强度A级渡锌钢线绞制而成，有3层铝股，1层钢芯和中心1根未经绞捻的钢芯，外层右捻，内层依此交替，由上式可求得JL/G2A-400-45/7导线各层股线的螺旋角（捻角），用MATLAB编制计算程序，计算得到各股绞线的轴向张力（N）：

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

331T

各股层间挤压力（N）：

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

各股线的剪应力（）：

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

各股线的正应力（）：

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

导线受力情况十分复杂，根据计算结果，可以得到如下结论：（1）四种应力中，轴向张力占主导地位；（2）钢芯的轴向张力最大。这是因为钢具有抗拉性能以及高强度的机械特性，也与其结构有关；（3）铝股轴向张力从内到外依次增加；（4）股线间挤压力从外到内逐渐增大，这是可以理解的，外层作用的层间挤压力会累计到内层。

通过对承受已知张力的各股线受力分配，已经发现导线各股线受力情况非常复杂，而在实际运行中，由于荷载较多，将会更加复杂。

4 结束语

圆线同心绞架空导线是由若干股线绞合而成的复合导线。由于绞线在多方面所呈现的优异性能，因此广泛应用在国民经济的各个领域中。绞线在其使用过程中经受着各种各样的荷载。为确保绞线的安全可靠运行，有必要对绞线的受力性能加以分析。本文介绍了圆线同心绞的结构特性及其物理特性，围绕构建分层模型展开研究，在实践工作中有一定参考意义。

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