特高压交流线路用碳纤维八分裂提线器轻量化研究

朱新军 姜 岚 周 蠡 颜 城 黄雄峰

(1.三峡大学 电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002;2.国家电网湖北省电力有限公司 经济技术研究院,武汉 430077;3.国家电网福建省电力有限公司 漳州供电公司,福建 漳州 363000;4.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,合肥 230009)

八分裂导线提线器(如图1所示)是特高压输电线路中重要的施工、检修工器具.目前工程上多采用钛合金八线提线器[1].然而,其质量已达40 kg,工人操作极为不便,大大降低了施工、检修的效率.因此,特高压输电线路八线提线器的轻量化研究具有十分重要的意义.

图1 1 000 k V特高压钛合金八分裂导线提线器(ZSHT150)

碳纤维复合材料具有密度低、比强度高、比模量高等优点,在结构件的轻量化改进中具有广泛的应用[2-5].但同时也具有抗冲击性差、层间剪切强度低的缺点,导致其目前主要应用于产品的外观件以及小承力部件中,很少应用于制作大承力构件.电力行业领域,碳纤维复合材料在风力发电机的叶片上应用广泛[6],在输电线路杆塔中的应用也很成熟[7-9],而在特高压线路的施工、检修等承力工器具上的研究却较少[10-12].

本文以更换1 000 k V特高压输电线路绝缘子串所使用的钛合金八线提线器为研究对象,根据其受力特点及外形结构,设计一种由碳纤维复合材料制成的八线提线器.通过编写ABAQUS用户子程序USDFLD,结合渐进损伤强度分析方法,对碳纤维八线提线器(以下简称提线器)进行刚度和强度分析,使其在满足力学性能的同时大大降低自重,为碳纤维复合材料在1 000 k V特高压输电线路施工、检修工具上的应用提供参考.

1 碳纤维八线提线器铺层结构设计

1.1 材料参数

碳纤维复合材料是具有高度各向异性的新型材料,不同铺层结构和铺层角度对碳纤维复合材料层合板的刚度和强度有较大的影响.本文采用T700/T009碳纤维复合材料,结合特高压八线提线器的受力特点与结构特点,对碳纤维八线提线器进行铺层角度和铺层结构设计.材料参数见表1～2.其中:1为碳纤维方向;2为面内与纤维垂直的方向;3为碳纤维铺层方向.

表1 材料力学参数(Ⅰ)

表2 材料力学参数(Ⅱ)

1.2 结构尺寸及受力情况

1 000 k V特高压输电线路一般采用八分裂导线运行,8根分裂导线分别位于正八边形的8个顶点处,各导线分裂间距一般为400 mm,如图2所示.

图2 1 000 k V特高压输电线路导线运行布置图

根据特高压输电线路八分裂导线分布特点,八线提线器的8个导线挂点分布在正八边形的8个顶点处.由八线提线器的受荷特点及边界条件可知,其结构主要承受弯矩和剪力作用.根据1 000 k V特高压输电线路运维工器具的设计要求,特高压输电线路八线提线器所需承受的额定载荷为120 k N.由特高压输电线路施工、检修经验可知,八线提线器面板与提吊装置连接的螺栓孔最先发生结构破坏.故在对八线提线器的结构设计时,应着重加强此处的抗剪强度.

图1为1 000 k V特高压交流线路更换“I”型绝缘子串用钛合金材料八线提线器,其额定载荷为120 k N,安全系数为2.5,最大极限承载能力为300 k N,质量为40 kg.以其为轻量化对象,设计一种由碳纤维复合材料制成的轻型碳纤维八线提线器,额定载荷为120 k N.由于碳纤维复合材料的离散型,将碳纤维的安全系数设为3,即碳纤维八线提线器的极限承载能力需达到360 k N,结构如图3所示.主要由上面板1、短副钩2、长副钩3、金属薄片4组成,上面板和副钩由碳纤维材料制成并通过螺栓连接.上面板1、长副钩3结构尺寸如图4所示,短副钩结构尺寸比长副钩的长度短283 mm(将463 mm换成180 mm即可),其他尺寸一致.

图3 1 000 k V特高压碳纤维八线提线器

图4 碳纤维八线提线器结构尺寸图

1.3 铺层方式及铺层角度设计

根据经典层合板理论知,层合板的内力、内力矩与应变的关系为:

式中:Fx,Fy,Fxy和Tx,Ty,Txy分别为层合板横截面上单位宽度(或长度)的内力和内力矩为中面应变;Kx,Ky,Kxy为中面曲率和扭曲率;为拉伸刚度;Dij=为弯曲刚度为耦合刚度.

对于非对称铺层结构的碳纤维复合材料层合板,因存在耦合刚度Bij,碳纤维复合材料层合板将产生拉力与弯矩、拉力与剪切力的耦合,使碳纤维复合材料层合板产生弯曲变形,进而影响其整体刚度与强度[13],而对于对称铺层结构的碳纤维复合材料层合板,因其耦合刚度Bij的计算公式:

由特高压八线提线器的外形结构及受力特点可知,其承受较大的剪力和横向弯矩力,且首先在上面板与提吊装置连接的螺栓孔处发生剪切破坏.所以在对提线器进行铺层角度时,应着重提高其抗剪能力.碳纤维是一种各向异性的复合材料,其铺层角度及铺层结构的选择严重影响着其力学性能.由文献[14]可知,复合材料采用-45°/0°/45°/90°铺层可提供较大的受剪承载能力,0°铺层用来承受轴向载荷,45°铺层承受剪切载荷,90°铺层承受横载荷和控制泊松比.为了提高提线器螺栓孔处抗剪切能力,本文采用-45°/0°/45°/90°铺层设计,以提升抗剪能力,进而提升最大承载能力.根据钛合金八线提线器上面板厚度为34 mm,本文采用对称铺层且外包的形式设计提线器,铺层角度见表3.

表3 碳纤维提线器铺层角度

表2的铺层结构如图5所示,侧面外包的目的是为了提高提线器导线挂点处的弯矩强度,整体外包的目的是为了进一步增强碳纤维层合板的层间强度以及碳纤维层合板的整体刚度.

图5 碳纤维面板的铺层结构图

2 分析方法

本文采用ABAQUS作为有限元分析工具,通过编制用户子程序(USDFLD),运用渐进损伤分析方法对提线器进行力学性能分析.

2.1 强度准则

对于复合材料层合板,目前大多采用Tsai-Wu张量理论作为复合材料破坏的判断依据.相对于其他强度理论,Tsai-Wu张量理论对材料的破坏描述较全面,且与实验值比较接近,克服了其他准则存在较大误差的缺点[15].本文选取Tsai-Wu张量理论作为强度准则.

Tsai-Wu张量理论的二阶一般形式为:

式中:XT,XC分别为纵向拉伸和压缩强度;YT,YC分别横向拉伸和压缩强度;ZT,ZC分别为Z拉伸和压缩强度;R,S,T分别为层合板面上的剪切强度,则三维碳纤维层合板应力可表示为:

2.2 渐进损伤分析方法

渐损伤分析方法是一个反复迭代计算的过程:①对有限元模型的每个单元进行应力、应变分析;②进行单元破坏分析,将计算所得每个单元的应力带入Tsai-Wu张量强度准则,判断该单元是否发生破坏;③刚度折减,若单元发生破坏,则对该单元进行材料性能退化设置[16].

2.3 材料刚度折减方法

在渐进损伤分析过程中,当某个单元首先破坏时,则对其刚度进行折减,破坏单元的刚度通过降低材料性能以达到降低单元刚度的目的.本文材料刚度折减模型与Tsai-Wu张量理论相对应,即当式(5)大于等于1时,采用如表4所示的材料性能退化方法.

ABAQUS进行有限元渐进损伤分析计算时,单元的材料属性不能设置为0,当发生一方向拉伸或压缩破坏时,其弹性模量和剪切模量退化为原来的0.000 1,泊松比设为原来的0.01.表4中,Eii,Gij,υij分别为碳纤维复合材料破坏前的弹性模量、剪切模量及泊松比分别为破坏后的弹性模量、剪切模量和泊松比.

表4 复合材料刚度折减方法

2.4 分析模型

碳纤维上面板和和副钩通过螺栓连接,在对提线器进行力学性能分析时,可以采取对上面板与副钩独立受力分析.根据提线器结构可知,它是一种典型的轴对称结构,因此只对上面板的一半以及一个副钩进行力学计算即可.本文选取上面板的右一半以及一个长副钩进行受力分析.如图6所示,对提线器面板与副钩连接的两个螺栓孔处施加固定约束,根据对称结构的约束要求,侧面施加对称约束,用于约束面板只能沿着垂直面板厚度方向上下移动,上端的两个提调螺栓孔耦合到同一点上并施加向上的位移荷载.对碳纤维副钩上方的螺栓孔施加固定约束,下方导线挂点处施加向下的位移荷载,这种约束和加载能更好地模拟实际八线提线器的工作情况.最后调用USDFLD用户子程序进行有限元渐进损伤分析.

图6 碳纤维八线提线器约束施加

3 有限元仿真计算结果分析

图7、图8为碳纤维上面板和副钩采用渐进损伤分析方法得到的应力云图.从图7可以看出,应力首先主要集中在碳纤维面板提吊螺栓孔与长副钩连接的竖梁部分,面板整体结构处于弹性形变阶段.随着位移荷载的增加,层间剪切力起主导作用,最大应力和最大形变皆出现在碳纤维面板与长副钩连接的螺栓孔处,同时,面板与长副钩连接的螺栓孔处开始发生层间破坏.随着位移荷载的进一步增加,面板与长、短副钩连接的螺栓孔处的应力持续增大,致使与长副钩连接的螺栓孔开始发生纤维拉伸破坏,而与短副钩连接的螺栓孔先发生层间破坏,后发生纤维拉伸破坏,直至整个螺栓孔完全破坏.从图8可以看出,副钩的最大应力集中在导线挂点处,随着位移荷载的增加,该部分的应力值超过了其抗拉极限,导致纤维拉伸断裂,直至完全破坏.

图7 碳纤维八线提线器上面板应力云图

图8 碳纤维八线提线器副钩应力云图

图9为外包铺层与未外包铺层结构碳纤维八线提线器上面板位移与荷载曲线对比图.图10为副钩的位移-荷载曲线图,可以看出,碳纤维面板和副钩首先在弹性变形内发生弹性形变,随着荷载的增加,开始发生塑性变形,从而达到其结构的最大承受载荷.随着荷载的进一步增加,结构开始发生破坏,可承载力不断降低,直至结构完全破坏.

图9 采用不同铺层结构提线器上面板位移与荷载曲线对比图

图10 碳纤维八线提线器副钩位移与荷载曲线图

从图9可知,未采用外包铺层提线器右一半面板的最大承受荷载为157.8 k N.根据结构力学对称结构可知,提线器面板的最大承受载荷为315.6 k N,在考虑碳纤维材料安全系数为3的条件下,未采用外包铺层结构的提线器不满足最大承受载荷为360 k N的要求.采用外包铺层结构碳纤维上面板的最大承受载荷为439.4 k N,满足力学性能要求.经计算,采用外包铺层结构提线器的最大承受载荷比未采用时提高了39.2%.从图10可知,提线器副钩的最大承受荷载为123.5 k N,大于副钩要求的最大承受荷载45 k N,故提线器整体满足强度要求.

4 碳纤维八线提线器力学试验

4.1 提线器制作

提线器的制作选用高温模压成型工艺.首先将T700型碳纤维材料与T009型环氧树脂制成碳纤维预浸料,按照设定的铺层角度进行铺设,再将预浸料放入到提线器金属模具的对模模腔中.利用带热源的压机产生一定的温度和压力,合模后使预浸料在模腔内受热软化、受压流动、充满模腔成型和固化,从而制成提线器.如图11所示,质量为22 kg.

图11 碳纤维八线提线器制品图

4.2 力学试验

采用一台YWL-100液压卧式拉力试验机进行力学试验,拉力机主要包括前夹头座和后夹头座,前夹头座由控制平台进行控制,后夹头座采用手动推动方式进行试验空间有级调整,如图12所示.控制平台能控制前夹头座施加荷载并实时采集试验件负荷、位移、变形等情况.

图12 YWL-100液压卧式拉力试验机

依据《DL/T875—2016》标准,对提线器进行负载试验.由于提线器各导线挂点不在同一高度上,因此无法进行整体受力试验.但又因各挂点对称分布,所以可将各挂点分开进行力学试验.主要可分为5组:①1、2两挂点;②3、8两挂点;③4、7两挂点;④5、6两挂点;⑤面板的两螺栓孔9.根据提线器的受力特点,在试验①～④的每个导线挂点处施加15 k N的拉力,试验⑤中面板的两个螺栓孔9处施加120 k N的拉力.待各组试验结束,若提线器无永久变形、损伤,操作灵活可靠、无卡阻,即为合格.

4.2.1 试验①～④

如图13所示,1、2两挂点通过金属连板与后夹头座连接固定,前夹头座通过控制平台操控液压拉力机缓慢拉碳纤维面板,模拟1、2两挂点处受力加载.前夹头座递增施加拉力至30 k N,并在30 k N荷重作用下保持5 min,整个试验的加载速率为0.3 k N/s.试验②～④与试验①类似.通过控制平台,得到提线器位移-荷载曲线,如图14所示.

由图14可知,在对各组试验挂点递增施加拉力至30 k N并保持5 min,提线器皆在弹性形变阶段内发生弹性形变,且皆未发生破坏,故各导线挂点满足力学性能要求.

4.2.2 试验⑤

图13 对1、2两挂点试验装置图

图14 试验①～④提线器位移-荷载曲线图

如图15所示,碳纤维面板下方4个螺栓孔通过金属连板与后夹头座连接固定,碳纤维面板通过螺栓孔9与前夹头座连接并递增施加载荷至120 k N,在120 k N荷重作用下保持5 min,整个试验的加载速率为0.3 k N/s.通过控制平台,得到提线器位移-荷载曲线,如图16所示.

图15 面板螺栓孔9试验装置图

图16 试验⑤提线器位移-荷载曲线图

由图16可知,在对碳纤维面板螺栓孔9递增施加拉力至120 k N并保持5 min,提线器在弹性形变阶段内发生弹性形变,且未发生破坏,故碳纤维面板螺栓孔9满足力学性能要求.

4.3 试验结果分析及对比

各试验结束后,将拉力机卸载,取下提线器,通过热成像仪进行损伤检测.检测结果:提线器无任何变形、破坏迹象,面板和副钩可灵活转动、无卡阻,金属件与碳纤维的连接无脱落现象,金属件无破坏迹象,提线器满足力学性能要求,且符合《DL/T875—2016》标准要求.

由于试验⑤与碳纤维面板有限元计算的加载方式、约束条件相同,将试验⑤中提线器面板在弹性形变阶段的刚度与有限元计算的刚度值进行对比.根据刚度计算公式:

式中:k为刚度;P为作用于结构的恒力;δ为由力作用下产生的位移.

如图17所示,经过刚度计算,提线器在弹性形变阶段内的试验刚度为16.7 k N/mm,有限元计算刚度为17.8 k N/mm,两者误差为6.59%,在10%以内,满足工程精度要求.此结果说明了提线器面板在弹性变形范围内试验结果与有限元计算结果相符,验证了在弹性变形范围内提线器有限元力学性能分析方法的有效性及结构设计的可行性.

图17 弹性变形范围内试验与有限元计算位移-荷载曲线对比图

5 结 论

本文以更换1 000 k V特高压输电线路“I”型绝缘子串钛合金材料八线提线器为轻量化对象,采用碳纤维外包铺层结构,设计一种由碳纤维复合材料制成的碳纤维八线提线器.基于有限元渐进损伤分析方法,采用ABAQUS用户子程序USDFLD对提线器进行有限元分析,并通过力学试验对提线器进行力学测试.主要结论如下:

1)采用外包铺层结构设计的提线器面板和副钩的破坏方式皆是首先发生层间破坏,后产生纤维破坏,直至完全破坏.

2)经计算,采用外包铺层结构设计的提线器比未采用时的最大承受载荷提高了39.2%,极大提升了提线器的抗剪切强度,改善了钛合金八线提线器与提调装置连接的螺栓孔处最先发生破坏的缺点,从而提升了极限承受荷载.

3)通过力学试验进一步验证了提线器结构设计的可行性及有限元分析结果的正确性.

4)采用T700/T009碳纤维复合材料研制的提线器的质量比钛合金材料八线提线器ZSHT150轻了37.5%,轻量化效果明显.

本文的研究成果实现了碳纤维复合材料在特高压输电线路带电作业大承力工器具上的应用.鉴于条件和时间所限,下一步将对特高压碳纤维八线提线器进行破坏性试验,验证其在非弹性变形范围内,力学试验结果与有限元结果的吻合度.