钢芯铝绞线沿振动波形方向磨损研究

赵新泽 高 伟 周 权

(三峡大学机械与材料学院,湖北 宜昌 443002)

钢芯铝绞线是目前高压架空输电线路中最常用的导线,它采用铝线和钢线两种线材分层同轴绞制而成[1].在风载作用下,由于卡门(Kaman)旋涡效应,导致架空输电导线经常处于微风振动状态,振动导致线股间会出现磨损[2].磨损不仅导致导线表面损伤,增加电晕放电造成功率损失,严重时还会导致导线断股,造成重大的经济损失[3].磨损最直观的表现就是产生磨损斑,本文通过对试验导线沿振动波形方向的磨损斑进行尺寸统计,分析了振幅、振动角和振动次数对磨损程度的影响,结果对深入研究钢芯铝绞线微风振动磨损机理及其减磨技术等具有重要价值.

1 试验装置

试验采用自制导线微风振动模拟试验装置,对LGJ150/25型钢芯铝绞线进行磨损试验,图1为试验台结构示意图.通过螺栓调节试验导线的试验张力,利用导线端部的应变片测定张力的大小.位于导线下方的激振器通过配重连接架、悬垂线夹对导线中点提供正弦激振力模拟导线在微风下的振动.导线两端的悬垂线夹在竖直方向上高度可调,以模拟导线悬垂角度,利用加速度传感器测量导线上各点的振幅.

图1 架空导线微风振动磨损试验装置

2 试验方案

试验导线选用35 kV输电线路中LGJ150/25型钢芯铝绞线,根据LGJ150/25型钢芯铝绞线一般使用条件,利用相似性原理,确定试验方案如下:

(1)试验时导线加载张力为4.33kN,即导线计算拉断力的8%.试验导线长5.5 m.激振器振动为正弦振动,频率为40Hz,模拟风速为3.42m◦s-1[4].

(2)振动试验时间为每次持续40 min,每天振动时间120min,连续达到确定的振动周次.

(3)分别在105、106和1073种不同振动周次下进行试验,每次试验1根导线,记录各检测点振幅并分别对它们的磨损斑测量分析.表1为3次试验的试验参数.

表1 试验参数

图2为导线3次振动试验的检测点,坐标所示为各检测点与O点的距离,其中O点为线夹出口处导线与线夹的最后一个接触点.图3为试验导线振动波形示意图,其中λ为波长,α为振动角,波节处振动角达到最大值.

试验中利用东华测试系统及加速度传感器获得各检测点的振幅值,试验结束后将导线从检测点处截断,对其解股同时用丙酮、石油醚(分析纯)清洗,制作检测试样.分别利用扫描电子显微镜、DMR多功能显微镜对磨损斑进行形状和尺寸检测.

3 试验结果及分析

3.1 检测结果

试验导线各检测点的振幅值见表2.由表中测量结果可知,试验中导线的振动波长λ约为2m.

表2 导线振动试验检测点振幅值

在扫描电子显微镜下检测发现,导线内外层磨损区的形貌均为椭圆状磨损斑,如图4所示.磨损斑的大小可在一定程度上反映出磨损的程度和规律.在DMR多功能显微镜下,以长、宽的形式记录椭圆磨损斑的长、短轴尺寸,计算同一检测点多个试样磨损斑的尺寸平均值及对应的长宽积,见表3.将表3中的数据采用折线图表示,分别获得相同坐标下3种振动周次下的磨损斑的长宽尺寸和长宽积分布图,如图5所示.

图4 导线磨痕的典型形貌(SEM×50)

表3 导线铝线股磨损斑尺寸

图5 3种振动周次下磨损斑尺寸和长宽积折线图

3.2 结果分析

由图5可知,导线各检测点的内外层磨损斑尺寸随着振动周次的增加均有所增大,且磨损斑长轴方向尺寸的增加较短轴上的明显.在105和106振动周次下,外层铝线股磨损斑的长度略大于内层长度,当振动周次达到107时,内外层磨痕尺寸发生较大变化,内层线股磨损斑的长度迅速增长,超过外层导线的磨痕长度,由于内层线股磨损斑长度增大趋势明显,磨损斑的长宽积也变得比外层稍大.此过程表明,在振动的初期,磨损斑的增长主要受局部接触应力的影响,因为铝线股为螺旋绞制结构,内层铝线绕制半径小,接触局部曲率半径变化较小,使得线股的局部接触应力相对外层较小.由同一根试验导线磨损斑的尺寸分布趋势可以看出,磨损斑尺寸的增大受导线振幅和导线振动角的双重作用,振幅大的地方,其磨损程度相对严重,在距离O点980mm处的检测点,其振幅仅为0.193mm,但振动角却最大,其磨损斑尺寸同样较大.3种振动周次下89mm处和2070 mm处检测点的振幅接近,但89mm处磨损斑的尺寸较大,说明此处因金具夹持使线股间产生的较大接触应力对磨损造成了影响.

4 结 论

(1)导线内外层接触区的磨损斑呈椭圆状,随着振动次数的增加,铝线股内外层磨损斑尺寸均有显著增加,且磨损斑长轴方向尺寸的增加较短轴上的明显,振动前期外层线股磨损较内层严重,在107周期时,内层线股的磨损程度迅速加剧.

(2)振幅和振动角的增加都会加大接触线股之间的磨损,但其作用机制却不一样:振幅大的地方内外层导线曲率变化较大,层间法向挤压力变化较大;振动角大的部位导线接触副之间的相对位移趋势更大,从而引起各部位磨损斑尺寸增长速度有差异.

(3)相同振幅及振动角时,线股间局部接触应力大的地方磨损程度严重.

[1］Karabay S,Kayaö nder F.An Approach for Analysis in RefurbishmentofExisting ConventionalHV-ACSR Transmission Lines with AAAC[J].Electric Power Systems Research,2004(72):179-185.

[2］吴 刚,赵新泽,赵春华.架空导线的摩擦磨损研究进展[J].润滑与密封,2008(10):103-106.

[3］杨立秋,李海花,高玉竹.架空输电线路微风振动危害分析[J].中国科技信息,2008(12):54-55.

[4］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].北京:中国电力出版社,1999:226-233.