钢芯铝绞线接续管风振疲劳响应试验研究

李冠群，郑 宇，张金波，高 峰，赵洪丹，朱皓然，尚殿波，王金山

(国网辽源供电公司，吉林 辽源 136200)

接续管在使用时常常会出现发热、腐蚀、磨损等现象，输电线路会因为接续损伤发生倒塔、断线等事故，如贵州省荷鸭II回线、野水线均发现接续管接续处受微风振动的影响出现裂纹损伤，山西7回500 kV输电线路出现了因应力集中引起的接续管断裂[1-2].输电线路中多采用材料特殊的钢芯铝绞线，而液压接续后的钢芯铝绞线，因为材料发生不同的塑性形变而导致其易出现疲劳源[3-4]，造成接续管服役寿命大大降低，容易在下一步的运行过程中出现事故[5-6].国内学者对于输电线疲劳损伤研究较少[7]，并且其研究内容大多围绕输电线，忽略了对连接金具、输电线接续脆弱性的研究.且学者们认为输电线的疲劳损伤是复杂损伤状态[8-9]，其受力状态为复合应力状态.文献[10]对复合交变应力状态下输电线疲劳试验进行了研究，并通过Waller安全边界曲线及Mises准则，总结得到估算疲劳寿命的方法.文献[11]通过对导线在微风振动作用下的疲劳寿命的数据进行实时监测，得出导线在不同环境下的损伤特性.文献[12]通过对导线的振幅进行试验研究，在此基础上得到一种计算输电线振动量级的方法.文献[13]以输电线疲劳损伤机理为基础，提出了输电线路的疲劳损伤的防护措施.综上学者对微风振动条件下导线的疲劳损伤进行了研究[14]，然而对疲劳寿命的一切研究仅注重线夹的出口端，而忽略了接续管的影响.而事实证明无继续点档距的疲劳寿命其实远大于含有接续点的档距，所以对接续管和管口导线的疲劳损伤进行试验研究是十分必要的[15].因此本文进行钢芯铝绞线接续管风振疲劳试验，研究钢芯铝绞线接续管微风振动作用下的疲劳寿命[16].

1 试验对象及试验方法

以LGJ-240/30钢芯铝绞线和YJD-240/30钢芯铝绞线接续管为试验对象，总长50 m，主要由固定装置，传感器、悬垂线夹、钢芯铝绞线、张力机组成，试验布置图及现场图分别如图1和图2所示，现场压接图如图3所示.

图3 接续管现场压接图

试验过程为首先要遵循《架空输电线路导线及避雷线液压施工工艺规程》使用液压装置对两段钢芯铝绞线进行压接[17]，接着在已架设压接好的钢芯铝绞线一端施加25%的导线额定拉断力，再将应变片粘贴在接续管及管口绞线处，粘贴应变仪再接好计算机以便收取结果.为使得输电线疲劳振动，通过高频疲劳试验机对所连接的钢芯铝绞线的中心区域输入振动波[18].其接续管管体及管口绞线应变的吸收频率为每一百万次收取一次[19]，每500万次收集接续管及管口绞线损伤情况整理数据，并且为更好的观察并记录裂纹情况应使用SEM电镜对接续管管口及管体绞线进行扫描[20].本次试验采取的加载方式为直接在输电线上施加振动荷载[21].

2 25%额定拉断力下的钢芯铝绞线接续管疲劳响应

2.1 钢芯铝绞线振动响应

在不安装任何防振措施下，接续管在特定的载荷谱下的振动响应，改变试验张力得出钢芯铝绞线接续管振动规律，高频疲劳试验机施加振幅时谱如图4所示.

整个试验段在高频疲劳试验机输出载荷后振动，高频疲劳试验机在采集线夹口处所输出的加速度，如图5所示.所输出的加速度每秒为一个由先大再小的变化趋势的波动载荷循环，并且其最大加速度为0.53 m/s2.

在循环载荷下线夹出口处与钢芯铝绞线接续管处的振幅在采集完毕后，其采集结果表明两处的振动轨迹以及最大振幅相似.试验采集振幅值如图6所示.

在25%额定拉断力下，钢芯铝绞线接续管的振幅最大值为1.54 mm，与线夹出口处的钢芯铝绞线的振幅值1.36 mm较为接近.

2.2 25%额定拉断力下的钢芯铝绞线接续管疲劳应变分析

在设定钢芯铝绞线25%额定拉断力为终端张力下，每振动500万次采集一次接续管及管口绞线在疲劳试验机振动下的应变值，直至接续管管口出现明显断裂，在试验结束后，分析接续管及管口绞线的应变变化情况.

结构振动次数为500万次时，接续管及管口绞线在高频疲劳试验机应变情况如图7所示.接续管管体应变范围为256.36 με～389.23 με，有效应变值为305.32 με，接续管管口绞线应变的范围为458.28 με～636.25 με，有效应变值502.54 με，管口绞线与管体应变之间倍数为1.65倍.

结构振动次数为1 000万次时，接续管及管口绞线在高频疲劳试验机的应变情况如图8所示.接续管及管口绞线未出现明显裂纹，接续管管体应变有效值为389.25 με，接续管管口绞线应变有效值为703.56 με，为管体的1.81倍.

结构振动次数为1 500万次时的接续管及管口绞线应变情况如图9所示.尽管管口绞线出现了细微裂纹，接续管未出现明显的宏观裂纹.接续管管体有效应变值为413.8 με，管口的绞线应变有效值为管体的2.16倍.

管口绞线与接续管在高频疲劳试验机进行2 000万次振动时的应变情况，如图10所示.在振动1 500万次时接续管管口绞线出现裂纹，管口绞线的应变有效值达到1 208.32 με，应变振动变化明显快于前期且应变值会产生跳跃.管口的绞线应变有效值约为管体的2.4倍.

结构振动次数为振动2 500万次时，接续管及管口绞线应变情况如图11所示，接续管管体也出现了明显宏观裂纹，管口绞线与管体应变之间倍数为2.37倍.

结束试验后试验结果表明，结构在振动2 869万次时管口绞线出现明显断裂，达到2 032.14 με，接续管管体应变有效值可达到816.24 με.

2.3 接续管表面裂纹与疲劳寿命分析

接续管管口绞线与管体在结构振动500万次时均未出现明显的损伤，仅有细微的裂纹源在管口绞线表面产生，并且在其表面萌生出磨损，不断的循环载荷，裂纹源将会由所萌生的磨损转化为裂纹，从而造成损伤如图12所示.

结构振动次数达到1 000万次时，管口绞线产生长度不足1 mm的细微裂纹，断裂损伤随着载荷的循环而加速，磨损在纤维区变化不明显而在摩擦区却较为严重，且裂纹处会伴有剪切唇产生，SEM扫面图如图13所示.

结构振动次数达到1 500万次时，接续管管口绞线产生长度为1 mm左右的明显裂纹，接续管没有明显的损伤，并出现的两个放射区，不断的循环载荷，会有放射线在放射区产生，从而加速结构的损伤并会有新的断裂纹形成，如图14所示.

结构振动次数达到2 000万次时，接续管管口绞线产生长度为2 mm左右的两条肉眼可见的明显裂纹，结构出现了韧窝，并在放射区形成两条明显的放射线，裂纹沿锐角向中心扩展，结构损伤速率会因为其承受载荷面积的减小而加快，SEM扫面如图15所示.

当结构达到2 500万次振动时，裂纹区的深度加深且裂纹扩展速度加快，裂纹长度可达到8 mm，垂度上下表面单个绞线出现了完全断裂，结构具有很差的稳定性，具有短且细的放射条纹，其断裂韧窝大小不等，并且结构会发生韧性断裂，如图16所示.

当达到2 869万次振动时，结构已经基本发生破坏.产生不规则状的裂纹断口，断口边缘出现细微的微孔和剪切唇，并在放射区形成了不规则的放射线，断口中心呈现出纤维区，此时结构会发生韧性破坏，并且其裂纹会扩展到中心，如图17所示.

3 结 论

为了对钢芯铝绞线接续管风振疲劳寿命进行研究，以LGJ-240/30钢芯铝绞线接续管为研究对象，进行接续管风振疲劳试验，为后续钢芯铝绞线接续管风振疲劳响应研究提供理论依据，该文主要结论如下：

(1)钢芯铝绞线接续管振动疲劳响应试验中，线夹出口处与接续管部分振幅及应变具有高达80%以上的数据吻合度；

(2)接续管绞线及管体会因为载荷循环次数的增加而上升，管口绞线应变由振动500万次增加到2 500万次时，应变有效值从468.2 με增加到了1 218.3 με，接续管管体应变由振动500万次增加到2 500万次时，管口绞线应变值持续为管体的2倍～3倍；

(3)根据SEM电镜扫描中的结果，在接续管管口绞线逐步发生断裂时，将先后出现断裂源、纤维区、剪切唇等现象，最终绞线的断裂属于韧性断裂.