鄧靜偉， 張 宇， 陳 波， 吳永祥

(1. 國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 江西 南昌 330096; 2. 武漢理工大學(xué) 道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430070)

輸電線路是重要的電力基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)系國(guó)計(jì)民生，是重要的生命線工程。由于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)建設(shè)的迅速發(fā)展，修建了大量的各類輸電線路。輸電線路長(zhǎng)期在野外服役，需要經(jīng)過(guò)不同地形和氣候復(fù)雜地區(qū)，因此容易在惡劣環(huán)境作用下發(fā)生輸電線的腐蝕。輸電導(dǎo)線通常采用鋼芯鋁絞線構(gòu)造，外層鋁股不容易發(fā)生腐蝕。而地線多為鍍鋅鋼絞線，因此地線外層鋼股容易發(fā)生腐蝕損傷，并進(jìn)一步引起地線的破壞，這將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和次生災(zāi)害[1～3]。隨著西電東送與超特高壓輸電工程的建設(shè)，越來(lái)越多的各類輸電線路將被建造于地形和環(huán)境復(fù)雜地區(qū)。因此，結(jié)合我國(guó)輸電線路工程災(zāi)變的實(shí)際，開(kāi)展輸電地線腐蝕性能的研究具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值[4～6]。

目前輸電線路設(shè)計(jì)無(wú)法考慮輸電地線不同股線的力學(xué)性能，不能考慮股線腐蝕程度對(duì)其承載力特性的影響。隨著對(duì)輸電線路設(shè)計(jì)建造和維護(hù)要求的不斷提高，要求對(duì)輸電地線在腐蝕作用下的承載力特性有更多的了解和掌握。因此，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越重視輸電地線腐蝕性能評(píng)估工作。但目前針對(duì)輸電地線腐蝕效應(yīng)的研究工作非常有限，特別是沒(méi)有考慮腐蝕程度對(duì)輸電地線承載力的影響[7,8]?；诖?，本文研究了自重荷載作用下腐蝕輸電地線的承載力特性問(wèn)題。首先基于非線性有限元理論建立了輸電地線的分析模型，隨后建立了腐蝕輸電地線的非線性承載力分析方法，建立了腐蝕地線非線性迭代收斂準(zhǔn)則。以我國(guó)南方某實(shí)際輸電線路的地線為背景，研究了自重作用下腐蝕輸電地線的承載力特性并考察了不同參數(shù)對(duì)其承載力的影響。本文研究表明：地線參數(shù)和腐蝕程度對(duì)其承載力具有較為顯著的影響。

1 輸電地線模型

輸電地線通常采用多根鍍鋅鋼絲逐層絞制而成，如圖1所示。多層鋼股線按照一定的螺旋升角緊密纏繞在內(nèi)層鋼芯外側(cè)。同一層股線具有相同的直徑。對(duì)于地線而言，隨著螺旋升角的減小，單位軸向長(zhǎng)度內(nèi)外層股線纏繞的匝數(shù)越多、股線纏繞越密集。

圖1 輸電地線構(gòu)造示意

架空地線是一種典型的空間柔性結(jié)構(gòu)，因此其靜動(dòng)力響應(yīng)具有明顯的非線性特性，只能承受拉力不能承受壓力。依據(jù)非線性有限元分析理論，可采用三節(jié)點(diǎn)索單元模擬輸電地線的承載力特性。地線單元上任意一點(diǎn)的位移(u,v,w)可表示為：

(1)

(2)

地線單元的應(yīng)變?chǔ)趴梢罁?jù)格林應(yīng)變得到：

(3)

(4)

式中：ξ為地線上任意點(diǎn)到局部坐標(biāo)原點(diǎn)的弧長(zhǎng)；L為單元長(zhǎng)度。通過(guò)建立不平衡張力和位移增量的關(guān)系可求得地線單元的剛度矩陣K：

K=KE+KD+KS

(5)

式中：KE為彈性剛度矩陣；KD為初始位移剛度矩陣；KS為初始應(yīng)力剛度矩陣。

(6)

(7)

(8)

式中：E為架空地線彈性模量；A為腐蝕地線的橫截面積；σ為軸向應(yīng)力向量；BL，BN為線性和非線性應(yīng)變矩陣。

2 輸電地線非線性分析方法

確定了地線的單元?jiǎng)偠染仃嚭蠹纯山M集形成整體坐標(biāo)系下的地線總剛度矩陣，可采用非線性迭代算法確定地線結(jié)構(gòu)在荷載作用下的張力。整體坐標(biāo)系下可將所有單元的剛度矩陣和荷載向量進(jìn)行組集形成整體剛度矩陣K和整體荷載向量P。自重作用下地線的受力方程可表示為[9,10]：

Kx=G

(9)

式中：x為腐蝕輸電地線位移響應(yīng)；G為腐蝕地線自重荷載。

本文采用Newton-Raphson法和增量法相結(jié)合的方式對(duì)輸電地線的平衡方程進(jìn)行求解，采用位移收斂準(zhǔn)則。假定結(jié)構(gòu)初始位移為x(0)=0，根據(jù)求解所得新平衡形態(tài)下的地線位移，可以重新形成結(jié)構(gòu)的不平衡力向量Δψ1。重復(fù)以上步驟直至所得位移差范數(shù)滿足設(shè)定的收斂容差，則迭代過(guò)程結(jié)束：

‖x(n+1)-x(n)‖2≤Tol

(10)

式中：x(n)和x(n+1)分別為第n，n+1次迭代的結(jié)果；Tol為預(yù)先設(shè)定的大于零的收斂容差。

本文以我國(guó)南方山區(qū)某輸電線路為實(shí)際工程背景進(jìn)行了腐蝕地線承載力特行分析研究。地線型號(hào)GJ-80，檔距300 m。地線為三層共計(jì)19根股線結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外依次第一層為1根股線，第二層為6根股線，第三層為12根股線。單根股線直徑為2.3 mm，地線總直徑為11.5 mm。地線橫截面積為78.94 mm2，彈性模量為185 GPa，單位長(zhǎng)度重量為628.4 kg/m，絞線破斷拉力為90.23 kN，拉斷應(yīng)力為1143 MPa。根據(jù)GB 50545-2010《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，架空地線在弧垂最低點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，地線平均運(yùn)行張力上限為額定破斷拉力的25%。地線各股標(biāo)識(shí)如圖2所示。由于長(zhǎng)期在野外惡劣自然環(huán)境下服役，因此地線外層不可避免地發(fā)生了腐蝕，導(dǎo)致外層截面損失。本文對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)取樣腐蝕架空地線掃描電鏡截面進(jìn)行了觀察分析，結(jié)果表明其腐蝕區(qū)域接近于新月形。圖3給出了輸電地線外層股線腐蝕區(qū)域示意圖。

圖2 輸電地線各股標(biāo)識(shí)

圖3 輸電地線腐蝕示意

3 輸電地線承載力分析

基于前述建立的基于非線性有限元的承載力分析方法，本文在此研究了腐蝕輸電地線在自重作用下的承載力特性。分析過(guò)程所采用的地線腐蝕狀況依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果確定，其股線腐蝕面積占整個(gè)股線橫截面積的20%。圖4 顯示了不同垂跨比下腐蝕地線各股線的應(yīng)力結(jié)果。由圖中結(jié)果可知，弧垂對(duì)腐蝕地線的應(yīng)力影響很大。地線弧垂為0.5%時(shí)，各層股線的應(yīng)力均達(dá)到約620 MPa。但隨著弧垂逐漸增大，各股應(yīng)力迅速減小。地線弧垂為1.0%時(shí)，各層股線的應(yīng)力迅速減小到約300 MPa，減小幅度超過(guò)一半。再進(jìn)一步增大弧垂，則各股線應(yīng)力開(kāi)始緩慢減小，地線弧垂為2.0%時(shí)，各層股線的應(yīng)力已經(jīng)下降到約140 MPa。再進(jìn)一步增大弧垂對(duì)股線應(yīng)力的影響已經(jīng)較小。同時(shí)從分析結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，同一層的不同股線，其受力幾乎完全一樣。

圖4 不同垂跨比下股線應(yīng)力

圖5給出了20%腐蝕下不同層股線的軸向應(yīng)力對(duì)比。結(jié)果表明：從里至外不同層的軸向應(yīng)力發(fā)生小幅減小，但總體而言不同層股線的應(yīng)力非常接近，并且這種變化趨勢(shì)隨著地線弧垂的增加也不會(huì)發(fā)生改變。

圖5 不同垂跨比下股線應(yīng)力

4 參數(shù)研究

上述分析結(jié)論是在地線檔距為300 m，腐蝕面積為20%的情況下得到的。實(shí)際輸電地線檔距差別較大，并且不同地區(qū)的地線腐蝕程度也存在一定程度的差異。因此本文在此針對(duì)地線參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)研究。選取了200，300，400，500，600 m等5種典型的地線檔距參數(shù)，考察了地線軸向應(yīng)力的變化特點(diǎn)，其結(jié)果如圖6所示。由圖6結(jié)果可知：地線檔距對(duì)軸應(yīng)力有一定程度的影響，隨著檔距的增加，內(nèi)層鋼芯的軸應(yīng)力迅速增加。檔距200 m時(shí)內(nèi)層鋼芯軸應(yīng)力約為100 MPa，當(dāng)檔距增加為600 m后，應(yīng)力可達(dá)300 MPa，應(yīng)力增幅呈線性關(guān)系，增幅達(dá)300%。第二層和第三層股線應(yīng)力的變化規(guī)律與內(nèi)層鋼芯一致，并且同一層內(nèi)各根股線的應(yīng)力相同。圖7給出了2%弧垂和不同檔距下各層股線應(yīng)力的對(duì)比結(jié)果。由圖中結(jié)果可知，從內(nèi)至外股線應(yīng)力逐漸增加，內(nèi)層鋼芯的應(yīng)力略大于外層股線的應(yīng)力，并且這種差異隨著地線檔距的增大而逐漸增加。

圖6 檔距對(duì)地線垂跨比的影響

圖7 檔距對(duì)地線垂跨比的影響

本文還研究了外層股線腐蝕面積對(duì)地線承載力的影響。選取了5%，10%，15%，20%等4種腐蝕比例參數(shù)。圖8給出了外層腐蝕面積對(duì)股線應(yīng)力的影響。由圖中結(jié)果可知：隨著外層股線腐蝕面積的增加，地線有效承載面積逐漸減小，但同時(shí)地線的自重也逐漸減小。因此其股線應(yīng)力基本保持不變。對(duì)于外層股線而言，各層中的不同股線的應(yīng)力相同。

圖8 腐蝕面積對(duì)股線應(yīng)力的影響

通過(guò)對(duì)比不同腐蝕面積下不同層股線應(yīng)力的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)與檔距和弧垂的參數(shù)研究結(jié)果類似的結(jié)論。地線各層股線應(yīng)力由內(nèi)至外逐漸增加。此外，由圖8還可發(fā)現(xiàn)不同腐蝕程度下，地線各層之間的應(yīng)力差基本保持不變，這表明外層地線腐蝕對(duì)地線各層中的應(yīng)力分布影響較小，各層股線應(yīng)力基本等同變化。這一點(diǎn)與圖5，7所顯示的弧垂參數(shù)和檔距參數(shù)的影響明顯不同。

限于篇幅，本文研究?jī)H考慮了地線自重荷載的影響，實(shí)際運(yùn)行的地線還有可能受到覆冰、大風(fēng)等極端載荷情況，值得進(jìn)一步研究。此外，本文研究了地線發(fā)生均勻腐蝕的情況，而地線往往還會(huì)疊加腐蝕坑等局部不均勻腐蝕情況，有可能導(dǎo)致失效在局部嚴(yán)重位置首先發(fā)生。

5 結(jié) 論

本文研究了自重荷載作用下腐蝕地線的軸向應(yīng)力。首先建立了腐蝕地線的非線性有限元模型，隨后建立了腐蝕地線的承載力分析計(jì)算方法。文中以某實(shí)際輸電線路的地線為工程背景，研究了自重作用下腐蝕地線的承載力特性，并分析了地線參數(shù)和腐蝕參數(shù)對(duì)其承載力的影響。本文研究表明：地線參數(shù)和腐蝕程度對(duì)其承載力具有較為顯著的影響?；〈购蜋n距對(duì)腐蝕地線的應(yīng)力影響很大。地線各層股線應(yīng)力隨著弧垂的增大而迅速減小，但各層股線應(yīng)力隨著檔距的增加而迅速增加，隨著腐蝕面積的增加而小幅增加。同時(shí)從分析結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，同一層的不同股線，其受力幾乎完全一樣。在不同的的弧垂、檔距和腐蝕面積下，地線各層股線應(yīng)力由內(nèi)至外逐漸增加，但腐蝕面積變化引起的應(yīng)力變化明顯比檔距和弧垂對(duì)股線應(yīng)力的影響要小很多。不同腐蝕程度下，地線各層之間的應(yīng)力差基本保持不變，這表明外層地線腐蝕對(duì)地線各層中的應(yīng)力分布影響較小，各層股線應(yīng)力基本等同變化，這與弧垂參數(shù)和檔距參數(shù)的影響明顯不同。