不同预应力施加方式对预绞式金具紧固性能的影响

2022-01-05刘菊芳刘小会陶亚光杨晓辉张春霞

三峡大学学报(自然科学版) 2022年1期

刘菊芳刘小会,2 陶亚光张博杨晓辉刘鹏张春霞

（1.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074；2.重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室,重庆 400074；3.国家电网河南省电力公司电力科学研究院,郑州 450052）

线路电力金具是架空线路的重要组成部分,关系到整个线路的安全运行.金具损伤是造成高压架空输电线路掉线的主要原因.预绞式金具是由多根螺旋金属丝绕着相同的方向缠制而成,其形成的空腔小于导线直径,当组合在导线外侧时两者间可以产生均匀压应力——握紧力.近年来,预绞式金具出现断裂、散股、滑移和脱落等现象,对电力系统产生严重影响,因此研究预绞式金具和导线之间的握紧力十分必要.

刘刚等[1]学者建立了避雷线预绞丝端口的三维电磁场模型以研究电磁损耗分布规律,结果表明,预绞丝段的电磁损耗主要集中于预绞丝和避雷线间的接触点和预绞丝的外表面.刘刚等[2]继续通过构建两种预绞丝端口的电磁热耦合仿真模型,分析工频短路电流下两种端口的电流密度和暂态温度分布,得出阶梯型端口可避免发热瓶颈点集中于地线同一径向截面,一定程度上可防范断裂.吴勋等[3]建立了架空地线和预绞丝接触端口的结构场仿真模型,研究两者间的接触压力,得出节距和切变模量是主要影响因素,节距和切变模量值分别与接触压力值成反比和正比.钟枚汕等[4]分析架空地线预绞丝端口断裂机理,认为在工频短路电流下,预绞丝端口放电产生的能量形成局部高温,无法承受轴向拉力而断裂.李虎安、鲍迁等[5-6]学者认为预绞式金具可以减小对导线的静态压应力,增强接触区域的弯曲刚度,削弱由微风振动引起的动态弯曲应力,改善了导线和金具接触区域上恶劣的应力环境,使导线免受破坏性的振动和疲劳,延长导线的使用寿命.廖维君等[7]学者从大量架空线路运行数据分析,预绞式金具具有分散集中应力、免工具安装、使用寿命长、金具损耗低等优越于传统金具的性能,能提高送电线路的安全稳定运行水平,降低金具对导线的不良影响及运行成本,延长使用年限.杨富磊等[8]学者研究了河南某地使用耐张型预绞式金具的典型高压架空输电线路,认为预绞式金具表面存在集肤效应,可能导致铁磁材料的预绞式金具强度下降,易出现被拉断的现象.以上研究主要集中于预绞式金具端口三维建模和理论方面的分析,少见对预绞式金具握紧力的研究.

本文模型将单根耐张型预绞式金具缠绕在导线上,研究等效降温法、ODB导入法和过盈接触法3种预应力不同施加方式对金具紧固性能的影响,通过对比分析,为后续更精细的预绞式金具研究做准备,也为有限元预应力的模拟提供参考.

1 耐张型预绞式金具概述

预绞式金具按照结构不同,可分为耐张型预绞式金具、悬垂型预绞式金具和预绞式接续条[9].其中耐张型预绞式金具拉力强且操作方便,主要用于电力线路的裸导线和架空绝缘导线,将导线或避雷线固定在非直线杆塔的耐张绝缘子串上,起锚固作用,亦用来固定拉线杆塔的拉线,可代替传统的耐张金具.耐张型预绞式金具结构简单,其预绞式双腿形成空管,缠绕到导线上时可产生极强的握力;后部为预成型的绞环,用于固定在绝缘子上,如图1～2所示.预绞式耐张金具相对于普通线夹除了上述突出的性能外,还具有以下优点:强度高,每个导线耐张线夹均有一段额外的预绞长度,从而保证耐张强度可达导线额定拉断力100%以上;耐腐蚀性好,材质与导线完全一致,从而保证较强的耐腐蚀性;通用性强,可与多种金具配套使用.

图1 预绞式耐张线夹

图2 绞合后的预绞式耐张线夹

2 耐张型预绞式金具受力分析

2.1 三维实体模型

根据圆线同心绞架空导线规范GB/T 1179—2017[10]和架空线路用预绞式金具技术条件规范DL/T 763—2013[11],模型选用JL/G1A-210/25 型钢芯铝绞线和与之相匹配的铝包钢材NL-210/25型耐张预绞式金具,具体参数见表1～2.

表1 导线参数

表2 预绞式耐张金具参数

为减少计算量,先建立单根预绞式耐张金具缠绕在导线上的模型.由于钢芯铝绞线和预绞式金具表面均有绞凸特性,需要划分的网格多,而且都是接触问题,模型不易收敛,不能精细建模.因此将导线简化为光滑的圆截面,划分合理的网格数量,这样建立的模型计算结果也能反映结构参数对预绞式金具握紧力的影响.根据实际位置情况,在ABAQUS 中对实体构件进行约束装配,建立如图3所示的模型.

图3 仿真模型

2.2 材料特性

模型导线选用JL/G1A-210/25 型钢芯铝绞线,预绞式金具选用NL-210/25 螺旋型耐张线夹.ABAQUS属性模块中定义材料的基本参数见表3.

表3 材料参数

2.3 定义接触和边界条件

由于预绞式金具形成的内径小于导线直径,会产生预紧力,使两者紧密接触.接触问题是典型的非线性问题,本模型只考虑状态非线性,不考虑材料非线性,降低了非线性的复杂程度,且不同的接触类型和控制因素对仿真模拟的计算结果有着重要影响.通常处理金具的接触类型有两种:①假定两部件之间相对滑移较小,可忽略不计,接触类型为绑定接触,此种形式求解速度快、容易收敛,但易出现虚假应力和位移;②接触类型假定为面面约束,此种形式会产生大量的迭代步,对计算资源要求较高,计算时间长且不易收敛[12].本文为了得出较精准的模拟结果,对建立的单根预绞式耐张线夹和导线之间的接触类型采用面面约束,接触面法向为硬接触,切向接触为罚函数摩擦公式,摩擦系数为0.3.

导线一端固定,在此端面中心建立一个参考点RP-1,通过Coupling将此参考点和该端面建立耦合关系,即限制参考点1在6个方向的自由度;同为圆截面的导线和预绞式金具,在共同工作时可能会出现相对滑移的现象,而且模型研究预绞式金具的握紧力,模拟导线和预绞式金具从接触到相对滑移的过程,因此导线另一端自由,在导线轴线位置建立参考点RP-2,在该点施加轴向受拉的位移荷载（后文具体说明取值）,通过Coupling将此参考点和导线自由端的耐张预绞式金具建立耦合连接关系,同样约束该点的位移和转动,如图4所示.

图4 模型轴向荷载示意图

2.4 荷载计算

由圆线同心绞架空导线规范GB/T 1179—2017[10]和架空线路用预绞式金具技术条件规范DL/T 763—2013[11],耐张线夹握力不应小于线缆额定拉断力的95%,预绞式耐张金具的预绞丝有效长度不宜少于5个节距,且预绞式耐张线夹的抗拉强度不应小于1 100 MPa.模型中JL/G1A-210/25型导线额定拉断力为66 190 N,则预绞式耐张线夹握力应不小于62 880.5 N（66190 N×0.95）.模型中选用4种工况进行模拟:①工况1（3 mm-180 mm-5-0.3）,即预绞式金具半径为3 mm,节距为180 mm,5个节距,导线和预绞式金具间的摩擦系数为0.3;②工况2（3 mm-180 mm-6-0.3）,预绞式金具6 个节距;③工况3（3 mm-180 mm-7-0.3）,预绞式金具7个节距;④工况4（3 mm-180 mm-8-0.3）,预绞式金具8个节距.除节距个数外,工况2～4中其它参数同工况1.经计算半径3 mm 的预绞式耐张金具缠绕在半径为10 mm 的导线上,需要12达到满丝情况,则单根预绞丝的握力应不小于5 240 N（62 880.5 N÷12）.因此在保证握力满足条件的情况下,不必过量增大预绞式耐张金具的握力,避免造成材料的浪费,增加成本.

2.5 模型网格划分

模型共2个部件,为提高分析的精度和正确性,网格选用六面体线性减缩积分单元C3D8R,它比一般的完全积分单元在任一方向上都会少一个积分点.任何一个单元都有8个节点,而任意节点都有3个平动自由度,因此模拟三维问题时,选用C3D8R 可以获得足够的精度.为保证模拟的准确性同时提高计算效率,单独加密预绞式耐张金具的网格,对工况3进行3种不同尺寸下的网格灵敏度分析.3种网格密度下所得的预绞式耐张线夹握力见表4,不同网格下的接触情况如图5所示.由以下分析结果,网格越密接触情况越理想,当导线网格尺寸取2.5 mm,预绞式耐张金具网格尺寸取0.9 mm,可同时保证求解精度和计算效率.

表4 工况3不同网格密度下预绞式耐张线夹握力

图5 工况3预绞式金具不同网格密度下接触情况

查阅两种工况生成的网格,模型单元数99 962个,结点数123 992个,其中预绞式金具单元数67 320个,结点数84 205个.分析检查各网格质量,如图6所示,模型网格高亮时全部是绿色,即部件的网格质量是满足计算要求的,计算结果具有参考价值.

图6 网格质量

2.6 确定施加的位移荷载值

模型中施加的位移荷载选取依据为:需保证能够完全拉动预绞式金具,即其握紧力最终达到稳定阶段.

经计算分析,位移荷载不足10 mm 时握紧力呈上升趋势,如图7（a）所示.当施加10 mm 位移荷载时,预绞式金具握力-时间如图7（b）所示,此时握力达到稳定.因此取握紧力达到稳定的10 mm,位移荷载是较为合理的.

图7 预绞式金具握力变化图

2.7 几种预应力施加方式的介绍

由于预绞式金具形成的空腔内径小于导线直径,会产生预紧力作用,有效保证两者不易出现滑移现象.通过以下3种方法模拟预绞式金具的预应力.

1）整体降温法.通过对预应力构件的单元实施温降从而产生收缩,将预应力构件和整体结构作为一个整体进行受力分析,从而模拟预应力构件对整体结构产生的预应力效应,主要依据温度和预应力产生的线应变相等的原则[13].本模型通过在预绞式耐张金具上施加温度载荷使金具产生收缩变形,这种变形受到与之接触导线的阻碍作用,产生内部拉力,即预紧力,是较为简便的施加预应力的方法.

2）通过定义过盈接触模拟导线和预绞式耐张金具之间的预紧力.这种方法其精确的过盈量在建模时无法确定,需要计算两次,即:先假定一个估计过盈量数值,由此模拟得到相应的最大握力值,再根据材料的线性关系,得到最终精确过盈量,由此再计算分析预绞式耐张金具的握力特性[14].

3）通过导入ODB 的施加预应力法.一般要建立两个模型,其原理是:提前算出一个初始应力的ODB文件,导入另一个模型中继续计算.

3 模型计算

对设置的工况依次采用降温法、ODB 导入法和过盈接触法,研究不同预应力施加方式对预绞式耐张金具紧固性能的影响.

3.1 降温法

为满足上述分析的单根预绞式金具握力不宜小于5 240 N,对工况1,经模拟计算需降温3 300℃,计算得预绞式金具最大握力为5 277.19 N,其应力如图8所示.

图8 工况1降温法应力云图

由图8可以看出:应力最大点位于施加位移荷载的端部,因为此端部施加绑定的约束条件,增加了预绞式金具的局部刚度,使应力增大.

同样对于工况2,为保证单根预绞式金具握力不小于5 240 N,降温1 600℃,计算得最大握力为5 535.27 N.

对于工况3,需降温800℃,计算得最大握力5 744.06 N.

对于工况4,需降温400℃,计算得最大握力5 677.43 N.

各工况中,单根预绞式金具握力都满足要求,且应力规律一致,最大应力值均位于施加荷载的端部.

3.2 过盈法

由单根预绞式金具的握力不宜小于f＝5 240 N,先假定一个估计过盈量数值a0,完成模型的计算后得到相应的最大握力f0;再依据模型中材料特性是线弹性的,过盈量和预绞丝预紧力大致成正比例关系,最终得到精确过盈量数值Δa＝a0×f/f0,各工况具体计算结果见表5.

表5 过盈法计算结果

续表5 过盈法计算结果

对于工况1,当估计过盈量数值a0依次取0.31、0.32、0.33、0.34、0.35 mm 时,经计算精确过盈量数值Δa都近似于0.31 mm.则3 mm-180 mm-5-0.3工况,精确过盈量为0.31 mm.模拟计算得预绞式金具最大握力5 278.52 N,其应力分布如图9所示.同样由于绑定约束,应力最大值位于施加荷载的端部.

图9 工况1降温法应力云图

对于工况2,当a0依次取0.15、0.16、0.17、0.18、0.19mm时,经计算Δa都近似于0.15mm.则3 mm-180 mm-6-0.3工况,精确过盈量为0.15 mm,模拟计算得预绞式金具最大握力为5 378.52 N.

对于工况3,当a0依次取0.07、0.08、0.09、0.10、0.11mm时,经计算Δa都近似于0.07mm.则3 mm-180 mm-7-0.3工况,精确过盈量为0.07 mm,模拟计算预绞式金具最大握力为5 232.17 N.

对于工况4,当a0依次取0.06、0.07、0.08、0.09 mm 时,经计算Δa都近似于0.038 mm.则3 mm-180 mm-8-0.3工况,精确过盈量为0.038 mm,模拟计算预绞式金具最大握力为5 677.43 N.

3.3 ODB导入法

依据此种方法的原理,将工况3 mm-180 mm-5-0.3-（－3 300℃）记作模型1,由于降温设置在第2个分析步,则将模型1中的分析步2、增量步18作为初始应力,在模型1′中导入模型1 含有初始应力的ODB文件,计算模型1′,预绞式金具的最大握力为5 238.88 N,其应力分布如图10所示.同样由于绑定约束,应力最大值位于施加荷载的端部.

图10 工况1的ODB导入法应力云图

模型2:依据此种方法的原理,将工况3 mm-180 mm-6-0.3-（－800℃）中的分析步2、增量步29作为初始应力,导入含有初始应力的ODB文件,模拟计算得预绞式金具最大握力为5 213.03 N.

模型3:将工况3 mm-180 mm-7-0.3-（－800℃）中的分析步2、增量步66作为初始应力,导入含有初始应力的ODB文件,模拟计算得预绞式金具最大握力为5 038.26 N.

模型4:将工况3 mm-180 mm-8-0.3-（－400℃）中的分析步2、增量步25作为初始应力,导入含有初始应力的ODB文件,模拟计算得预绞式金具最大握力为4 609.64 N.

各工况下,预绞式耐张金具的应力分布规律一致,应力分布不均匀,最大值都位于施加位移荷载的端部,这是由于端部受到约束作用,并非预绞式耐张金具的真实应力状态.

3.4 模拟结果

对各工况依次采取降温法、过盈法和ODB 导入法,握力理论值和仿真值的结果见表6,握力-位移曲线如图11所示.

由以上结果可以看出:各工况中,预绞式耐张金具的握力仿真值和理论值均相差在13%以内,结果有一定的参考价值;由于绑定约束,局部刚度增加,预绞式耐张金具的最大应力位于施加位移荷载的端部,与导线接触部分应力值偏大;节距少时,预绞式金具采用3种预应力施加方式,握力结果差别不大,节距增加,降温法模拟的握力最大;节距少时,宜采用ODB导入法,和理论值相差较小,预绞式金具节距多,宜采用过盈法,其次是降温法;随着节距的增加,模型计算时间增加,预绞式金具8个节距时过盈法计算时间最短,过盈法次之,5个节距时,降温法完成计算时间最短,ODB导入法次之.本模型模拟的是单根预绞式耐张线夹缠绕在导线上,为使模拟更有参考价值,后面会增加预绞式耐张线夹的根数,直到导线上达到满丝的状态.