一種結構穩定的大截面擴徑導線設計

萬建成，司佳鈞，劉彬，楊加倫，劉龍

(中國電力科學研究院，北京市 102401)

0 引言

在滿足輸電容量和電磁要求的前提下，采用擴徑導線，可以減少導線的總質量或導線分裂根數，減少鐵塔荷載和結構質量，降低線路投資［1］。若輸送容量和利用小時數不高的線路需降低可聽噪聲，在導線分裂數相同的情況下，采用擴徑導線與通過增大導線截面從而增大導線外徑的方法相比，具有顯著的經濟效益。

擴徑導線類型很多，結構差異較大，但根據用途可分為變電站用和輸電線路用2類。目前我國輸電線路用得較多的是疏絞型鋼芯鋁絞線，而且疏絞型擴徑導線造價較低，是一般優先考慮的擴徑方式［2］。以往工程中應用的是圓線疏絞型擴徑導線，通過大量試驗研究表明，大截面的圓線疏絞型擴徑導線結構穩定性差、過滑輪易跳股，主要是由于導線內層本應均勻分布的鋁線股經過滑輪后產生偏移而導致鋁股聚集，同時層間的鋁線為線與線的接觸，極易發生鋁線跳股現象［3］。

大截面擴徑導線［4］是指鋁股為4層或鋁截面超過720 mm2的導線，它外徑大、鋁股內部空隙大、截面穩定性差，不宜采用圓線疏絞型擴徑導線。因此要考慮一種新結構，可以改善層間鋁股的接觸狀態，增大層間鋁股接觸面積，在達到擴徑效果的同時保證截面結構穩定。

在疏絞型大截面擴徑導線的結構設計階段，通過開發出來的分析擴徑導線截面穩定性的有限元仿真程序，解決評估其截面穩定性的難題，可以減少研發時間與成本;利用試制出來樣品通過試驗手段，驗證擴徑導線的結構穩定性是其工程應用的必經環節。本文通過理論分析、仿真計算和試驗驗證來研制疏絞型大截面擴徑導線。

通過研制疏絞型大截面擴徑導線，由此取得的技術進步，不但可以提升我國在該產品領域的制造技術，同時截面穩定性好，可用常規方法施工的大截面擴徑導線還為我國在特高壓、高海拔地區線路工程提供了一種新的選擇方案［5-6］。

1 大截面型線疏絞型擴徑導線的設計

1.1 導線結構設計

擴徑導線跳股的主要原因是導線在拉伸載荷作用下通過滑輪彎曲形成明顯鋁股間接觸塑性壓痕，從而導致擴徑導線直徑的明顯減縮，使最外層鋁股間的原始間隙減少。當間隙減小到0后，如繼續加載將使外層鋁股沿徑向相互擠壓，導線內部各層直徑縮減量大于導線外層縮減量時，繼續增加的載荷將導致外層鋁股失去鄰外層鋁股的徑向支撐，從而導致外層的一些鋁股被擠出層外的現象［7-9］。

對于截面大、擴徑比較高的導線，若采用圓線疏絞型擴徑方式，支撐層(非外層)鋁股則無法達到對外層鋁股有效支撐的效果，因此本文研究一種新型結構，鋁股外層采用圓線密排，支撐層采用型線疏絞。導線的最外層由于鋁股數多，若采用型線將提高占積率，不利于提高擴徑比，故仍采用圓形鋁線［8-10］，且絞線外層若不緊密光潔，將導致電暈產生，所以外層必須密排。把支撐層鋁股設計為型線疏絞擴徑方式，即將支撐層的圓形鋁線更改成梯形，在原有緊密絞合結構的基礎上少絞若干根型線單線，剩余的單線均勻分布，如此可以將層間鋁股的線線接觸改變為面面接觸，提高了擴徑導線的結構穩定性。

型線疏絞型擴徑導線中的型線厚度與圓線的直徑相同，如圖1所示。圓線的線徑和設計的型線厚度均為3.9 mm，以保證鋁線層每層的外徑與圓線疏絞式擴徑導線每層的外徑相同，如圓線疏絞式擴徑導線的每層鋁層的外徑分別為11.7、27.3、35.0 mm，型線疏絞型擴徑導線的每層鋁層的外徑亦相同，再根據型線的寬厚比4∶3設計型線的線徑。

圖1 型線擴徑導線設計示意圖Fig.1 Design of sectional diameter expanded conductor

試驗過程中，發現梯形線倒角的大小嚴重影響了導線結構的穩定性，過小的倒角使得導線在過滑輪時內層的鋁股極易發生斷股現象［11］，因此，研究特別設計了大倒角的梯形鋁股，如圖2所示。通過大量試驗數據的總結證明，梯形鋁股的倒角控制在0.5～1.5 mm時，鋁線通過滑輪后產生的壓痕不明顯，不易引起斷股［12］。

圖2 梯形線倒角的設計Fig.2 Design of ladder track chamfer

1.2 導線參數

導線截面如圖3所示，導線中部為7根圓截面鋼線，內層鋁股、鄰內層鋁股和鄰外層鋁股為梯形截面，外層鋁股為圓截面。

圖3 JLXK/G2A-780(1000)/80導線截面圖Fig.3 Section of JLXK/G2A-780(1000)/80

根據電磁環境控制要求，大截面擴徑導線的外徑應與JL/G2A－1000/80相等，即為42.88 mm。按電流密度為0.80 A/mm2設計，八分裂擴徑導線的導電截面約為 780 mm2。因此，設計 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88的主要參數如表1所示。

表1 JLXK/G2A-780(1000)/80擴徑導線技術參數表Tab.1 Parameters of expanded diameter conductor JLXK/G2A-780(1000)/80

1.3 導線技術經濟比較

計算條件:導線年電阻損耗功率為系統額定輸送功率11000MW(極導線額定電流5000A)，年損耗小時數分別為 3000、4000、5000、6000 h，電價為0.25、0.3、0.35、0.4 元/(kW·h)，年費用按工程經濟使用年限取50年，電力工業投資回收率取8%，運行維護費率取1.5%。對8×1000 mm2截面導線方案進行了縱向比較，結果如下:采用8×JLXK/G2A-780(1000)/80，初期投資較8×1000 mm2常規導線方案低。全壽命周期內，由于8×JL/G3A-1000/45導線鋼芯截面較8×JL/G2A－1000/80導線方案小，經濟性較優;在電價較低、損耗小時數較小時，擴徑導線方案經濟性優于8×1000 mm2常規導線方案;在電價較高、損耗小時數較大時，經濟性略差于8×JL/G3A-1000/45導線方案，且與8×JL/G2A-1000/80導線方案相當。

2 截面穩定性仿真分析

2.1 仿真流程

擴徑導線的數值仿真流程如圖4所示。

中國電力科學研究院開發了擴徑導線截面穩定性分析軟件，利用基于ANSYS軟件APDL語言開發的全參數化的有限元程序對導線結構進行了數值模擬［13］，以預測跳股現象。

圖4 擴徑導線數值仿真流程示意圖Fig.4 Numerical simulation process of diameter expanded conductor

2.2 失穩判據

根據擴徑導線跳股機理來設計在建模仿真時導線截面失穩判據，當外層某個單線到最內層鋼線中心的距離大于相鄰單線則認定為跳股發生，可以用公式(1)表達，如圖5所示。

圖5 跳股判據示意圖Fig.5 Criterion of string jump

式中:R(I)為加載變形后，最外層第I根單線中心到最內層鋼線的中心距離;R(I+1)為加載變形后，與第I根單線相鄰的第I+1根單線中心到最內層鋼線的中心距離;Ro為最外層鋁線半徑;參考值取0.5～1.0。

以R(I)與R(I+1)之差與最外層鋁線半徑的比值k作為是否出現跳股現象的簡單判斷項，當這個數值大于參考值時表示跳股情況發生。

將數值模擬結果與試驗結果對比，可得跳股準則的合理經驗值為:對于3層鋁股擴徑導線，跳股準則判定值取1較為合理;對于4層鋁股擴徑導線，跳股判定值取0.5較為合理。

2.3 仿真結果

JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88擴徑導線跳股臨界載荷模擬結果，如圖6所示，圖中縱向為跳股判據值(R(I)與R(I+1)之差與最外層鋁導線半徑的比值)，最上端橫線值為1，中間橫線值為0.5;橫向為導線長度方向。圖中每根曲線代表導線外層每根鋁股變形情況，其跳股臨界載荷為25.0%RTS。

圖6 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88擴徑導線模擬結果跳股判斷曲線圖Fig.6 Criterion of string jump for simulation result of expanded diameter conductor JLXK/G2A-780(1000)/80-42.88

3 截面穩定性驗證

3.1 模擬試驗

由于現場展放試驗需要的場地大、牽張設備多、導線長度長、試驗周期長、費用高、跳股現象難以觀測等因素，無法將之作為建模參數化試驗研究的方式。因此本試驗驗證使用了模擬過滑輪試驗設備，試驗原理如圖7所示。

圖7 試驗示意圖Fig.7 Test schematic diagram

試驗條件如下:(1)滑輪呈倒品字形擺放，1、3號滑輪直徑為650 mm，2號滑輪直徑為800 mm;(2)包絡角為30°;(3)運動形式為往復運動;(4)機構行走速度為1 m/s;(5)試驗設備的標高為1.5 m，觀測點位于試件離開上部滑輪的位置;(6)最大加載力為500 kN;(7)試樣長度為21 m。

取20次作為過滑輪次數上限，在某張力下，如果20次過滑車試驗后沒有發生跳股現象，則可以認為導線在此張力作用下不會跳股。采用順序法逼近最小跳股張力，張力從15%RTS開始，若不跳股則試驗張力每隔5%RTS遞加，直到發生跳股為止。

3.2 試驗結果

3.2.1 最小跳股張力

過滑輪試驗選取導線LXK/G2A-780(1000)/80－42.88，試驗得到此種導線跳股臨界張力為25%RTS，與仿真模擬計算結果相同。

3.2.2 鋁股壓痕及單絲損傷

當擴徑導線在較大的張力作用下通過滑車，因其內部同層鋁線之間存在較大間隙，使其對相鄰層鋁線的支持力存在較大的缺失，從而使導線鋁股層間產生了比一般常規導線嚴重的壓痕。因為鋁股材質相同，產生的層間壓痕是相互鑲嵌式的。這些壓痕的累積將使導線的直徑減小。擴徑導線的典型壓痕如圖8所示［14］。

圖8 導線鋁線壓痕圖Fig.8 Creasing of aluminium conductor

由圖8可見，隨著張力的增加，導線各層鋁股強度逐漸減小，由于導線中間層鋁股疏絞較多，因此導線中間層的鋁股強度損失最多。各層鋁股強度的測量數據如表2所示。

表2 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88導線各層鋁股試驗后平均強度統計表Tab.2 Average intensity statistics of aluminum wire at each layer of conductor JLXK/G2A-780(1000)/80-42.88 after testing

3.2.3 導線截面變化

對25%RTS張力下經過20次滑輪試驗的導線試件進行取樣，并在樹脂中浸泡，待樹脂完全凝固后，沿導線徑向切開，得到如圖9所示的臨界張力下導線跳股截面。

圖9 擴徑導線跳股處截面失穩照片Fig.9 Section instability of expanded diameter conductor when string jump

通過觀察發現，外層鋁線之間緊密接觸，相互擠壓。這是由于鋁線發生局部塑性變形產生壓痕導致的導線直徑縮減，進而使外層鋁線之間原始間隙減小，又使外層鋁線之間發生相互擠壓［15］。

4 結語

本文通過結構設計、仿真分析與試驗驗證，探索出一條研制擴徑導線的道路。首創了一種大截面型線疏絞型擴徑導線的新型結構，即鋁股外層采用圓線密排，支撐層采用型線疏絞，設計了JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88。

技術經濟分析表明JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88較常規等外徑導線可節約投資，年費用在電價低、利用小時數低的工程上與常規等外徑導線相當。

通過開發出來的分析擴徑導線截面穩定性的有限元仿真程序，評估上述大截面型線疏絞型擴徑導線的截面穩定性，計算結果表明其臨界跳股張力為25%RTS。對試制樣品進行過滑車試驗，結果表明上述擴徑導線的臨界跳股張力為25%RTS，能夠用于實際工程中。

綜上所述，大截面擴徑導線 JLXK/G2A-780(1000)/80－42.88，截面穩定性好，適用于電磁環境要求高、利用小時數低的工程。

［1］劉本粹，喻新強，郭日彩.擴徑導線在超高壓大容量輸電工程中的應用展望［J］.電網技術，2007，31(21):11-16.

［2］萬建成，劉臻，孫寶東.擴徑導線的分類與擴徑方式的選擇［J］.電力建設，2010，31(6):113-118.

［3］畢庶達.750 kV輸電線路擴徑導線跳股原因分析［J］.電力建設，2006，27(9):2-3.

［4］Q/GDW 389—2009架空送電線路擴徑導線架線施工工藝導則［S］.北京:電力出版社，2010.

［5］王洪英，欒勇.750 kV線路六分裂擴徑導線展放工藝探討［J］.電力金具.2006(1):25-26.

［6］馮玉昌，李云閣，頓連標.750 kV擴徑導線的運行情況總結［J］.電力建設，2007，28(10):43-46.

［7］曾生偉.擴徑導線展放施工工藝［J］.青海電力，2009，28(2):26-27.

［8］金榕，王飛，馮愛軍.西寧—格爾木750 kV雙回路輸變電工程用擴徑導線 LGJK-310/50的研制［J］.青海電力，2011，30(4):16-18.

［9］GB/T 1179—1999圓線同心絞架空導線［S］.北京:中國標準出版社，2000.

［10］馮登泰.接觸力學的發展概況［J］.力學進展，1987，17(4):431-446.

［11］尚勇，陳志達.帶有摩擦的單邊接觸大變形問題的研究［J］.應用數學與力學，1989，10(12):17-23.

［12］Jiang W G，Henshall J L，Walton J M.A concise finite element model for 3-layer straight wire rope strand［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2000，42(1):63-86.

［13］劉金朝，王成國，梁國平.多彈性體接觸問題的數值算法［J］.中國鐵道科學，2003，24(3):69-73.

［14］Jiang W G，Warby M，Henshall J L，Statically indeterminate contacts in axially loaded wire strand［J］.European Journal of Mechanics A/Solids，2008，27(1):69-78.

［15］Jiang W G.A concise finite element model for pure bending analysis of simple wire strand［J］.International Journal of Mechanical Science，2012，54(1):69-73.