大跨越架空輸電導線鋁部應力分布試驗

汪峰 曾超 薛春林 溫作銘

收稿日期：2021-11-09

網絡出版日期：2022-01-11

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51778343）；中國能源建設集團規劃設計有限公司科研資助項目（GSKJ2-D03-2020）。

作者簡介：汪峰（1979—），男，副教授，博士，主要從事工程索類結構振動控制研究，（E-mail）wanggoody@126.com。

摘要：為了掌握大跨越架空輸電導線鋁部應力空間分布特性，以JLHA1/G6A-500/280型特強鋼芯鋁合金導線為研究對象，采用鋁股絲表面激光刻槽，內嵌高靈敏、超大復用容量超弱光纖光柵，搭建了大跨越輸電導線鋁部應力試驗平臺，研究了不同張力條件下大跨越架空輸電導線鋁部應力分布規律，建立了大跨越導線實體有限元模型，分析了鋁股應力分布特征，并驗證了試驗結果的正確性。結果表明：導線承受張力作用時，外層鋁股和次外層鋁股應力不同，外層鋁股應力小于次外層鋁股應力，導線同層鋁股應力基本相同；鋁股應力隨導線張力的增大呈線性增大趨勢，張力每增大1%，鋁股應力增大約10%。不同導線張力作用時鋼股和鋁股應力均呈現環狀分層特性，鋁股平均應力小于鋼股平均應力，鋁部和鋼股應力比約為3∶7；外層和次外層鋁合金股絲應力沿圓周向分布不均勻，建議大跨越導線線型設計時考慮鋁股絲分層特性。

關鍵詞：大跨越輸電導線；超弱光纖光柵；鋁部應力；分層特性；試驗研究

中圖分類號：TM75 ???????????文獻標志碼：A ????????文章編號：1000-582X（2024）03-066-09

大跨越輸電線多由高強度鍍鋅鋼芯和外層鋁合金股絲絞制而成，其鋼芯和鋁股層數多，螺旋形態復雜。現有導線設計時，往往忽略鋁部應力或作簡易的估算^[1]，但隨著導線跨越檔距變長，輸送容量增大^[2]，鋁部應力逐漸成為發揮導線機械性能的控制性因素。大跨越架空輸電線路檔距大、懸掛點高，相關張力試驗研究較少^[3?4]。因此，開展大跨越架空輸電線鋁部應力研究具有十分重要的意義。

目前，針對架空輸電線導線力學特性，國內外學者從理論、數值和試驗角度進行了廣泛研究，取得了豐富的研究成果。Frigerio等^[5]提出了鋼絲繩內各股絲中心線的數學表示，并通過CATIA和Matlab展示了鋼絲繩的建模過程。蔡斯特等^[6?7]推導了絞線各層股絲的應力分配數值計算公式；Liu等^[8]建立了2種典型導線的有限元模型，并仿真模擬了導線在張力作用下的力學性能；Kmet等^[9]建立了5層結構絞線三維模型，研究了導線受拉與受彎狀態下的應力變化規律，通過拉伸與彎曲的靜力試驗，驗證了仿真模擬結果；秦力等^[10]通過仿真模擬發現導線夾持區的應力集中部位處于U型螺栓與懸垂線夾出口處；李培生等^[11]通過建立三維實體模型和有限元模型對導線截面的應力分布情況進行了分析；盧銀均等^[12]研究了彎曲狀態下的導線應力與變形規律；Feyrer^[13]分析了拉伸載荷下的鋼絲繩應力以及張力拉伸試驗方法；周昕愷等^[14]分析了荷載一定時導線的應力-應變關系；黃欲成等^[15]建立了導線的三維有限元模型，研究了大跨越導線鋼芯和鋁部應力分布規律；芮曉明等^[16]構建了導線三維模型，研究了導線應力分層特性，并在導線表面粘貼強光柵，研究導線張力與應力關系；祝賀等^[17?18]分析了不同彎曲狀態下導線分層應力特性，并在小截面導線粘貼鋼筋應變片，測量導線在拉力作用下的鋁股應力。

綜上所述，大部分研究從理論和有限元模擬角度，開展了輸電導線的結構特性以及股絲應力研究，但從試驗角度研究大跨越輸電導線鋁部應力較少。以往的試驗多采用傳統的表貼式應變計測量外層鋁股應力，大跨越輸電線由于鋼芯和鋁股層數多，螺旋形態復雜，在運行張力作用下次外層和外層鋁股應力如何分布，尚未有明確結論。因此，文中以JLHA1/G6A-500/280型特強鋼芯鋁合金導線為對象，通過在次外層和外層鋁股表面激光刻槽，內嵌超弱分布式光纖光柵方法，開展大跨越架空輸電導線鋁部應力試驗研究，并與數值模擬結果進行對比驗證，揭示大跨越架空輸電線鋁部應力空間分布規律。研究結果為大跨越輸電導線的鋁部應力設計提供理論依據。

1試驗概況

1.1試驗設計

試驗對象為JLHA1/G6A-500/280型特強鋼芯鋁合金大跨越輸電導線，該導線共6層股絲，額定拉斷力（rated tensile strength， RTS）F_RTS=676.2 kN，詳細結構參數如表1所示。為了測試導線鋁部應力分布，選擇2根鋁合金股絲，首先對鋁合金表層進行刻槽處理，為避免影響鋁合金股絲的強度，刻槽深度取1 mm，然后將直徑0.25 mm超弱光纖光柵封裝填充到刻槽內，制成復合光纖光柵的鋁合金股絲。最后將復合光纖光柵的鋁合金股絲、普通的鋁合金股絲和鋼股絲，按照導線結構組成捻制成300 m長導線，截取2段導線作為試驗樣品。

試驗平臺由固定端、張拉端和光纖測試系統組成，試驗平臺布置圖，如圖1所示。根據GB/T1179-2017建議^[19]，考慮實際情況，試驗檔距取13 m。平臺兩端采用預絞絲固定導線，張拉端采用拉力試驗機進行張拉，光纖波長采用大容量超弱光纖光柵分析儀進行數據采集。試驗導線安裝完畢后，進行張拉，采集不同張力條件下鋁合金股絲應力應變。

1.2加載裝置與加載制度

加載設備選用微機控制的拉力試驗機，最大載荷為300 kN，在整個試驗過程中，張力變化小于0.5%，現場加載裝置如圖2所示。試驗采用荷載控制的加載制度，分成預加載階段、加載階段和卸載階段。預載階段施加F_RTS=13.5 kN（約2%的導線額斷張拉力）導線張力，并持荷10 min消除非彈性變形，同時采集導線應變初始數據。加載階段的荷載施加步長為800 N/s，采用逐級加載，加載至每一級后，持荷12 min保證荷載值達到穩定。卸載階段采取分級卸載至張力為零。

1.3試驗測點布置和試驗工況

為了獲得導線縱向不同位置的鋁合金股絲應力變化，試驗采用柵距為0.3 m的高密度超弱光纖光柵uwFBG（ultra-weak fiber bragg grating），超弱光纖光柵測點縱向布置和橫截面布置如圖3所示。超弱光纖光柵的結構與傳統光纖光柵（反射率一般在90%）類似，但反射率一般低于0.1%，極低的反射率可以大幅提高超弱光柵的復用性能，也使光柵陣列具備了一些新的傳感機制，符合本次試驗需求。

試驗采用RS-HFBGA-04型大容量超弱光纖光柵分析儀，監測不同導線張力條件下導線鋁部應力應變。導線處于加載階段時，采集儀自動記錄每個荷載工況下光纖波長變化值。大跨越導線運行張力一般取F_RTS為18%～25%^[20]，考慮張拉條件，并適當加密張力區間，試驗張力F_RTS從15%開始施加，到40%結束。在F_RTS為20%～25%張力區間內進行工況加密，張力間隔F_RTS=0.5%，總共25個工況。

試驗前選取內嵌光纖光柵的鋁合金股絲進行張拉標定，以便根據光纖光柵的波長，計算鋁股應力值，通過標定，測量波長與張力斜率K，標定結果K為1.076。

2試驗結果分析

目前，大跨越導線鋁部應力簡易理論計算值^[1]為

依據公式（1）計算導線鋁股平均應力時，實際上忽略導線分層特性，即內外層鋁股受力的差異。

2.1鋁股軸力分布

導線張力F_RTS=15%、20%、25%時，試驗檔距的檔中10個測點的鋁部軸力測試結果以及與理論值的對比如圖4所示。

由圖4可知，同一導線張力作用下，外層鋁股和次外層鋁股軸力不同，外層鋁股軸力小于次外層鋁股軸力，但同層鋁股軸力基本相同。在F_RTS=15%張力作用下，外層鋁股軸力平均值約為0.60 kN，次外層鋁股軸力平均值約為1.30 kN。另外，導線張力F_RTS=15%增大到25%時，外層鋁股和次外層鋁股軸力逐漸增大。張力F_RTS=15%時外層鋁股軸力平均值在0.60 kN，張力F_RTS增大到25%時，外層鋁股軸力平均值增大到1.22 kN左右。由此可見，張力F_RTS每增大1%時，外層鋁股軸力增大約0.06 kN，增長率約為10.3%。同樣條件下，次外層鋁股軸力增大約0.11 kN，增長率約為8.5%。由此可得，張力F_RTS每增大1%，外層鋁股和次外層鋁股軸力平均增大約為9.4%。

由圖4還可知，沿著導線軸向，同層鋁股軸力基本一致，但并不完全相同。例如，F_RTS=15%張力條件下，次外層鋁股3的軸力在1.40 kN左右變化，而次外層鋁股4的軸力在1.21 kN左右變化，兩股絲的平均軸力約為1.30 kN。其原因是，導線絞制后，次外層鋁股3和次外層鋁股4中的光纖光柵所處位置存在偏差。

由式（1）可計算F_RTS=15%、20%、25%時3種導線張力，導線鋁部應力分別為0.67、0.89、1.14 kN。對比理論值和試驗結果發現，鋁股軸力理論計算值和外層鋁股軸力值比較接近，但是明顯小于次外層鋁股軸力值。由此可知，大跨越導線各層鋁股受力并不相同，外層鋁股軸力小于次外層。建議大跨越導線設計時考慮導線鋁股分層特性。

2.2鋁股軸應力分布

導線張力從101.43 kN（F_RTS=15%）逐步增加到270.48 kN（F_RTS=40%）時，對于樣品導線1，試驗檔距的檔中10個測點的軸應力測試結果如圖5所示。對于樣品導線2，試驗檔距的檔中10個測點的軸應力測試結果如圖6所示。圖5和圖6的縱坐標鋁股絲應力均為檔中10個測點應力的平均值。

由圖5可知，隨著導線張力增大，外層鋁股應力與次外層鋁股應力均呈現線性增大趨勢，且外層鋁股應力小于次外層鋁股應力。導線張力F_RTS從15%，外層鋁股應力是57.36 MPa，內層鋁股應力是125.06 MPa，導線張力F_RTS增大到40%，外層鋁股應力是211.34 MPa，內層鋁股應力是392.86 MPa。外層鋁股的軸向應力增大10.7%，次外層鋁股軸向應力值相對增大8.6%。由此可見，鋁股應力隨導線張力線性增大，導線張力F_RTS每增加1%，外層和次外層鋁股應力平均增大約9.7%。

由圖6可知，樣品導線2的鋁部應力分布規律和樣品導線1相似，鋁股應力隨導線張力線性增大。導線張力F_RTS每增加1%，外層和次外層鋁股應力平均增大10.9%。

由圖5和圖6可知，鋁股應力隨導線張力呈現線性增大的趨勢，張力F_RTS每增大1%，鋁股軸向應力增大約10%。但在相同導線張力條件下，樣品導線1和樣品導線2鋁股應力值不完全相同，其原因是股絲絞制過程中，由于股絲較長，產生了扭轉現象，光纖的相對位置發生了變化，最終導致2個樣品的測試值存在差異。

3數值模擬分析

導線雖然布置了分布式光纖光柵，可測量沿導線縱向不同位置處的外層、次外層鋁股應力，但鋁股絲沿圓周方向的應力分布需要借助有限元方法獲取，同時借助有限元模擬可對比驗證試驗測試結果。因此，文中采用有限元軟件構建了相同型號導線的三維有限元模型。

考慮計算機時和計算效率，導線模型長度取50 mm。采用Solid186實體單元，構建導線實體有限元模型，考慮股絲相鄰層的摩擦接觸作用。導線模型沿導線縱向分為20等份，共1 556 499個節點，262 880個單元。模型一端固定約束，另一端面外設置剛性點，將此端面的節點和剛性點進行耦合處理，以便通過該剛性點施加導線張力。導線有限元模型如圖7所示。

3.1導線截面分層應力

利用有限元模型，分別計算導線張力F_RTS為15%、20%、25%、30%、35%、40%額斷張拉力時鋁股應力。限于篇幅，僅列出了張力F_RTS= 25%時，導線檔中截面應力分布結果如圖8所示。圖8（b）中的軸向平均應力值，通過對單根股絲截面各個不同應力位置進行應力積分，最后再平均分布到整個股絲截面。

由圖8（a）可知，對導線整體截面而言，張力F_RTS為25%額斷張拉力時，導線鋼股和鋁股應力呈現環狀分層分布，各層鋼股、鋁股軸向應力變化呈由內至外逐漸變小的趨勢。由圖8（b）可知，對于鋼股絲而言，第3層鋼股絲平均應力小于中心層鋼股絲平均應力，說明從內到外鋼股應力逐漸減小。對于鋁股而言，第5層鋁股絲的平均應力小于第4層鋁股絲的平均應力，說明鋁股次外層應力大于鋁股外層應力，鋁部應力分布規律與試驗結果基本吻合。

由圖8（b）還可知，外層鋁股應力最大值為109.05 MPa，內層鋼股應力最大值為464.17 MPa。計算統計導線所有鋁股和鋼股絲應力，可得該導線的鋁部和鋼股應力比約為3∶7。說明該大跨越JLHA1/G6A-500/280型導線的鋼股層承擔了較大張力作用，鋁股主要是傳輸電能。

3.2鋁合金股絲圓周方向應力

單根鋁合金股絲圓周方向應力劃分為46等份，將截面圓周最大應力值點設為0°，逆時針方向為角度增大的方向，計算導線鋁股圓周方向應力變化，如圖9所示。

由圖9可知，不同導線張力條件下，鋁合金股絲沿圓周方向應力分布不均勻。導線張力越大，相同圓周角度的鋁合金股絲單元應力呈現增大趨勢。外層和次外層鋁股均在0°時圓周應力最大，外層鋁股大約在130°位置時圓周應力最小，而次外層鋁股大約在150°位置時圓周應力最小，2層鋁股出現最小應力位置存在相位差。其原因是外層和次外層鋁股捻制角度不同，外層捻角為10.51°，而內層捻角為14.37°。

3.3試驗結果與仿真對比

不同導線張力條件下，2根樣品導線的外層與次外層鋁股應力試驗測試值和有限元模擬計算值對比如圖10所示。圖中導線1-1代表樣品導線1的外層鋁股1，導線1-2代表導線1的外層鋁股2，導線1-3代表導線1的次外層鋁股3，導線1-4代表導線1的次外層鋁股4，導線2-1、2-2、2-3和2-4分別代表樣品2的外層和次外層鋁股。

由圖10可知，整體而言，不同導線張力條件下，樣品導線1和樣品導線2的鋁股應力試驗值處于有限元模擬計算最大值和最小值之間，說明了試驗結果的正確性。由圖10（b）可知，樣品導線1的次外層鋁股應力大于模擬值，個別數據有偏差，其原因是股絲刻槽嵌入光纖后，絞制成導線過程中出現扭轉偏差，導致測試所得的應力值大于模擬值。

4結??論

文中采用對大跨越架空導線鋁合金股絲內嵌超弱光纖光柵的方法，測試了導線外層與次外層鋁股的應力隨導線張力變化而變化的規律。并通過有限元仿真計算對比了試驗結果，得出如下結論：

1）相同導線張力作用下，外層鋁股和次外層鋁股軸力不同，外層鋁股軸力小于次外層鋁股軸力，導線同層鋁股軸力基本相同。大跨越導線鋁部應力計算建議考慮導線鋁股分層特性。

2）隨著導線張力的增大，外層鋁股應力與次外層鋁股應力均呈線性增大趨勢，外層鋁股軸向應力小于次外層鋁股軸向應力。鋁股應力隨導線張力線性增大，導線張力F_RTS每增加1%，外層和次外層鋁股應力平均增大約10%。

3）從導線整體截面而言，導線張力作用下，導線鋼股和鋁股應力呈現環狀分層，且外層鋁股平均應力小于內層鋼股平均應力。導線鋁部和鋼股應力比約為3∶7。

4）導線張力作用下，鋁合金股絲應力沿圓周向應力分布不均勻。試驗測得的導線鋁股應力處于模擬計算最大值和最小值之間，說明試驗結果是正確的。

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（編輯??詹燕平）