外層腐蝕對輸電線路架空地線承載力的影響

鄧靜偉， 張 宇， 陳 波， 吳永祥

(1. 國網江西省電力有限公司電力科學研究院， 江西 南昌 330096; 2. 武漢理工大學 道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430070)

輸電線路是重要的電力基礎設施，關系國計民生，是重要的生命線工程。由于我國國民經濟和社會建設的迅速發(fā)展，修建了大量的各類輸電線路。輸電線路長期在野外服役，需要經過不同地形和氣候復雜地區(qū)，因此容易在惡劣環(huán)境作用下發(fā)生輸電線的腐蝕。輸電導線通常采用鋼芯鋁絞線構造，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，并進一步引起地線的破壞，這將造成嚴重的經濟損失和次生災害[1～3]。隨著西電東送與超特高壓輸電工程的建設，越來越多的各類輸電線路將被建造于地形和環(huán)境復雜地區(qū)。因此，結合我國輸電線路工程災變的實際，開展輸電地線腐蝕性能的研究具有重要的科學意義和工程價值[4～6]。

目前輸電線路設計無法考慮輸電地線不同股線的力學性能，不能考慮股線腐蝕程度對其承載力特性的影響。隨著對輸電線路設計建造和維護要求的不斷提高，要求對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，國內外越來越重視輸電地線腐蝕性能評估工作。但目前針對輸電地線腐蝕效應的研究工作非常有限，特別是沒有考慮腐蝕程度對輸電地線承載力的影響[7,8]?；诖耍疚难芯苛俗灾睾奢d作用下腐蝕輸電地線的承載力特性問題。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則。以我國南方某實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對其承載力的影響。本文研究表明：地線參數和腐蝕程度對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層鋼芯外側。同一層股線具有相同的直徑。對于地線而言，隨著螺旋升角的減小，單位軸向長度內外層股線纏繞的匝數越多、股線纏繞越密集。

圖1 輸電地線構造示意

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

(1)

(2)

地線單元的應變ε可依據格林應變得到：

(3)

(4)

式中：ξ為地線上任意點到局部坐標原點的弧長；L為單元長度。通過建立不平衡張力和位移增量的關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為軸向應力向量；BL，BN為線性和非線性應變矩陣。

2 輸電地線非線性分析方法

確定了地線的單元剛度矩陣后即可組集形成整體坐標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構在荷載作用下的張力。整體坐標系下可將所有單元的剛度矩陣和荷載向量進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；G為腐蝕地線自重荷載。

本文采用Newton-Raphson法和增量法相結合的方式對輸電地線的平衡方程進行求解，采用位移收斂準則。假定結構初始位移為x(0)=0，根據求解所得新平衡形態(tài)下的地線位移，可以重新形成結構的不平衡力向量Δψ1。重復以上步驟直至所得位移差范數滿足設定的收斂容差，則迭代過程結束：

‖x(n+1)-x(n)‖2≤Tol

(10)

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

本文以我國南方山區(qū)某輸電線路為實際工程背景進行了腐蝕地線承載力特行分析研究。地線型號GJ-80，檔距300 m。地線為三層共計19根股線結構，從內到外依次第一層為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，單位長度重量為628.4 kg/m，絞線破斷拉力為90.23 kN，拉斷應力為1143 MPa。根據GB 50545-2010《110～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》，架空地線在弧垂最低點的設計安全系數不應小于2.5，地線平均運行張力上限為額定破斷拉力的25%。地線各股標識如圖2所示。由于長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，導致外層截面損失。本文對大量現場取樣腐蝕架空地線掃描電鏡截面進行了觀察分析，結果表明其腐蝕區(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 輸電地線各股標識

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。分析過程所采用的地線腐蝕狀況依據實測結果確定，其股線腐蝕面積占整個股線橫截面積的20%。圖4 顯示了不同垂跨比下腐蝕地線各股線的應力結果。由圖中結果可知，弧垂對腐蝕地線的應力影響很大。地線弧垂為0.5%時，各層股線的應力均達到約620 MPa。但隨著弧垂逐漸增大，各股應力迅速減小。地線弧垂為1.0%時，各層股線的應力迅速減小到約300 MPa，減小幅度超過一半。再進一步增大弧垂，則各股線應力開始緩慢減小，地線弧垂為2.0%時，各層股線的應力已經下降到約140 MPa。再進一步增大弧垂對股線應力的影響已經較小。同時從分析結果還可以發(fā)現，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力

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

圖5 不同垂跨比下股線應力

4 參數研究

上述分析結論是在地線檔距為300 m，腐蝕面積為20%的情況下得到的。實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。因此本文在此針對地線參數進行了相應的參數研究。選取了200，300，400，500，600 m等5種典型的地線檔距參數，考察了地線軸向應力的變化特點，其結果如圖6所示。由圖6結果可知：地線檔距對軸應力有一定程度的影響，隨著檔距的增加，內層鋼芯的軸應力迅速增加。檔距200 m時內層鋼芯軸應力約為100 MPa，當檔距增加為600 m后，應力可達300 MPa，應力增幅呈線性關系，增幅達300%。第二層和第三層股線應力的變化規(guī)律與內層鋼芯一致，并且同一層內各根股線的應力相同。圖7給出了2%弧垂和不同檔距下各層股線應力的對比結果。由圖中結果可知，從內至外股線應力逐漸增加，內層鋼芯的應力略大于外層股線的應力，并且這種差異隨著地線檔距的增大而逐漸增加。

圖6 檔距對地線垂跨比的影響

圖7 檔距對地線垂跨比的影響

本文還研究了外層股線腐蝕面積對地線承載力的影響。選取了5%，10%，15%，20%等4種腐蝕比例參數。圖8給出了外層腐蝕面積對股線應力的影響。由圖中結果可知：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，但同時地線的自重也逐漸減小。因此其股線應力基本保持不變。對于外層股線而言，各層中的不同股線的應力相同。

圖8 腐蝕面積對股線應力的影響

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

限于篇幅，本文研究僅考慮了地線自重荷載的影響，實際運行的地線還有可能受到覆冰、大風等極端載荷情況，值得進一步研究。此外，本文研究了地線發(fā)生均勻腐蝕的情況，而地線往往還會疊加腐蝕坑等局部不均勻腐蝕情況，有可能導致失效在局部嚴重位置首先發(fā)生。

5 結 論

本文研究了自重荷載作用下腐蝕地線的軸向應力。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算方法。文中以某實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，并分析了地線參數和腐蝕參數對其承載力的影響。本文研究表明：地線參數和腐蝕程度對其承載力具有較為顯著的影響?；〈购蜋n距對腐蝕地線的應力影響很大。地線各層股線應力隨著弧垂的增大而迅速減小，但各層股線應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。同時從分析結果還可以發(fā)現，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，地線各層股線應力由內至外逐漸增加，但腐蝕面積變化引起的應力變化明顯比檔距和弧垂對股線應力的影響要小很多。不同腐蝕程度下，地線各層之間的應力差基本保持不變，這表明外層地線腐蝕對地線各層中的應力分布影響較小，各層股線應力基本等同變化，這與弧垂參數和檔距參數的影響明顯不同。