輸電線路球頭掛環(huán)銹蝕模擬研究

張九凡

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443000）

引言

由于大氣環(huán)境的影響，特別是在沿海地區(qū)或者環(huán)境惡劣的工業(yè)區(qū)，輸電線路金具經(jīng)常產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，長期的銹蝕將導致輸電線路金具的機械性能和力學性能下降，而且對輸電線路的可靠性造成了一定影響[1‐3]。

球頭掛環(huán)作為輸電線路中關鍵的承力金具，一般用于架空導地線和桿塔懸掛點的連接，其可靠性對輸電線路有重要意義[4]。由于大氣環(huán)境的影響，球頭掛環(huán)往往會出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，尤其是球頭與桿端連接處以及掛環(huán)與桿端連接處[5]。

1 球頭掛環(huán)銹蝕模擬

本研究選取的球頭掛環(huán)型號為Q‐7，標準破壞荷載為70 kN，驗算工況荷載為46.7 kN。球頭掛環(huán)Q‐7實物如圖1(a)所示，材質為熱鍍鋅鋼。球頭掛環(huán)Q‐7的有限元模型如圖1(b)所示。采用實體單元模擬，單元尺寸按1.5mm大小進行網(wǎng)格劃分。

1.1 正常受力狀態(tài)

為了準確模擬球頭掛環(huán)Q‐7的實際受力狀態(tài)，其所受荷載按球頭掛環(huán)與U型掛環(huán)接觸面積范圍進行加載，數(shù)值按球頭掛環(huán)破壞荷載70 kN等效的均布荷載施加。在下端球頭與瓷瓶接觸面施加約束，限制其變形。加載及邊界條件如圖1(c)所示。在破壞荷載下，球頭掛環(huán)Q‐7最大應力約為516 MPa，最大應力出現(xiàn)在桿端與球頭連接部位，其次出現(xiàn)在掛環(huán)內側兩邊、掛環(huán)下端與桿端連接處。

圖1 球頭掛環(huán)Q‐7實物、有限元模式及約束條件

相應地，球頭掛環(huán)在破壞荷載下，以上部位的材料出現(xiàn)了少量的塑性應變，截面局部進入了塑性。這些部位也是球頭掛環(huán)的薄弱部位，有必要考慮以上部位發(fā)生銹蝕后構件的應力狀態(tài)。

1.2 銹蝕情況分析

根據(jù)前面的計算結果，針對極限狀態(tài)下出現(xiàn)塑性應變的部位，設置三種球頭掛環(huán)銹蝕的情況進行分析：掛環(huán)內測兩邊發(fā)生銹蝕；掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕；桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕。銹蝕部分采用殺死銹蝕單元的方式進行移除。銹蝕深度最大約為1.5 mm。

1.2.1 掛環(huán)內側兩邊發(fā)生銹蝕

圖2銹蝕前后的應力圖和塑性應變。銹蝕發(fā)生后，構件軸向變形最大約為2.274 mm（銹蝕前約為2.146 mm）。

圖2 掛環(huán)內側兩邊

1.2.2 掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕

圖3為掛環(huán)下端與桿端連接處銹蝕前后的應力、應變情況。銹蝕發(fā)生后，構件軸向變形最大約為2.24 mm（銹蝕前約為2.146 mm）。

圖3 掛環(huán)下端與桿端連接處

1.2.3 桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕

圖4為桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕的局部應力、應變情況。銹蝕發(fā)生后，構件軸向變形最大約為2.198 mm（銹蝕前約為2.146 mm）。

圖4 桿端與球頭連接部位

以上三種銹蝕情況中，掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕影響最為明顯，桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕影響相對較小。

2 結論

（1）球頭掛環(huán)應力集中部位一般為截面尺寸處。一旦這些部位發(fā)生銹蝕，對球頭掛環(huán)破壞荷載的降低有非常明顯的影響。

（2）掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕對球頭掛環(huán)的影響最顯著，球頭與桿端連接部位發(fā)生銹蝕對球頭掛環(huán)影響較小。

（3）考慮到金具的安全系數(shù)（最大使用荷載情況不應小于2.5，斷線、斷聯(lián)、驗算情況不應小于1.5），實際金具受到的荷載約為破壞荷載的40%～66%。分別按破壞荷載和驗算工況計算，后者構件絕大部分單元處于彈性狀態(tài)，發(fā)生銹蝕后進入塑性程度有限。

（4）根據(jù)金具的一般尺寸，發(fā)生深度為1 mm以內的銹蝕，金具的強度降低不超過20%，構件變形增加有限，對金具構件的安全運行影響不明顯。因此，在日常巡檢中，應注意實際金具銹蝕的范圍和殘余剖面面積不超過相關要求，以免影響金具正常使用。