ACSR-720/50型架空导线单股应力状态分析

马行驰， 何大海， 朱 瑞

（1.上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090；2.同济大学磁浮交通工程技术研究中心，上海201204）

ACSR-720/50型架空导线单股应力状态分析

马行驰1， 何大海2， 朱 瑞1

（1.上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090；2.同济大学磁浮交通工程技术研究中心，上海201204）

钢芯铝绞线（ACSR）在使用过程中，钢芯与铝股共同承担张力载荷作用。由于导线的结构特性，各层股线的应力状态是不同的。以ACSR-720/50型架空导线为研究对象，运用ANSYS软件建立架空导线的几何模型，通过适当的FE（有限元）处理得到架空导线的有限元模型，确立模型求解的边界条件，进行数值模拟。分析结果表明，在10%RTS（额定拉断力）轴向拉力作用下，钢芯和铝股的等效应力最大值分别为74 MPa和31.8 MPa，得出钢芯与导体层的应力分布比例和单股上的最大切应力由内层到外层逐渐减小的结论；在远离吊线夹端面的横截面上，铝股内层等效应力值较大；距离吊线夹端面越近，铝股中层及外层的应力受端面约束力的影响越大；铝股端面的等效应力呈现由外层到内层逐渐增大的趋势，在不考虑其它因素的情况下，铝股内层在轴向拉力作用下首先产生失效的可能性较大，由此解释了吊线夹截面附近的金属屈服与疲劳应力的危险因素所在。

钢芯铝绞线；应力分布；有限元分析；数值模拟

0 引 言

钢芯铝绞线（ACSR）是目前高压架空输电线路中最常用的导线之一，其产品结构形式较多，典型结构含有两部分：钢芯股和铝线股。架空导线在工作过程中，钢芯与铝股共同承担张力作用。由于架空导线的结构特性，各层单股的应力状态是不同的。在户外风载条件下，架空导线将产生微风振动，进而引起单股间的微动损伤［1-6］。由于钢芯铝绞线邻层间的接触情况较为复杂，目前尚无适用于其单股间接触力学分析的解析方法。在对此类问题进行求解时，有限元软件取得了一些卓有成效的成绩，运用有限元软件建立简化的两线接触模型，一定程度上反映出单股接触区的应力状态［7-10］。但前述成果中，并无完整的钢芯铝绞线实体计算模型。

1 模型的建立

ACSR-720/50型架空导线的结构如图1所示，最外层绞制方向为右旋，除中间一根钢芯外，相邻层绞制方向相反。

图1 ACSR-720/50型导线的结构

本文根据ACSR-720/50型架空导线的绞制特点，得到单线之间的空间螺旋缠绕关系，利用ANSYS软件生成各单线的母线，再挤出几何模型，之后建立有限元模型。结合导线的分析条件，建立其应力、应变分析的边界条件，确立合理的软件分析类型和计算模式，利用ANSYS软件强大的有限元分析功能进行计算机数值模拟，获得导线的应力分布规律。

1.1 实体模型

ACSR-720/50型架空导线几何参数见表1。

根据ANSYS软件自下而上的建模方法创建ACSR-720/50型架空导线各根线的横截面，并编号，如图2所示。

表1 ACSR¯720/50型导线的几何参数

在柱坐标下利用螺旋线功能创建各单股的母线，利用Extrude｜Areas｜Alongline命令将钢丝截面沿母线拉伸成体，建立长度为88.335 mm的几何模型，如图3所示。

1.2 有限元模型

设置单元类型为8节点实体单元Solid 45，钢的弹性模量设E钢=136.5 GPa，泊松比υ钢=0.28。铝的弹性模量设E铝=59 GPa，泊松比υ铝=0.3。利用Preprocessor｜Meshing命令对架空导线实体进行网格划分，获得有限元模型如图4所示。

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图2 ACSR-720/50型导线横截面

图3 ACSR-720/50型导线几何模型

图4 ACSR-720/50型导线有限元模型

1.3 加载与求解控制

计算长度过长会影响计算速度，本模型长度取88.335 mm。考虑到架空导线承受轴向拉力时的实际情况，架空导线受力属于大转动小应变几何非线性弹塑性问题，本计算在Analysis Options区域指定large Displacement Static选项，W rite Items to Results File设置写入结果文件的项目为All solution items。在架空导线有限元模型上z=0端面约束柱坐标y、z两个方向的自由度，z轴另一端面约束柱坐标y方向的自由度，按10%RTS（额定拉断力），即17.06 kN施加载荷，并耦合该端面上节点的自由度。

2 计算结果及其分析

2.1 单股应力分布

Von Mises等效应力σd是指在复杂应力状态下，将应力组合与单向拉伸时应力状态的屈服极限相比较，来衡量材料屈服状态的一个物理量。表达式为：

当等效应力等于屈服极限时，材料进入塑性状态。

架空导线的等效应力计算结果如表2所示。

为了分别展示计算每根导线的应力，图5示出了架空导线在z=0截面上处于y轴正方向上的钢芯和铝股（1#、2#、8#、17#、32#）的轴向应力、切应力、等效应力的数值及变化规律，结合表2数值结果，可以看出以下特征：

表2 ACSR¯720/50型导线等效应力计算结果

图5 单股应力分布

（1）在10%RTS轴向拉力作用下，钢芯内层与外层的等效应力最大值分别为74 MPa、73.3 MPa，均处于与邻层接触区域。铝股内层、中层与外层的等效应力最大值分别为31.8 MPa、28.8 MPa和27.3 MPa，内层等效应力最大值位于与外层铝股的接触区，而中层、外层的等效应力最大值均处在端面位置。

（2）在单股表面上，钢芯和铝股内层的轴向应力、切应力和等效应力均沿邻层的绞制方向呈螺旋状分布。铝股中层和外层的应力状态受邻层绞制方向的影响减弱，端面对应力状态的影响起到主要作用。

（3）架空导线单股上存在切应力。由于各个绞层的外径和节距的不同，不同单股曲率半径的不同，加之层间相互作用力对切应力的影响，钢芯外层切应力较大。铝股切应力由内层到外层逐渐减小。

2.2 横截面应力状态

图6为架空导线铝股不同位置截面上的等效应力分布。可见，各层中铝股应力分布差别明显，内层等效应力值较大，且在截面上分布不均，与钢芯接触区域应力值显著增加（图6a～6c）。这主要是由于架空导线在轴向拉力的作用下，各绞线层会沿径向向内挤压，而铝绞层内层架空导线向内与钢芯外层相邻，钢芯外层钢线股具有相对较小的直径和较高的弹性模量，因此，产生了如图所示的应力状态。

另外，越向端面（假设有吊线夹固定的断面）靠近，铝股中层及外层的等效应力受端面约束力的影响越大，因为架空导线端面处的约束力是沿着z轴方向，与各铝股的延伸方向存在一定的夹角。等效应力沿各层铝股的旋转方向呈纹状分布，见图6f。

2.3 铝股截面等效应力变化规律

图7示出了8#股、17#股、32#股约束端截面等效应力沿截面圆周方向的变化曲线（近中心轴处为0°/360°）。可见，铝股中等效应力沿特定角度呈对称分布。应力水平呈现由外层到内层逐渐增大的趋势，固定端截面处的最大应力值位于内层铝股上。材料的疲劳极限与静应力大小有关，结合单股应力状态信息，内层铝股在轴向拉力作用下首先产生失效的可能性较大。由此可以推断，如果架空导线的内外导体层绞线的材质有所调整，内层选择较高强度的铝合金线，外层选择导电率高的纯铝软线，完全可以提高交流输电中的输电容量（因为集肤效应）。这就给我们提供了另外一种创新思维方式：“材料一致的架空导线产品的电力传输效果不一定好于材料不一致的同类产品”。也扩大了根据不同用途的产品的设计途径。

图6 铝股横截面等效应力σd/MPa（L=88.34mm）

图7 8#股、17#股、32#股约束端沿周向的等效应力

3 结 论

利用ANSYS软件建立了完整的ACSR-720/50型架空导线计算模型，确定单端承受拉伸载荷，另一端约束的计算边界条件，并进行了数值模拟计算，得出了架空导线单股应力分布规律。

（1）在10%RTS轴向拉力作用下，钢芯和铝股的等效应力最大值分别为74 MPa和31.8 MPa，单股上的切应力由内到外逐渐减小。

（2）在远离端面的横截面上，由于与钢芯的挤压力作用，铝股内层等效应力值较大；距离端面越近，铝股中层及外层的等效应力受端面约束力的影响越大。

（3）铝股端面的应力水平呈现由外层到内层逐渐增大的趋势，在不考虑其它因素的情况下，内层铝股在轴向拉力作用下首先产生失效的可能性较大。

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Stress-State Analysis on Single Strands of ACSR¯720/50 High Voltage Transm ission Line

MA Xing-chi1，HE Da-hai2，ZHU Rui1
（1.College of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China；2.Maglev Transportation Engineering R&D Center，Tongji University，Shanghai201204，China）

Power transmission using overhead line，which ismade of steelwire core and aluminium strands of the aluminium conductor steel reinforced（ACSR）conductor share tension duringworking process.As the structural characteristics of different layers of the conductor，the stresseswhich the strands suffered are different.In this paper ACSR -720/50 type overhead line was taken as the research object.The overhead linemodel is established with ANSYS Finite Element（FE）software.The finite elementmodel of overhead line can be acquired by appropriatemeshing operation.The boundary conditions are setwith the application conditions.Calculation results show that themaximum vonmises stresses of the steelwire core and aluminium strands are 74 MPa and 31.8 MPa respectively on 10%axial rated tensile strength（RTS）.The shear stress on the single-strands gradually decreases from the inside to the outside.Von mises stress of aluminum inner layer on cross-section of hanging clamp away from the end face is larger. More closer to the end face of hanging clamp，effects of binding tensile force on vonmises stresses of aluminum middle layer and outer layer are larger.Vonmises stresses on end face of hanging clamp increase from outside to inside gradually.The aluminum inner layer will get failure firstly under axial tensile force.

aluminum conductor steel reinforced；stress distribution；finite element analysis；numerical simulation

TH142；TM244.2

A

1672-6901（2013）03-0013-05

2012-11-19

上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金（Z2011-022）

马行驰（1980-），男，博士，讲师.

作者地址：上海市杨浦区平凉路2103号［200090］.