输电线路球头挂环锈蚀模拟研究

张九凡

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443000）

引言

由于大气环境的影响，特别是在沿海地区或者环境恶劣的工业区，输电线路金具经常产生锈蚀现象，长期的锈蚀将导致输电线路金具的机械性能和力学性能下降，而且对输电线路的可靠性造成了一定影响[1‐3]。

球头挂环作为输电线路中关键的承力金具，一般用于架空导地线和杆塔悬挂点的连接，其可靠性对输电线路有重要意义[4]。由于大气环境的影响，球头挂环往往会出现锈蚀现象，尤其是球头与杆端连接处以及挂环与杆端连接处[5]。

1 球头挂环锈蚀模拟

本研究选取的球头挂环型号为Q‐7，标准破坏荷载为70 kN，验算工况荷载为46.7 kN。球头挂环Q‐7实物如图1(a)所示，材质为热镀锌钢。球头挂环Q‐7的有限元模型如图1(b)所示。采用实体单元模拟，单元尺寸按1.5mm大小进行网格划分。

1.1 正常受力状态

为了准确模拟球头挂环Q‐7的实际受力状态，其所受荷载按球头挂环与U型挂环接触面积范围进行加载，数值按球头挂环破坏荷载70 kN等效的均布荷载施加。在下端球头与瓷瓶接触面施加约束，限制其变形。加载及边界条件如图1(c)所示。在破坏荷载下，球头挂环Q‐7最大应力约为516 MPa，最大应力出现在杆端与球头连接部位，其次出现在挂环内侧两边、挂环下端与杆端连接处。

图1 球头挂环Q‐7实物、有限元模式及约束条件

相应地，球头挂环在破坏荷载下，以上部位的材料出现了少量的塑性应变，截面局部进入了塑性。这些部位也是球头挂环的薄弱部位，有必要考虑以上部位发生锈蚀后构件的应力状态。

1.2 锈蚀情况分析

根据前面的计算结果，针对极限状态下出现塑性应变的部位，设置三种球头挂环锈蚀的情况进行分析：挂环内测两边发生锈蚀；挂环下端与杆端连接处发生锈蚀；杆端与球头连接部位发生锈蚀。锈蚀部分采用杀死锈蚀单元的方式进行移除。锈蚀深度最大约为1.5 mm。

1.2.1 挂环内侧两边发生锈蚀

图2锈蚀前后的应力图和塑性应变。锈蚀发生后，构件轴向变形最大约为2.274 mm（锈蚀前约为2.146 mm）。

图2 挂环内侧两边

1.2.2 挂环下端与杆端连接处发生锈蚀

图3为挂环下端与杆端连接处锈蚀前后的应力、应变情况。锈蚀发生后，构件轴向变形最大约为2.24 mm（锈蚀前约为2.146 mm）。

图3 挂环下端与杆端连接处

1.2.3 杆端与球头连接部位发生锈蚀

图4为杆端与球头连接部位发生锈蚀的局部应力、应变情况。锈蚀发生后，构件轴向变形最大约为2.198 mm（锈蚀前约为2.146 mm）。

图4 杆端与球头连接部位

以上三种锈蚀情况中，挂环下端与杆端连接处发生锈蚀影响最为明显，杆端与球头连接部位发生锈蚀影响相对较小。

2 结论

（1）球头挂环应力集中部位一般为截面尺寸处。一旦这些部位发生锈蚀，对球头挂环破坏荷载的降低有非常明显的影响。

（2）挂环下端与杆端连接处发生锈蚀对球头挂环的影响最显著，球头与杆端连接部位发生锈蚀对球头挂环影响较小。

（3）考虑到金具的安全系数（最大使用荷载情况不应小于2.5，断线、断联、验算情况不应小于1.5），实际金具受到的荷载约为破坏荷载的40%～66%。分别按破坏荷载和验算工况计算，后者构件绝大部分单元处于弹性状态，发生锈蚀后进入塑性程度有限。

（4）根据金具的一般尺寸，发生深度为1 mm以内的锈蚀，金具的强度降低不超过20%，构件变形增加有限，对金具构件的安全运行影响不明显。因此，在日常巡检中，应注意实际金具锈蚀的范围和残余剖面面积不超过相关要求，以免影响金具正常使用。