Experimental Analysis of Fatigue Performance in Transmission Lines at Different Annealing Temperatures
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摘要: 输电线路是输电网络的重要组成部分。然而，电网输电线路山火频发，严重威胁输电线路的安全运行，因此研究输电导线在山火过后的力学性能特别是疲劳寿命尤为重要。考虑到导线在微风振动中的疲劳破坏主要由其拉伸力的变化引起，为确定山火过后输电导线的力学性能特别是疲劳性能的变化情况，利用恒温管式电阻炉模拟不同的架空输电导线（钢芯铝绞线）受到不同温度的山火烧烤，然后对冷却后的单丝导线进行疲劳拉伸试验，得到疲劳拉伸破坏次数随退火温度变化的规律，并与新导线和真实山火后的导线进行对比。试验结果表明：导线的疲劳极限随着退火温度的增加而减小；退火温度大于250 ℃时，导线的拉伸循环次数急剧下降；退火温度大于350 ℃时，拉伸循环次数趋于稳定。研究结果可为输电线路发生山火情况下的安全运行提供参考。Abstract: Transmission line is the important equipment to transport electrical energy through power grid. Mountain fires are frequent events in recent years, which severely damages the safe operation of the high voltage transmission lines. Therefore, it is very important to study the mechanical characteristics of transmission lines after mountain fire. Based on the simulation test of transmission lines in the mountain fire, we studied the effects of the annealing temperature on the fatigue of overhead transmission lines. The fatigue failure of the transmission lines in aeolian vibration was reflected in the continuous axial fatigue tensile state. First, we conducted an experiment by the thermostatic tube X resistance furnaces to stimulate different transmission lines (JL/G1A-400/35, JL/G1A-300/25, JL/G1A-240/30, JL/G1A-300/40) burned in the mountain fire at different temperatures. Then, we carried out a fatigue tensile test on the single transmission line, and found that the frequency of fatigue tensile failure was correlated with temperature. Furthermore, we compared the data between new transmission lines and those burned in an actual mountain fire. Finally, we proposed reference for the protection of transmission lines in a mountain fire and prevention against being burned. The results showed that the fatigue limit of wires was reduced with the rise of the temperature. When the temperature was between 250 ℃ and 300 ℃, the tensile cycle times deceases sharply; when the temperature is above 300 ℃, it tended to be stable.
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Key words:
- overhead line conductors /
- fatigue /
- annealing temperature /
- mountain fire
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冲击波在密实介质中的传播和衰减规律受到从事爆炸和防护等研究人员的高度重视。炸药的冲击波感度是其重要的安全性指标之一。隔板实验是早期建立的用于测定炸药冲击起爆性能的典型方法[1]，通过升降法调整隔板厚度研究炸药的临界爆轰阈值。类似的改进的隔板实验(Modified Gap Test，MGT)[2]则用于研究低压作用下炸药的反应阈值和爆轰阈值。可见，隔板实验中，经隔板衰减后的输出压力是一个重要的数据。有机玻璃作为一种常用的衰减材料，其衰减规律受到广泛关注。Keller[3]、陈熙荣等[4]、王作山等[5]、王海福等[6]对密实介质中冲击波的衰减进行了研究，应用不同的方法建立了密实介质中冲击波的衰减模型。韩秀凤等[7]则对雷管输出冲击波在有机玻璃中的衰减进行了实验研究，由研究结果可知，冲击波在密实介质中传播时是按照指数规律衰减的，表达式为
p=p0e−αx (1) 式中：p为冲击波进入密实介质传播距离x处的压力，GPa；p0为冲击波进入密实介质时的初始压力，GPa；α为密实介质中冲击波压力衰减系数；x为冲击波在密实介质中传播的距离，mm。
由文献可知，由于研究者的实验方法及实验装置不同，其得出的衰减系数具有很大的差别。因此，衰减系数α并不是一成不变的。在一维强冲击波的作用下，α体现了隔板材料的属性，是一定值；而在其他情况，如散心爆轰波、雷管起爆输出冲击波等作用下，由于受到边侧稀疏等影响，其衰减系数将发生较大的变化。
本工作在研究低压冲击下炸药的反应阈值过程中，采用PVDF压电式压力传感器(简称PVDF计)测量了平面冲击波经过不同厚度有机玻璃隔板衰减后的输出压力，得到平面波透镜作用下有机玻璃隔板中冲击波的衰减系数，并与数值模拟结果及其他研究者的研究结果进行比较。
1. 实验研究
1.1 实验装置
实验装置示意见图 1。平面波透镜爆炸后产生平面冲击波，在平面波透镜和有机玻璃界面处产生约10.15 GPa的压力(通过锰铜压力计测定，见图 2)，经不同厚度的Ø100 mm有机玻璃隔板衰减后，由PVDF计测量有机玻璃隔板与炸药间的压力-时间(p-t)历程。平面波透镜为RHT-901高爆速炸药和Ba(NO3)2/TNT(78/22, 质量比)的低爆速炸药组成，其中低爆速炸药的密度为2.45 g/cm3。实验用炸药柱为JO-9159，尺寸为Ø40 mm×25 mm，密度为1.842 g/cm3。PVDF计在低压下时间分辨率可达几十纳秒，压力测量精度高，可以得到准确的有机玻璃隔板中冲击波传播的衰减系数。但是，PVDF薄膜安装在被测物体内部或之间，需要涂抹硅胶排除其间的空气，因此，对安装精度的要求较高，胶层及薄膜也可能使测试结果偏小。
1.2 实验结果
实验测量了冲击波经厚度分别为50、70、80、90和100 mm的有机玻璃隔板衰减后的压力-时间历程，典型的实验波形和相应的压力波形见图 3。压力波形由实验波形结合PVDF计的标定方程得到，标定方程为[8]
p=110{5.8(QA)∗+3.8[(QA)∗]1.6+0.55[(QA)∗]3.5} (2) 式中:Q为电荷；A为PVDF计的敏感面积；(QA)*=0.018(QA)为归一化电压幅值，它与积分器电容、准静态标定系数、标定时的温度以及积分器和记录器之间的衰减系数等密切相关[9]。图 3中实验曲线上的第1个拐点代表隔板输出压力，第2个拐点代表炸药反应后的压力，这里只关注第1个拐点处的压力。不同隔板厚度对应的输出压力见表 1。
表 1 不同隔板厚度输出压力Table 1. Output pressure with different card gap thicknessesCard gap thickness/mm Output pressure/GPa 50 2.24 70 1.30 80 1.09 90 0.82 100 0.65 2. 数值模拟
采用LS-DYNA软件对平面冲击波加载下有机玻璃的衰减情况进行了二维数值模拟，计算模型如图 4所示。加载炸药取低爆速炸药，采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程，线性起爆产生平面冲击波，主要计算参数见表 2[10]；有机玻璃采用MAT_ELASTIC_PLASTIC_ HYDRO材料模型和Grüneisen状态方程，主要计算参数见表 3，其中：D为炸药爆速，pJ为炸药爆压，a、b为材料的冲击雨贡纽参数。不同厚度有机玻璃对应的输出压力计算结果见图 5。
表 2 炸药的主要计算参数Table 2. Main computational parameters of explosiveMaterial Density/(g·cm-3) D/(km·s-1) pJ/GPa A/GPa B/GPa R1 R2 ω Ba(NO3)2/TNT(78/22) 2.6 4.476 11 1 265 1.55 5.8 2.0 0.6 表 3 有机玻璃的主要计算参数Table 3. Main computational parameters of PMMAMaterial Density/(g·cm-3) a/(km·s-1) b PMMA 1.186 2.598 1.516 炸药爆轰产物的JWL状态方程[11]为
p=A(1−ωR1v)e−R1v+B(1−ωR2v)e−R2v+ωev (3) 式中:e为比内能；v为比容；A、B、R1、R2和ω为JWL状态方程参数。
由图 5可知，实验结果和数值模拟结果具有较好的一致性。由此说明实验结果是可靠的，数值模拟采用的计算参数是合理的。采用(1)式对实验结果进行指数拟合，可得平面波透镜作用下有机玻璃的衰减系数为0.028 89。
3. 讨论
将本研究结果与其他研究者的研究结果进行比较，如图 6所示。由图 6曲线可以清晰地看出:本研究的冲击波衰减最慢; 文献[4]中采用Ø40 mm平面波透镜加载时，冲击波的衰减速率与本研究结果比较接近；而文献[7]中采用雷管起爆作为加载方式时，其衰减速率最快。可见，不同实验装置和实验条件下有机玻璃的衰减速率差别很大。实验装置的尺寸越大，加载冲击波的平面性越好，冲击波在有机玻璃中的衰减速率越慢，即衰减系数越小。这主要是由于冲击波在传播过程中受到边侧稀疏波的影响，实验装置尺寸大，则受到的影响小，实验结果能更真实地反映有机玻璃的衰减特性。可见，衰减系数体现了隔板材料的衰减特性，但同时也受到实验装置本身的影响，是特定条件下的参数。在采用有机玻璃或其他物质作为隔板材料时，应根据实际情况选取合适的衰减系数，才能比较准确地得到所需要的压力。本实验结果可为相关平面冲击波加载实验提供参考。
4. 结论
(1) 采用Ø100 mm平面波透镜加载产生平面冲击波，用PVDF计测得距加载面不同距离处的冲击波压力，得到有机玻璃中冲击波的衰减系数为0.028 89。LS-DYNA模拟结果表明，计算结果与实验结果的一致性较好，说明实验结果可信度较高。
(2) 衰减系数受到实验装置尺寸大小及实验加载条件的影响，反映了材料在一定条件下的衰减特性。本实验结果受到侧向稀疏波的影响最小，比较真实地反映了有机玻璃的衰减特性。在实验设计时，应尽量减小稀疏波对加载冲击波的影响，以获得准确的实验压力条件。
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图 3 新导线、真实山火和300 ℃烧过导线的单丝疲劳对比
Figure 3. Comparison of monofilament fatigue of new wire and the wires burned by mountain fire and at 300 °C
图 4 不同处理温度下3种导线的循环次数
Figure 4. Cycle times of three wires at different annealing temperatures
表 1 4种型号钢芯铝绞线参数
Table 1. Parameters of four types of ACSR (aluminium conductor steel reinforced)
Type of wire Number of
aluminum wireNumber of
steel wireAluminum wire’s
diameter/mmSteel wire’s
diameter/mmRated tensile
force/kNJL/G1A-400/35 48 7 3.22 2.50 103.67 JL/G1A-300/25 48 7 2.85 2.22 83.76 JL/G1A-240/30 24 7 3.60 2.40 75.19 JL/G1A-300/40 24 7 3.99 2.66 92.36 
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表 2 JL/G1A-400/35导线在不同温度下的疲劳拉伸次数
Table 2. Fatigue cycle number of wire JL/G1A-400/35 at different temperatures
Type of wire T/℃ n Outer layer Middle level Inner layer Steel core Wire after annealing 150 120 000 120 000 120 000 9 821 200 113 411 120 000 120 000 9 885 250 120 000 120 000 120 000 5 065 300 84 491 94 529 97 456 5 537 350 9 885 7 521 4 028 4 424 400 4 383 5 888 6 160 2 858 450 3 736 3 928 3 722 1 495 500 2 504 1 144 1 041 956 New wires 81 071 120 000 79 784 6 054 Wire after mountain fire 91 824 120 000 71 748 14 549
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