架空输电导线的表面接触与磨损机理分析

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1、1绪论架空输电导线是输电线路的载体，是保证电力系统安全运行的重要组成部分。在我国最为常用的架空输电导线是钢芯铝绞线，它用铝线或铝线和钢线两种线材分层同轴绞制而成，长期处于野外露天之到自然条件风、雨、冰雪、雷电等和其它外界条件的影响，工况非常恶劣。绝大多数架空高压导线是裸线，直接和夹具相接触，风载荷产生的卡门效应会引起导线振动，导致导线线股之间、导线与夹具之间发生持续的磨[1、2]损过程。导线磨损后，对导线的表面状况和导电性能必然存在影响，随之带来导线电晕的增强、导线断股的概率增加、线路损耗增多，甚至会导致导线断裂情况的发[3]生。每年因导线磨损失效而造

2、成的经济损失非常大。加强架空导线磨损方面的研究，有助于提高输电线路正常运行的可靠性，对保障电力系统安全运行具有现实意义。1.1架空导线的磨损研究架空导线结构复杂，例如目前应用最普遍的钢芯铝绞线，其内部铝线股、钢线股及其接触金具之间存在大量的点、线、面接触，各接触区域导线的变形、相对滑移量、应力分布、实际工况各不相同，因而其磨损机制极其复杂。目前，大多数学者认为架空线路的磨损机制主要为微动疲劳磨损。对架空导线磨损研究比较有代表性的成果主要是周仲荣和A.Cardou及其研究组[4、5]的研究。他们利用自制试验装置，主要模拟了导线微风振动引起的导线磨损，通过

3、对试验导线磨损量测量、表面微观分析、磨损微粒的材料成分、力学分析及表面破坏的直观分析等方法，确定了导线在线夹出口处的断裂并不是常规的材料疲劳断裂，而是导线内部金属线股之间、导线与线夹之间的微幅滑移和交变应力作用下的微动磨[6、7]损及微动疲劳断裂。在此基础上，周仲荣等又利用弯曲疲劳试验机对不同夹具系统下的导线进行磨损试验，研究发现磨损同时有粘着磨损、氧化磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种形式。对比金相显微镜下润滑和未润滑导线试样的剖面形貌，发现润滑剂可以阻止导线的直接接触，大大降低摩擦因数和切向载荷，从而阻止白层形成，润滑状态下的裂纹比干态下的短，这也是接

4、触表面切向载荷效应的结果。此外润滑状态下的导线寿命明显高于同条件的干态导线，由此提出了提高导线寿命的一个措施是添加润滑剂。[8、9、10]陈荐等对架空导线微动磨损表面进行微观分析。结果表明：架空导线的各同层铝线间的接触处、外层铝线与内层铝线的接触处、内层铝线与钢线的接触处、外层铝线与线夹的接触处均发生了微动磨损，其中与线夹接触的外层铝线磨损最为严重。磨损机制为粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损，磨屑主要为铝的氧化物；微动疲劳2裂纹发生在磨损区域内；在磨损区与非磨损区的界面没有发现疲劳裂纹，而主要是塑性流动造成的材料的隆凸，该凸起会沿椭圆斑边界发展，并不能成为

5、疲劳扩展裂纹。以上学者对导线的磨损研究都是基于试验与微观形貌分析，得出比较相近的结论，提出了基于微动摩擦学的磨损机理解释。微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，接触表[11]面间发生的振幅极小的相对运动。这种接触副表面间的微动通常可以造成接触面间的摩擦、磨损，产生材料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损失、噪声增加或形成污染源，也会加速裂纹的萌生与扩展，使构件的疲劳寿命大大降低。微动摩擦学中又根据微动的形成分为微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀三种，通常微动磨损有多种作用机制形成。目前与架空导线磨损相关领域研究主要集中在以

6、下方面。1)导线磨损的危害近几年文献表明，架空导线磨损的危害主要有三个方面。(1)加速线路疲劳断裂目前研究认为导线的微风振动磨损会造成微动疲劳，促使微裂纹的形成和扩展，加快了线路的疲劳断裂。如图1.1所示，铝线断裂处除了有铝线的塑性变形外，箭头[12~13]处可以看到明显的磨损痕迹。有文献表明，导线的疲劳断裂不同于材料一般的疲劳断裂，线股间的磨损起了非常重要的作用。分析图1.2所示的导线铝线股微动损伤的SEM形貌，外层铝线间微动磨损比内层铝线间微动磨损严重。这主要是因为内外层铝线在微动时受力、接触面间微动滑移以及所处氛围都不相同，造成其导线磨损的形成机

7、理也有所不同。[14]图1.1导线疲劳断裂的外观形貌3a)导线中钢线与内层铝线接触处b)内外层铝线之间接触处c)内层铝线间侧接触处d)外层铝线间侧接触处[9]图1.2所示的导线内铝线微动损伤的SEM形貌(2)加速线路金具的磨损微风振动会引起间隔棒等线路金具的接触处微动损伤，与导线间的磨损相比，外[15~16]层导线与夹具的磨损更为严重，图1.3所示间隔棒夹具内侧的磨损痕迹，这主要是铝线与夹具内侧接触面间的微动引起的。此外微风振动磨损必然会引起材料表面产生损伤，加之气候条件的影响，会加剧夹具的腐蚀。[14]图1.3间隔棒夹具内侧的磨损痕迹(3)加大功率损

8、耗高压输电中存在电晕现象，它是指导线表面的电场强度超过空气的电离强度时，在架空线路导线表面的气