热力耦合场中高压架空输电线微风振动效应与疲劳寿命评估

High voltage overhead transmission lines have a dual function of electrical conductivity and mechanical strength. Previous studies on the Aeolian vibration of transmission lines ignored its conductive function, which caused the problems of reliability analysis and fatigue life assessment under long-term high temperature environment had not been solved until now. This application project will study the mutual influence of mechanical strength and line current of high voltage overhead electrical power lines in the environmental wind field. All the studies of the mechanical properties of the overhead lines are based on the maximum current capacity. The deterioration mechanism of mechanical properties and fatigue mechanical are also studied under thermal coupling fields. A new fatigue life assessment criteria and evaluation method is proposed to predict the fatigue life of the conductor. During this project, the theoretical analysis, finite element simulation, laboratory and field test are adopted to study the degradation and damage mechanism of the overhead conductors and the relationships between the current capacity and the wind-induced vibration control. The studies can provide an academic guidance for the design and routine maintenance of high-voltage overhead transmission lines.

高压架空输电线路承担着电气通流和机械强度的双重功能，以往关于输电线微风振动问题的研究中，对其电气通流功能考虑不足，使得输电线长期高温工作状态带来的运行可靠性分析与疲劳寿命评估问题仍不能得到很好解决。本项目从保证线路动态增容最大载流量，满足高峰期用电需求功能的角度出发，深入研究高压架空输电线电气通流功能和机械强度功能在环境风场中的相互影响规律，探索热力耦合场中输电线材性退化规律和断股发展机制，在考虑多因素共同影响的基础上，提出基于性能的高压输电线疲劳寿命评定准则和评估方法。项目拟采用理论分析、有限元数值模拟、实验室试验和现场实测相结合的方式，主要研究长期热环境中输电线的材性退化规律和损伤机理、线路动态增容最大载流量与微风振动效应控制之间的合理平衡、多场耦合作用下输电线断股发展机制和疲劳寿命评定准则三个方面的内容。项目研究成果可为高压架空输电线路的增容改造、抗疲劳设计和日常维护提供参考依据。

高压架空输电线具有电气通流和机械强度双重属性，以往关于输电线风致振动（如微风振动）问题的研究中，对于导线的机械强度性能关注较多，而对于振动引起的导线强化换热特性及载流量变化考虑不足。本项目在已有研究的基础上，把输电线路热环境与微风振动这两种作用时间长、同时发生概率高且对线路运行可靠性均有较大影响的要素结合起来分析。以常用的钢芯铝绞线（ACSR）为例，首先建立了考虑内部空气间隙及线股实际接触情况的导线截面有限元模型，分析了风速、风向角、环境温度、日照强度和导线直径等因素对架空导线径向温度场的影响，在此基础上研究了温度场对导线线股应力的影响；接着采用Fluent动网格技术建立了典型输电线微风振动分析时的流固耦合模型，分析了锁定区间、振幅等参数对导线强化换热特性和载流量的影响；最后综合从有利和不利影响的角度考察了架空导线的微风振动效应，提出了适于架空导线微风振动控制时的合理振幅区间，分析了考虑通电温度场影响时架空导线微风振动疲劳寿命的变化特点。研究表明：架空导线运行时，导线径向存在内部高、表面低的温度场，而且径向温差随着载流量的增加而变化，最大可达4℃~10℃以上。考虑温度场影响时，架空导线的外层铝股应力随温差增加而增大，内层铝股和钢芯的应力随温差的增大而减小，减小的部分全部由外部铝股承担。微风振动对于架空导线的对流散热具有较好的加强作用，可以显著提高导线载流量，而且在振幅区间0.1D~0.6D（D为导线直径）时，提升效果最好；然而随着振幅的增加，导线的疲劳寿命逐渐降低。综合考虑，建议实际工程风振控制时，可将架空导线微风振动的最大振幅控制在0.4D~0.5D左右，这样既能获得较好的散热效果和载流能力，同时也可以保证导线具有较好的抗疲劳使用年限。项目研究成果为高压架空输电线路的增容改造、抗疲劳设计和日常维护提供了依据。