送電線の張力設定時の素線応力に関する予備的検討

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9473 (2022) この記事を引用

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伝送線路は動作中に導体の損傷を受けることがよくありますが、そのほとんどはアルミニウム素線の局所的な過度の応力によって引き起こされます。 ただし、導体損傷の原因の 1 つは、プーリーを通過する際の張力によるものである可能性があります。 一方で、プーリ通過による導体の損傷に関する研究は比較的少ない。 そこで本論文では、張力がプーリを通過する際のアルミニウム素線の素線間応力特性を研究した。 アルミニウム素線間の応力特性に及ぼす包絡角,引張荷重および摩擦の影響を数値シミュレーションによって研究した。 その結果、アルミニウム素線の中性層の等価応力は小さく、隣接する素線との接触位置で最大等価応力が現れることがわかった。 アルミニウム素線の包絡角と引張荷重が大きいほど、断面の等価応力は大きくなります。 さらに、アルミニウム素線間の摩擦は、断面内の等価応力を低減するのに一定の効果をもたらします。 アルミニウムより線の等価応力は外層から内層に向かって増加するため、内側のアルミニウムより線は外層よりも損傷しやすくなります。 最後に、実験とシミュレーションの両方が実行され、対応するセクションの応力値が良好な一貫性を持っていることが示されます。

架空送電線の正常かつ安定した運用は、送電線エンジニアリングの最も重要な部分です。 送電線の安全保護において、導体の損傷や送電線の故障を軽減することは非常に重要です1,2,3,4,5。 しかし、伝送線路の運用過程では、導体損傷が頻繁に発生します。 ほとんどのケースでは、アルミニウム素線に複数の荷重が作用しており、これによりアルミニウム素線の局所的な応力が大きくなりすぎ、導体の損傷や破断が生じます6、7、8、9。 ただし、導体の損傷は、導体の構築時や設置時に発生した局所的な大きな応力や、アルミニウム素線の部分的な損傷によっても発生する可能性があります。 現在、導体損傷に関する研究のほとんどは、複雑な作業条件下で走行する導体に焦点を当てているが、張力ペイオフ工事、特にプーリ通過過程における導体損傷に関する研究は少なく、関連する導体に関する研究は少ない。モデルと機械理論は比較的弱い10,11。 したがって、導体にかかる張力の影響を研究することが非常に必要です。 同時に、この研究は電力労働者にとって送電線を保護する上で非常に重要です12。

世界中の研究者は、長い間、張力設定の構築技術と導体の応力特性を研究し始めました13、14、15。 現在、関連する技術は比較的進んでいます。 同時に、理論的推論の証明、数学モデルの有限要素シミュレーション解析、特定のテスト検証の比較など、多くの研究方法があります。Zhou et al.16 は、サイズ間の関係を研究しました。スロットの底部と導体の摩耗を考慮し、ストリングプーリーのスロットの底部のサイズについていくつかの有用な提案を提案しました。 Raoof et al.17 は、実際の多層構造鋼ストランド解析モデルの主な特徴といくつかの新しい進歩を提案しました。 これらの結果は、固定端を備えたスパイラル構造におけるストランド、層間の間接的な接触力、およびストランドの相対変位を示しています。 Nawrocki et al.18 は、関連する有限要素ソフトウェアを使用してワイヤ ロープのストランドのモデルを確立し、軸力と軸方向およびねじりの複合荷重を適用して、ワイヤ ロープの各層およびストランド間の応力特性を研究しました。 Sarma et al.19 は、送電線がコロナを発生させ、送電線の周囲に電界効果や電波障害などを引き起こし、環境破壊を引き起こす可能性があると指摘している。 Papailiou et al.20 は、架空導体の機械的特性を研究するための新しいタイプの導体モデルを提案しました。 このモデルは、曲げ工程における素線間の摩擦と滑りを考慮し、関連する計算式を導出し、関連する試験を通じてモデルの正確性を検証しました。 Kenta21 は、Papailiou K. らに基づいて研究を拡張しました。 より線層間の接着状態から滑り状態への移行プロセスを考慮して、ケーブルの純粋な曲げプロセスがシミュレーションされ、軸張力なしでテストされました。 導体の曲げ剛性の変動の影響要因を取得するために、有限要素シミュレーション、理論計算、実験測定の方法を通じて、引張荷重下の導体の曲げ剛性がYangらによって詳細に分析されました。 .22、23、24、25。 Wan et al.26,27 は、1660mm2 の大断面炭素繊維複合コア導体を研究対象として、導体がプーリーを通過するときの内部応力の理論的計算方法を完成し、1660mm2 大断面の炭素繊維複合材料が導体を通過するときの内部応力を計算しました。中心導体は異なる底径のプーリーを通過します。

上記の研究に基づいて、明らかに、伝送線路の構造、張力設定技術、および導体の応力特性において、いくつかの並外れた理論的成果と経験が達成されました。 しかし、張力ペイオフ工事中の導体損傷の問題は依然として完全には解決されていない。 一方、導体の応力特性の検討は導体全体のモデルに基づいて行われることが多く、導体内部の素線間の応力状態を明確に解析することができません。 したがって、ABAQUS数値シミュレーションソフトウェアは、比較的単純化された導体モデルを通じて、張力ペイオフプロセス中にプーリーを通過する導体の機械的挙動を分析するために完全に実装され、その後、曲げ状態でのアルミニウム素線の素線間応力特性を研究します。 。 次に、導体が再びプーリを通過する状況をシミュレーションすることにより、曲げ状態におけるアルミニウム素線の応力を解析し、張力ペイオフ構造に一定の理論的根拠を提供します。

テンションペイオフ工事では、車掌が各タワーのペイオフブロックを通過します。 プーリーが導体の押し出しや曲げを誘発すると、曲げ変形や局所的な応力が刺激される可能性があるため、ブロックを通過する導体は張力ペイオフ構造のアルミニウムより線の比較的脆弱なプロセスです。 したがって、伝送線路の引張時の応力特性に着目する場合には、まずプーリを通過する導体の応力過程を解析する必要があります。

導体が引張状態で出発するとき、引張荷重は定格導体の 16% RTS を超えず、導体とプーリーの間の包絡角は通常 30 を超えません。この動作条件に従って、導体の機械的分析は、プーリを通る導体は、以下の図1のように行われます。

プーリーを通過する導体の力の図。

図 1 では、張力がかかってプーリーを通過する際に、導体には 3 種類の荷重がかかります。

PD は導体に対するプーリーの圧力です。 計算には次の式を使用できます。

F は、張力設定時の導体にかかる軸方向の荷重です。 軸方向の引張応力は次のようにして求められます。

σwは導体がプーリを通過するときの素線の曲げ応力です。 それはバッハの式で表すことができます28:

これらの方程式では、G(N) はプーリー上の導体の重力です。 R(mm)はプーリーの底部の半径を表します。 α(°)はプーリーを通過する導体の包絡角を示します。 B(mm)は導体とプーリの接触幅を表し、通常は導体の直径の3分の1とします。 σL(MPa)は導体の軸方向の引張応力です。 アルミニウム素線の断面積はA(mm2)で定義されます。 δ(mm) は導体のアルミニウム単線の直径です。 K1 は曲げ応力の特性係数であり、経験的な係数 K1 = 0.375 を取得できます。 E はアルミニウムの弾性率です。 DS(mm)はプーリー溝底径の計算値です。

ACSRに外力が加わっていない状態では、素線部にプレストレスがかかっていないものとします。 図2に示すように、純粋な曲げを受けたビームから微小要素セグメントが切り出され、座標軸yとxがそれぞれ断面の長手方向対称軸と中立軸に沿って確立されます。 梁を曲げると、直線abは円弧a'b'になります。 セクション間の相対角度が 1-1とセクション 2-2の式をdθ、中性層の曲率半径をρとすると、直線abの垂直ひずみが求められます。

フックの法則に基づいて、断面上の中立軸からの距離 y の垂直応力を取得できます。

同様に、ストランドに曲げ荷重がかかったときのストランドの断面の曲率半径が既知であると仮定すると、対応する垂直応力は上記の式に従って計算できます。 図 3 は、曲げ状態の導体の素線の空間モデルを示しています。ここで、r は素線が位置する撚り層の半径、D は素線の曲率直径、φ は断面中心間の線間の角度です。ストランドの断面中心、ストランドの曲率半径、θ はストランドの開始面における曲率半径と y 軸の間の角度です。 次に、次のようにボビンのパラメータ方程式を取得できます。

図4に示すように、ストランド断面の夾角θの増分dθに応じて、ストランドの軸はdlだけ増加し、ストランドの軸の増分はdLとなります。

微小要素ビームの純粋な曲げ幾何学的変形の図。

導体の曲げの図。

ストランドの軸増分図。

次に、次のように関連する数式を取得できます。

これらの方程式から、次のことが得られます。

次に、式に従って、 (7) ～ (9) より、次の式が得られます。

したがって、方程式。 式(11)は式(11)を積分することで得られます。 (10)

方程式を組み合わせる (6) と (11) から、曲線パラメータ方程式の一次導関数と二次導関数を得ることができます。これは、空間内の点の曲線運動の解析方程式と考えることができます。 この場合、曲線パラメータ方程式の 1 次導関数と 2 次導関数は、それぞれ速度と加速度になります。 同時に、Eq. (14) は式 (14) から得られます。 (12)と(13)を同時に実行します。

曲率の​​表現は複雑すぎるため、対応する値を解決するには数値的手法を使用するのが適切です。 固定曲率半径を持つストランド内の任意のストランドの特定の点での曲率は、式 (1) から取得できます。 (14)、ストランドのこのセクションの任意の位置での応力は、式 (14) に従って取得できます。 (5)。

ACSR の特殊な構造により、導体の内部応力は外部負荷に対して非常に複雑になります。 その結果、導体モデルを確立する際には、比較的単純化された導体モデルを得るために必要な仮定を行う必要があります。 本稿では導体モデルに対して以下の仮定を提案する29,30,31。

対称性仮説

ACSR の構造は、ストランド間の対称性と隣接する層間の類似性を決定します。 したがって、単一のストランドを研究してストランドの同じ層に拡張し、次に隣接するストランドの層を研究してストランドのすべての層に拡張するのに使用できます。

仮説を終了する

導体の断面を研究する場合、導体の一端が固定され、もう一端には軸方向の自由度のみがあると考えることができます。 この仮定は、ほとんどが実際の状況に合わせて適用されます。

導体接触仮説

ACSRの幾何学的構造によれば、中央の素線と隣接する素線との接触形態は線接触、同一素線間の接触形態は線接触、隣接する素線間の接触形態は点接触であると考えることができます。 。

螺旋角仮説

荷重の作用下では、ACSR のねじれは比較的小さくなりますが、ねじれ角の変化は非常に小さいため、ねじれ角の小さな変化は無視できます。

断面の仮定

張力の設定過程では複雑な外部荷重により導体は伸びたり曲がったりしますが、導体の径方向寸法の変化は比較的小さいため、ACSRの断面寸法は変化しないと考えられます。

この章の理論的基礎に基づいて、アルミニウムより線の応力特性に対する包絡角、引張荷重、および摩擦の影響を議論することができます。 したがって、より詳細な研究を行うには、合理的に単純化された導体モデルを確立し、次の側面を考慮する必要があります。

内部鋼芯の簡易処理

導体の損傷のほとんどはアルミニウム素線の損傷であるため、導体の応力特性を検討する際にはアルミニウム素線の応力特性を考慮する必要があります。 この単純化に基づいて、導体の内側の鋼芯を剛体の円筒として単純化し、導体のアルミニウム素線の各層の素線間応力特性を調べることができます。

段階的にモデルを構築する検討

導体モデル全体を使用して導体の応力特性を調査する場合、アルミニウム素線の各層の応力特性を解析することは明確ではありません。 したがって、導体モデルを 2 段階で構築すること、つまり、研究用の素線モデルの同じ層と隣接する素線モデルの層を確立することが考えられます。 そして、導体全体のアルミニウム素線部分の応力特性を誘導法と再帰法により求めることができます。

同層ストランドモデルの簡易処理

導体は対称構造となっております。 同層ストランドモデルを構築する場合、内側の鋼芯を剛体円筒として簡略化し、研究用に隣接する単層ストランドモデルを3つ構築できます。 このモデルは、曲げ状態における同じプライの応力状態を直接示すことができます。

隣接層ストランドモデルの簡略化された処理

アルミニウムストランドの層間の接触、摩擦、押し出しなどの要因を考慮して、内側のスチールコアを剛性の高い円筒として単純化して、内側のアルミニウムストランドをスチールコアの外側に構築できます。 同時に、研究のために最外層に単層の3つの隣接するアルミニウムストランドモデルを構築できます。 このモデルは、内部導体の押し出しにより、曲げ状態での接触による応力状態の分布特性をよりよく反映できます。

アルミニウム素線の応力特性の研究過程

導体モデルを確立した後、数値シミュレーション解析によりアルミニウム素線の応力特性を調査します。 最後に、研究グループのテストプラットフォームに基づいて、プーリーを通過する導体の機械的テストと応力シミュレーション解析を実行できます。

ACSRがプーリーを通過するときの、異なるエンベロープ角度、異なる引張荷重、および異なる摩擦条件下でのアルミニウムストランドの応力特性を研究するために。 JL/G2A-400–45/7 ACSR を研究対象とし、SolidWorks の helix コマンドを使用すると、関連する研究と解析のために、同じ層のストランドのモデルと隣接するストランド層のモデルを確立できます。 導体の長さを 200 mm とし、導体モデルを図 5 に示します。

導体モデルの段階的な簡略化図 (a) 同層素線モデル。 (b) 隣接層ストランドモデル。

導体モデルの構築後、適切な滑車モデルが確立されます。 プーリーはシングルR溝タイプを採用しており、溝底径はDC=560mmです。 次に、シミュレーション分析のために ABAQUS にインポートされます (図 6 を参照)。 モデルのコンポーネント間には多くの相互作用があることがわかります。そのため、相関関係を設定するときに、動的メソッドを使用してコンポーネント間の相互作用を自動的に生成できます。 接触属性の接線動作はペナルティ関数として設定されており、デフォルトでは通常の動作が選択されています。 モデルが解決されると、c3d8r メッシュを使用して導体の一端の自由度がすべて拘束され、もう一端は軸方向の自由度のみが保持され、次の方法で導体に変位荷重が適用されます。プーリーの押し出し方法。

プーリを通過する導体の有限要素モデル (a) プーリを通過する同層素線のモデル。 (b) プーリーを通過する隣接層ストランドのモデル。

ACSRがプーリーを通過するときの、異なるエンベロープ角度、異なる引張荷重、および異なる摩擦条件下でのアルミニウムストランドの応力特性を研究するために。 JL/G2A-400–45/7 ACSRを研究対象として、関連する研究と分析のために同層ストランドモデルと隣接層ストランドモデルを確立しました。

JL/G2A-400–45/7 ACSRは、鋼より線7本とアルミニウムより線45本を5層に撚り合わせたもので、外径は26.88mmです。 導体の各層の関連パラメータを表 1 に示します。

導体がプーリを通過すると、導体は曲げ変形し、それに応じた曲げ応力がアルミニウム素線に発生します。 導体がプーリーを通過するプロセスを簡略化し、数値シミュレーション解析を容易にするために、最初に導体モデルを確立し、次にプーリーを徐々に移動させて押し出すことにより、曲げ状態のアルミニウム素線の応力特性を研究できます。指揮者。 特定のトラバースプーリーモデルの簡略化された解析を図 7 に示します。

導体が滑車を通過する過程を解析。

図7において、各パラメータの具体的な計算方法は以下のとおりです（単位：mm）。

ここで、aはプーリと導体の接触部分の水平方向への投影の半分を表します。 ｂはプーリと導体の接線位置から導体の一端までの水平投影を表す。 cはプーリの中心から導体の一端までの水平距離を示します。 dはプーリと導体の接線位置から導体の一端までの距離です。 e は包絡角に対応する円弧の長さの半分です。 プーリの移動距離は f で定義されます。 θ は包絡角の半分です。 DCはプーリーの溝底の直径です。

アルミニウム素線の応力は主に、導体とプーリーの間の包絡角、引張荷重、および導体がプーリーを通過するときの素線間の摩擦によって影響を受けるため、これら 3 つの側面がアルミニウムの応力に与える影響は次のとおりです。ストランドの応力状態は、同層ストランドの応力状態のシミュレーション解析で検討する必要があります。

端面固定拘束による局所応力の影響のため、アルミニウム素線の応力特性を調査するために、同層素線モデルの3つのセクションを選択して応力解析を行います：最大応力の位置、0.5倍の位置ピッチ直径とピッチ直径の1倍の位置。 摩擦係数は0.1です。 引張荷重は定格引張強さの20％、導体とプーリの包絡角は15°、等価応力（フォン・ミーゼス応力）雲図を図8に示します。

20% RTS におけるアルミニウム素線の等価応力雲図 (a) 最大応力における等価応力雲図。 (b) ピッチ直径の 1 倍の等価応力雲図。 (c) ピッチ直径の 0.5 倍の等価応力雲図。 (d) アルミニウムより線の全体の等価応力雲図。

導体とプーリ間の包絡角を変化させて解析・比較した結果を表2に示します。

上記のシミュレーション結果の比較分析によると、20% RTSの引張荷重下では、アルミニウム素線の断面の等価応力がエッジ位置から中立層まで減少し、最大等価応力が減少することがわかります。アルミニウム素線と鋼芯の接触位置にあります。 そのため、導体とプーリとの間の包絡角が大きいほど、アルミ素線の内部応力が大きくなり、アルミ素線が損傷する可能性が高くなります。

特定の包絡角の条件下で、曲げ状態のアルミニウム素線の応力特性に及ぼす引張荷重の影響を研究することができます。 同様に、応力解析のために導体モデルの 3 つのセクション (最大応力の位置、ピッチ直径の 0.5 倍の位置、ピッチ直径の 1 倍の位置) が選択されます。 摩擦係数は0.1です。 引張荷重は定格引張強さの10%、導体とプーリの包絡角は15°、等価応力雲図を図9に示します。

10% RTS におけるアルミニウム素線の等価応力雲図 (a) 最大応力における等価応力雲図。 (b) ピッチ直径の 1 倍の等価応力雲図。 (c) ピッチ直径の 0.5 倍の等価応力雲図。 (d) アルミニウムより線の全体の等価応力雲図。

引張荷重を変化させて解析・比較した結果を表3に示します。

上記シミュレーション結果の比較・解析によれば、導体とプーリ間の包絡角15°の条件では、アルミニウム素線断面の応力値は端部位置から中性層にかけて減少し、大きいほど応力値が大きくなる。アルミニウムより線にかかる引張荷重が大きいほど、アルミニウムより線にかかる内部応力は大きくなりますが、アルミニウムより線にかかる引張荷重の影響は、包絡角に比べて比較的小さいです。

導体とプーリの包絡角と引張荷重が固定されている場合、曲げ状態のアルミニウム素線の応力特性に対する摩擦の影響を研究できます。 導体モデルの 3 つのセクションが応力解析用に選択されます。最大応力の位置、ピッチ直径の 0.5 倍の位置、およびピッチ直径の 1 倍の位置です。 現時点では摩擦がない状況を考慮しています。 引張荷重は定格引張強さの20%、導体とプーリの包絡角は15°、等価応力雲図を図10に示します。

摩擦のないアルミニウム素線の等価応力雲図 (a) 最大応力時の等価応力雲図。 (b) ピッチ直径の 1 倍の等価応力雲図。 (c) ピッチ直径の 0.5 倍の等価応力雲図。 (d) アルミニウムより線の全体の等価応力雲図。

図8より、摩擦を伴うアルミニウム素線の等価応力雲図を示します。 次に、摩擦のあるアルミニウム素線の等価応力雲図を摩擦のない場合と比較した結果を表 4 に示します。

上記シミュレーション結果の比較・解析より、導体に20%RTSの引張荷重を負荷し、摩擦を考慮した場合、アルミニウム素線の応力値は、導体に比べて小さいことが分かります。摩擦を考慮せずに。 同時に、アルミニウム素線間の摩擦により、断面内の等価応力がある程度弱まる可能性があることが示されています。

端面固定拘束によって引き起こされる局所応力の影響下で、アルミニウム素線の応力特性を研究するために、隣接層素線モデルの3つのセクションを応力解析のために選択します:最大応力の位置、中間点、および0.5応力の位置ピッチ直径の倍。 摩擦係数は0.1です。 引張荷重は定格引張強さの20%、導体とプーリの包絡角は15°、等価応力雲図を図11に示します。

20% RTS におけるアルミニウム素線の等価応力雲図 (a) 最大応力における等価応力雲図。 (b) 中点セクションの等価応力雲図。 (c) ピッチ直径の 0.5 倍の等価応力雲図。 (d) アルミニウムより線の全体の等価応力雲図。

導体とプーリ間の包絡角を変化させて解析・比較した結果を表5に示します。

上記シミュレーション結果の比較解析によれば、20%RTSの引張荷重下では、アルミニウム素線断面の応力値がエッジ位置から中立層まで減少し、最大等価応力が減少することがわかります。接触位置で隣接するアルミ素線に発生し、同一層の素線の応力を比較すると、アルミ素線の等価応力は外層から内層に向かって増加する、すなわち等価応力値が大きくなることがわかります。アルミニウムより線の外層の等価応力値は小さく、内層の等価応力値は大きくなります。 このため、隣り合うアルミニウム素線の接触位置においてアルミニウム素線が損傷する可能性が大きく、内側のアルミニウム素線は外側のアルミニウム素線よりも損傷しやすい。 また、表５より、導体とプーリとの間の包絡角が大きいほど、アルミニウム素線の等価応力が大きくなることがわかる。

特定の包絡角の条件下で、曲げ状態のアルミニウム素線の応力特性に及ぼす引張荷重の影響を研究することができます。 同様に、隣接層ストランド モデルの 3 つのセクション (最大応力の位置、中間点、ピッチ直径の 0.5 倍) が応力解析用に選択されます。 摩擦係数は0.1です。 引張荷重は定格引張強さの10%、導体とプーリの包絡角は15°、等価応力雲図を図12に示します。

10% RTS におけるアルミニウム素線の等価応力雲図 (a) 最大応力における等価応力雲図。 (b) 中点セクションの等価応力雲図。 (c) ピッチ直径の 0.5 倍の等価応力雲図。 (d) アルミニウムより線の全体の等価応力雲図。

引張荷重を変化させて解析・比較した結果を表6に示します。

上記のシミュレーション結果の比較と分析によると、導体とプーリの間の包絡角 15° の下では、アルミニウム素線の断面の等価応力が端の位置から中性層まで減少することがわかります。最大等価応力は接触位置で隣接するアルミ素線に現れ、同一層の素線の応力を比較すると、アルミ素線の等価応力は外層から内層に向かって増加する傾向にあることが分かります。 。 また、アルミニウムより線にかかる引張荷重が大きいほど、アルミニウムより線の等価応力は大きくなりますが、アルミニウムより線にかかる引張荷重の影響は包絡角に比べて比較的小さいです。

導体とプーリの包絡角と引張荷重が一定であるという条件下で、曲げ状態のアルミニウム素線の応力特性に及ぼす摩擦の影響を研究することができます。 隣接層ストランド モデルの 3 つのセクション (最大応力の位置、ピッチ直径の 0.5 倍の位置、およびピッチ直径の 1 倍の位置) が応力解析用に選択されます。 このとき、摩擦がない状況を考慮し、引張荷重は定格引張強さの20％、導体とプーリの包絡角は15°とし、等価応力雲図を図13に示します。

摩擦のないアルミニウム素線の等価応力雲図 (a) 最大応力時の等価応力雲図。 (b) 中点セクションの等価応力雲図。 (c) ピッチ直径の 0.5 倍の等価応力雲図。 (d) アルミニウムより線の全体の等価応力雲図。

図11より、摩擦のあるアルミニウム素線の等価応力雲図を示します。 次に、摩擦のあるアルミニウム素線の等価応力雲図を摩擦のない場合と比較した結果を表 7 に示します。

上記シミュレーション結果を比較解析すると、導体に20%の引張荷重が加わった状態で摩擦を考慮した場合、アルミニウム素線の応力値は導体に比べて小さいことが分かります。摩擦を考慮しない場合。 同時に、アルミニウム素線間の摩擦が断面の等価応力の低減に一定の効果があることを示しています。 また、アルミニウム素線の断面における等価応力はエッジ位置から中性層に向かって減少し、隣接するアルミニウム素線の接触位置で最大等価応力が現れる。 同一層の素線の応力値を比較すると、アルミニウム素線の等価応力値は外層から内層に向かって増加する傾向にあることがわかります。

導体通過プーリの素線間応力状態をさらに研究するために、JL/G1A-630-45/7 ACSR を研究対象とします。 まず、研究グループのテストプラットフォームに基づいて、導体通過プーリーの試験を実施し、さまざまな作業条件下でのアルミニウムより線の応力値を測定し、アルミニウムより線の応力特性を研究します。過程の中で。 次に,本論文で提案した導体モデルに従って,プーリを通過する導体の数値シミュレーション解析を実行して,この状態での対応する位置におけるアルミニウム素線の応力状況を得ることができる。 最後に、シミュレーションとテストを比較します。これにより、同層素線の事前検証と、曲げ状態での導体の素線間応力特性の予備調査が可能になります。

試験プラットフォームは長さ4.3メートル、高さ2.3メートル、面積約9平方メートル。 試験プラットフォームの概略図を図 14 に示します。大きく分けて固定系、滑車系、引張荷重系、信号取得系の 4 つの部分から構成されます。 固定システムは固定ブロック、可動スタンド、リジッドクランプで構成され、滑車システムは滑車と牽引装置で構成されます。 定張力装置は張力荷重システムの主要部分であり、信号取得システムは張力センサーとファイバーブラッググレーティングセンサーで構成されています。

機械試験プラットフォームの図。

導体が引張荷重に継続的にさらされると、その内部分子構造により永久的かつ不可逆的なクリープ伸びが生じます。 金属に引張荷重が加わった後のクリープ伸び速度は、初期は比較的速く、その後徐々に遅くなり、時間の経過とともに停止します。 ACSR の場合、48 時間の引張荷重の後、変形は安定状態に達します。 この試験では、導体に定張力装置により 20% RTS をかけ、2 日間放置した後に試験を開始しました。 テストスキームは次のとおりです。

まず、ACSR をテストプラットフォームに固定し、導体が水平になるようにテストプラットフォームを調整します。 次に、ワイヤーロープを使用してプーリーとアイボルトを接続します。 最後に、テスト実行時にプーリーが脱落しないように、U ボルトを使用してしっかりとロックします。

ファイバーブラッググレーティングセンサーは、プーリーの溝の真上にあるアルミニウムストランドの表面に貼り付けられています。 その後、信号は復調器に送り返され、コンピューター ソフトウェアによって波長が決定されます。

定張力装置により導体に引張荷重がかかります。 また、巻き上げクランクを操作して引張装置により滑車を垂直に上昇させる必要がある。 そして、波長が変化しようとしているときに、巻き上げクランクの動作を停止する必要があります。 また、初期波長として波長を書き留める必要があります。 ついに、定張力装置を動作させて試験を満足させることができた。

包絡線角度を変位に置き換える方法により、異なる包絡線角度に関連付けられた変位を計算できます。 次に、巻線クランクをゆっくりと回して、導体に垂直方向の変位を加えます。 包絡線角度がテスト要件を満たすまで停止する必要があり、その後、波長を下げる必要があります。

テストプロセスを繰り返し、さまざまな包絡線角度の波長を記録します。 さらに、引張荷重を変更して試験を 3 回繰り返し、最終的な試験値は 3 セットのデータの平均値となります。

ファイバーブラッググレーティングセンサーの原理に基づいて、波長差を計算し、式変換を通じてアルミニウムストランドの微小汚れを取得できます。 これにより、アルミニウムの弾性率に基づいて応力値が求められることになる。

この試験では、JL/G1A-630-45/7 ACSRと溝底径550mmのシングルR溝タイププーリーを使用しました。 どちらも実際の張力設定に使用される本物の導体と滑車であるため、試験の信頼性と信頼性が高く、試験結果に強い説得力があり、同層モデルの精度を事前に検証し、一定の調査を行うことができます。導体がプーリを通過するときのアルミニウムより線の応力特性について。 プーリーを通過する導体の機械的試験プラットフォームを図 15 に示します。

プーリーを通過する導体の機械的テストプラットフォーム。

プーリを通過する過程で、導体がホイールの溝に圧迫されて曲げ変形が生じます。 実際の状況から、ホイール溝の上半分と下半分ではアルミ素線の内部応力が異なります。 しかし、溝の下半分のアルミニウム素線の曲率が大きく、上半分のアルミニウム素線の曲率が小さいことがわかります。 同様に、力伝達の原理によれば、アルミニウムストランドの2つの部分の押出圧力は基本的に同じであるため、同じ押出圧力下でアルミニウムストランドの2つの部分によって生成される異なる局所応力は、通常、曲率の違いによって引き起こされます。アルミニウムストランドの 2 つの部分と異なる形状変数の組み合わせ。

上記の分析に基づいて、試験では、ホイール溝の上半分のアルミニウムより線の応力のみをテストする必要があり、下半分のアルミニウムより線の応力状態は、ホイールの溝の応力状態と同等にすることができます。上半分は大きな曲率を持っています。 さらに、導体構造と同層素線モデルの対称仮説によれば、アルミニウム素線の上部をテストするときに、真上にあるアルミニウム素線を見つけてテストおよび研究することができ、このテストのニーズを満たすことができます。そしてテストの目的を満たします。 データ収集のプロセスでは、ファイバーブラッググレーティング収集システムが使用されます。 対応する試験条件の波長差を求めることで、対応する微小ひずみを換算し、この条件下でのアルミニウム素線の内部応力値を取得します。 同時に、ファイバーブラッググレーティングの測定点を配置する際、テストリードの両端の固定拘束により、アルミニウム素線に局所的な応力が発生します。 したがって、測定点はアルミニウムより線の中点に位置する必要があります。 このようにして、導体の両端の固定制約によって引き起こされるテストエラーを回避することができるため、テストデータの信頼性が高まります。 この試験で使用した JL/G1A-630–45/7 鋼心アルミニウムより線の構造パラメータを表 8 に示します。

この試験では、アルミニウムより線の内部応力状態に影響を与える主な要因は、導体とプーリーの包絡角と張力ペイオフ施工時の導体の引張荷重であることが明らかです。 したがって、試験のニーズと目的に応じて、同じ導体スパンの条件下で、アルミニウムより線の応力に及ぼす異なる包絡線角度と異なる引張荷重の影響を研究できます（ここでテストした導体スパンはL = 1800 mmです） ）。

試験条件の制限と避けられない試験誤差により、この試験はプーリを通過する過程での導体の包絡線角度と一致することはできませんが、この試験は関連する問題の調査と分析を比較的満足させることができました。 したがって、アルミニウムより線の応力状態に対する導体とプーリの包絡角の影響を研究する場合、導体とプーリの包絡角が a = 3°、a = 6 である試験条件を選択できます。 °、a = 9°、a = 12°、a = 15°。 同様に、さまざまな引張荷重下でのアルミニウム素線の応力状態に対する導体の影響を研究する場合、試験条件は引張荷重 T = 0kN および T = 10kN に対して選択できます。

導体とプーリの包絡線角度を決定する際には、これまでに説明した変位方法を実行して包絡線角度を制御します。 包絡角は垂直方向の変位荷重に変換されます。 導体とプーリーの異なる包絡線角度は、プーリーを介して導体に異なる変位荷重を加えることで得られます。 試験における具体的な作業条件は以下の通りです。

試験条件 1: 導体の引張荷重は T = 0kN です。

試験における ACSR の引張荷重を T = 0kN としたとき、試験で測定した異なる包絡角における光ファイバの波長と ACSR の換算応力値を表 9 に示します。

試験条件2：導体の引張荷重はT=10kNです。

試験における ACSR の引張荷重が T = 10kN の場合、試験で測定された異なる包絡角における光ファイバの波長と ACSR の換算応力値を表 10 に示します。

異なる作業条件下でアルミニウム素線の中点における応力値を試験した結果、表９および表１０が得られた。 アルミニウム素線の内部応力に対する導体の包絡角と引張荷重の影響をより明確に確認するには、包絡角の変化に伴うアルミニウム素線の中点の断面応力の曲線図を使用できます。導体が試験条件 1 と試験条件 2 の場合、図 16 のようになります。

試験条件下での包絡角の変化に伴うアルミニウム素線の中点断面の応力曲線図。

図 16 では、試験時の引張荷重が T=0kN の場合、導体とプーリ間の包絡角の増加に伴い、アルミニウム素線中点の等価応力も正に増加し、同様の法則が現れます。引張荷重T=10kNの場合。 さらに、図から、試験条件 1 で得られたデータ折れ線グラフは、試験条件 2 で得られたデータ折れ線グラフよりも全体的に下にあることがわかります。これは、同じ包絡線角の下で、中間点の断面の応力が高いことを示しています。アルミニウムより線の張力は引張荷重の増加とともに増加しますが、数値比較解析によると、導体とプーリの包絡角と導体の引張荷重が内部の張力に影響を与える2つの主な要因であることが知られています。アルミニウム素線の応力。 そして、アルミニウムより線の応力値に対する包絡角の影響は、引張荷重よりも明らかです。

この論文で提案した導体モデルによれば、この試験で使用したプーリのタイプおよび JL/G1A-630–45/7 ACSR の関連構造パラメータと組み合わせて、試験と一致するプーリを通過する導体のモデルは次のようになります。設立。 このモデルでは、テスト状況との比較と計算時間を節約するために、導体の長さを L = 180 mm とします。 モデルが確立された後、数値シミュレーション解析のために ABAQUS にインポートされます (図 17 を参照)。 モデルのパーツ間の相互作用は、依然として一般的な力学手法によって自動的に生成されます。 この解決策では、導体の一方の端面の自由度はすべて拘束され、もう一方の端面は軸方向の自由度のみが保持されます。 次に、試験のニーズに応じて引張荷重が適用され、最後にプーリーが導体を締め付けることによって変位荷重が導体に適用されます。

試験でプーリーを通過する導体の有限要素モデル。

モデルに基づいて、試験でプーリーを通過する導体の 2 つの動作条件がシミュレートされ、シミュレーション ソフトウェアの後処理を通じて、プーリーを通過する導体の等価応力雲図を取得できます。 比較試験結果の分析とこの曲げ状態でのアルミニウム素線の応力状態の研究では、試験の対応する位置にあるアルミニウム素線を研究のために選択する必要があります。 また、シミュレーション解析の過程では、試験条件に応じた具体的な解析を行う必要があります。

シミュレーション条件 1: 導体の引張荷重は T = 0kN です。

端面の固定拘束による局所応力の影響により、導体を曲げた状態でのアルミニウム素線の応力特性を調べる場合、試験との整合性を図るため、アルミニウム素線の中点の断面は次のようになります。応力解析のために選択され、導体の引張荷重は T = 0kN として取られ、導体とプーリの間のさまざまな包絡線角度の等価応力雲図が図 18 に示されます。

引張荷重 0kN におけるアルミニウムより線の中点位置の等価応力雲図 (a) 包絡角 3°におけるアルミニウムより線の等価応力雲図。 (b) 包絡角 6° での等価応力雲図。 (c) 包絡角 9° での等価応力雲図。 (d) 包絡角 12°におけるアルミニウム素線の等価応力雲図。 (e) 包絡線角度 15° におけるアルミニウム素線の等価応力雲図。

数値シミュレーションの等価応力雲図によると、シミュレーション条件 1 の条件下で、異なる包絡角でのアルミニウム素線の対応する中点位置の応力分布状態が確認できます。断面の等価応力を比較し、問題をより直観的に説明するために、このシミュレーションの結果を表 11 に示します。

シミュレーション条件2：導体の引張荷重はT=10kNです。

端面の固定拘束による局所応力の影響により、導体を曲げた状態でのアルミニウム素線の応力特性を調べる場合、試験との整合性を図るため、アルミニウム素線の中点の断面は次のようになります。を応力解析に選択し、導体の引張荷重を T = 0kN として、導体とプーリの間のさまざまな包絡角の等価応力雲図を図 19 に示します。

引張荷重10kNにおけるアルミニウムより線の中点位置の等価応力雲図 (a)包絡角3°におけるアルミニウムより線の等価応力雲図。 (b) 包絡角 6° での等価応力雲図。 (c) 包絡角 9° での等価応力雲図。 (d) 包絡角 12°におけるアルミニウム素線の等価応力雲図。 (e) 包絡線角度 15° におけるアルミニウム素線の等価応力雲図。

数値シミュレーションの等価応力雲図によると、シミュレーション条件 2 の条件下では、アルミニウム素線の対応する中点位置の応力分布状態が異なる包絡角にあることがわかります。シミュレーション条件 1 と同様に、このシミュレーションの結果を表 12 に示します。

前回のテストに基づいて,この論文で提案した導体モデルの数値シミュレーションを使用して,異なる作業条件下でのアルミニウム素線の中点における応力状態をシミュレートし,異なる包絡線角の下での等価応力雲図を取得した。シミュレーション結果を表 11 と表 12 に示します。シミュレーション結果を明確に分析するために、試験結果と同じ研究方法を使用して、アルミニウムの中間点の断面の応力曲線図を作成しました。図 20 に示すように、導体がシミュレーション条件 1 とシミュレーション条件 2 の下にあるときの包絡角の変化に伴う素線の変化。

シミュレーション条件下での包絡角の変化に伴うアルミニウム素線の中点断面の応力曲線図。

アルミニウムより線の中間点における等価応力雲図から、アルミニウムより線の断面における等価応力は、断面の外側から中心に向かって減少する、つまり、アルミニウム中性層内の応力が減少することがわかります。単一のアルミニウムより線は小さくなり、端部の応力は大きくなります。 テスト結果と一致する法則を図 20 に示します。2 つのシミュレーション条件下では、導体とプーリーの間の包絡角の増加に伴い、アルミニウムより線の中点における等価応力は正に増加します。 シミュレーション条件 1 とシミュレーション条件 2 のデータを比較すると、包絡角が同じ場合、導体軸にかかる荷重が増加するにつれて、アルミニウム素線の中点部分の応力が増加することがわかります。 、アルミニウムより線の応力値に対する包絡角の影響は、引張荷重の影響よりも明らかです。

導体がプーリーを通過するときのさまざまな作業条件下でのアルミニウム素線の応力特性をさらに研究し、同層素線モデルの正確性と合理性を事前に検証するため。 さて、シミュレーション条件１、試験条件１、シミュレーション条件２および試験条件２から得られたデータを表１３および表１４に示し、アルミニウム素線の中間点断面の曲線図を示す。試験条件１、試験条件２、シミュレーション条件１、シミュレーション条件２における包絡線角の変化を図２１に示す。

さまざまな作業条件下での応力データの比較。

表 13 において、包絡角 3°の条件を除いて、シミュレーションとテストの誤差は 10% 以上あり、他の条件の誤差は 10% 以内です。 表 14 では、シミュレーション条件 2 とテスト条件 2 のデータを比較すると、すべての誤差は約 5% です。 この誤差の理由は、機器自体の精度、測定時の誤差、データ取得プロセスの誤差、および数値シミュレーション解析の精度による可能性があります。 ただし、そのような誤差は許容範囲内であることがわかります。 したがって、数値シミュレーションで得られたアルミニウム素線中点断面の応力値は、全体として実験で得られた値とよく一致しており、数値シミュレーションで使用した導体モデルが相対的に良好であることがわかります。正しくて合理的。 図 21 では、数値シミュレーション結果が 2 つの条件下でのテスト結果とよく一致していることもわかります。 図面の傾向であれ、シミュレーションとテストの比較解析であれ、この論文で提案した同層ストランドモデルの正確性と合理性がより優れていることを予備的に証明​​でき、損傷メカニズムのさらなる研究への道も開かれます。将来の指揮者のこと。

さらに、2 つの使用条件での表と曲線図から、導体とプーリの包絡角と導体の引張荷重がアルミニウム素線の内部応力に影響を与える 2 つの主な要因であることがわかります。そして、アルミニウムより線の応力値に対する包絡角の影響は、引張荷重の影響よりも明らかです。 したがって、テンションセットの施工においては、導体全体の保護対策を十分に講じ、導体とプーリとの間の包絡角を許容範囲内で最小にする必要がある。 また、プーリーがアルミニウム素線に与える影響を考慮し、導体とホイール溝の接触位置に合理的なタイプのペイオフプーリーと弾性ワッシャーを配置し、プーリーのアルミニウム素線への損傷を軽減します。 。

導体がプーリを通過するときの曲げ状態におけるアルミニウム素線の素線間応力特性を議論するために、関連する理論と技術に基づいた同層素線モデルと隣接層素線モデルを構築しました。 そして、試験とシミュレーションの比較・解析により、導体の曲げ状態における応力特性を調査し、モデルの合理性を事前に検証します。

この研究から次の結論が導き出されます。

アルミニウム素線の断面における等価応力（フォンミーゼス応力）は、エッジ位置から中性層にかけて減少傾向を示し、隣接層素線の接触位置で最大等価応力が現れます。

アルミニウム素線の包絡角と引張荷重が大きいほど、断面の等価応力は大きくなります。 さらに、包絡角と比較して、引張荷重がアルミニウム素線に及ぼす影響は適切に小さい。 アルミニウム素線間の摩擦は、断面内の等価応力を軽減するのに一定の効果があります。

アルミニウム素線の等価応力は外層から内層に向かって増加します。 内側のアルミニウムより線は、外側のアルミニウムより線よりも損傷しやすいです。

試験結果とシミュレーション結果を比較・分析した結果、数値シミュレーションで得られたアルミニウム素線中点の等価応力が試験で得られた等価応力とよく一致していることがわかり、同一層であることが証明されました。数値シミュレーションで使用されるストランド モデルは、より正確かつ合理的です。 さらに、アルミニウムより線の等価応力に対する包絡角の影響は、引張荷重の影響よりも明らかです。 したがって、張出し施工時には導体への保護措置を講じ、導体とプーリとの包絡角を許容範囲内で極力小さくする必要があります。

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この研究は、中国の国家重点研究開発プログラム（助成金番号 2018YFC0809400）によって資金提供されました。

国家爆発科学技術重点実験室、北京工業大学、北京、100081、中国

Xin Hu、Qingming Zhang、Cheng Shang

華北電力大学エネルギー電力機械工学部、北京、102206、中国

趙澤忠＆瑞暁明

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データキュレーション、ZZ、CS。 方法論、XH、QZ; ソフトウェア、XH; 検証、XH; 形式分析、XH、ZZ。 調査、XH、CS。 監修、QZ、XR; 執筆—原案作成、XH

張清明氏への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Hu, X.、Zhang, Q.、Zhao, Z. 他張力設定時の送電線の素線応力に関する予備的研究。 Sci Rep 12、9473 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-13300-3

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受信日: 2021 年 11 月 10 日

受理日: 2022 年 5 月 23 日

公開日: 2022 年 6 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13300-3

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