绪论
　　现役导线运行安全故障问题分为两类：一类是由于实际运行中的导线各层所受张力、应力分布情况不同，对承受各荷载的分层导线力学特性计算不精确、不清晰[1]，如果仍将导线近似整体结构计算，计算结果一定与实际值偏差较大，长期运行的导线已发生导线断股抽丝的情况，见图0-1。另一类由于导线处于弯曲状态，易产生同层股线受力不均现象。受力不均情况下易导致压接金具压接不良，压接处易发生断股抽丝的情况，如图0-2所示。图0-3为直流工程导线断股次数统计表。
　　经常性断股断线的原因包括许用张力不满足实际受力、接续处同层各股线受力不均等。另外，如果仍将弯曲导线近似整体结构计算，不考虑弯曲导线各层各股绞线的受力关系，计算结果一定与实际值偏差较大。针对该线路面对的问题，在计算线路应变时，若明确弯曲状态下输电导线的分层张力及应力分布特性，考虑轴向应变、扭转应变来建立力学模型并求解，将得出精确的输电导线分层张力、应力分布特性，可提高导线力学计算的准确性，降低输电线路运行断线断股故障率。
　　图0-1 现役导线断股现象图
　　图0-2 导线接续管压接不良现象图
　　图0-3 直流工程断股次数统计表
　　受气象条件影响，接续管在使用中会伴随明显的磨损、发热、腐蚀等。接续管损伤断裂会导致整档输电线路断线甚至倒塔。由于输电导线材料的特殊性，在液压接续后材料的塑形形变不一致将导致压接后出现疲劳源，在输电线路运行中的微风振动等特殊工况下易出现断线倒塔等情况[1-3]。
　　压接因素是影响接续管使用稳定性的重要原因。贵州电力试验研究院就超高压输电导线断裂失效进行分析，发现钢芯断裂处距离接续管口仅仅只有14.66mm，并在接续管上发现了一道长度为14.66mm的压痕。对断裂导线及接续管进行金相及化学成分分析发现，接续管口钢芯断裂的根本原因是压接时钢芯发生大塑性形变，导致接续处应力集中，发生脆断[4]。
　　2014～2018年间，我国出现了多起接续管失效故障，原因不一。有些线路由于接续管压接原因导致断线，有些因气象条件引起的工况导致接续管失效，其中以微风振动下的疲劳失效*为显著。图0-4为接续管失效实物图，图0-5为失效钢芯接续管内部情况图。
　　图0-4 接续管口导线断股实物图
　　图0-5 失效钢芯接续管内部情况图
　　我国很多地区接续管使用过程中都出现断裂等情况，部分设备运行年限已经接近30年，接续管质量问题逐渐显现。接续管的破损、断裂导致输电线路故障事件频频发生。
　　(1)因压接因素引起的接续后机械性能不足引起的断线。如河南500kV祥塔Ⅰ线168#-169#出现由于压接因素引起的接续管断裂，为压接后钢芯与铝绞接续管不受力而引起的接续管大小号侧断裂；山东省电力公司检修公司发现500kV高压线路出现断线事故的原因是接续管压接剥层铝绞时，损坏了钢芯结构并且压接位置不正确，导致在输电线路运行过程中不能保证足够的机械性能[5，6]。
　　(2)因微风振动引起的接续管口绞线疲劳损伤断裂。如浙江省对输电线路进行检修，发现多条输电线路出现接续管膨胀开裂及管口输电线出现破损的状况，损伤原因为输电线在微风振动下的接续管疲劳损伤[7，8]。山西电网500kV神侯Ⅰ号线，出现压接处断股情况，经过检测接续管没有出现发热、烧伤等热痕，事故原因是微风振动导致接续处的疲劳断股，钢芯接续管断裂，断裂原因与电流热效应没有明显的关系。钢芯及铝绞线在管口压接后产生的塑性形变、微风振动工况下产生稳定的正弦波节点，也是接续管口断股的原因之一[9]。
　　针对以上问题，本书相继采用理论研究、仿真分析、试验验证等研究手段，对直、弯导线分层力学特性，损伤状态下输电导线局部电磁、温度及应力畸变特性，导线接续管压接残余应力及引起的风振疲劳等开展研究。
　　(1)直、弯导线分层力学特性研究方面，从输电线路直导线、弯曲分层股线的受力平衡、张拉变形两方面对其分层力学模型进行描述；利用Matlab的Hankel矩阵对分层力学模型进行求解，得出考虑轴向应变、扭转应变的应力-应变、分层张力等力学特性；以直流工程实际选用导线(LGJ-240/30型钢芯铝绞线)为例进行分层力学特性计算；基于电网高压试验大厅试验平台，设计试验装置，对不同弯曲角度的输电导线进行拉伸试验，探究输电导线受运行张力作用时的分层张力、分层应力及拉伸刚度，采集不同弯曲角度输电线路导线拉伸试验数据，将试验结果与理论计算结果、仿真计算结果进行对比验证。
　　(2)损伤状态下输电导线局部电磁、温度及应力畸变特性研究方面，建立损伤状态下输电导线运行特性数学模型，得到损伤局部的电磁、温度及应力特性变化分布，通过有限容积法对物理场控制方程进行离散化处理，采用逐次超松弛迭代法(SOR迭代法)进行数值求解。
　　导线接续管压接残余应力及其风振疲劳研究方面，分别构建接续管压接应力数学模型及压接后残余应力对风振响应下的应力幅值影响数学模型；通过接续管微风振动下的应力幅值，应用塑形流动法及强度因子理论计算得出接续管寿命；通过对LGJ-240/30钢芯铝绞线及其配套接续管不同压接尺寸、压接长度及接续管管口倒角形式下的管体进行应力分析，从而判断钢芯铝绞线压接后的易疲劳源区；对单根导线接续管开展仿真分析，计算锁定效应下的风速与振幅，将计算后的风速作为能量输入，基于能量平衡法对接续管的微风振动模型进行求解；将钢芯铝绞线接续管微风振动下的动弯应力幅值作为广义数据，基于塑形流动法与强度因子理论对接续管的风振疲劳响应进行分析；采集接续管疲劳试验中的动弯应变，并使用SEM电镜扫描采集接续管及管口裂缝长度；将试验结果与仿真计算结果对比验证，修正提出的数学模型。
　　第1章 输电线路直、弯导线分层力学模型
　　1.1 输电线路直导线分层力学模型
　　对四层绞制结构的输电线路导线展开研究与分层力学计算，由于材料属性及绞制螺距不同，往往造成各层受力不均、断股断线的情况发生。以输电线路直导线轴向、径向为参照依据，建立空间直角坐标系，如图1-1所示。
　　图1-1 输电线路导线几何形状及坐标系定义图
　　由图1-1，定义导线轴向方向为轴，定义导线横截面所在截面为坐标面。
　　1.1.1 输电线路直导线分层股线受力平衡
　　输电导线直导线在受轴向张力时，同层各股线在张力作用下受力状态相同。故对单根股线进行受力分析，取第层单根股线，并在空间直角坐标系的基础之上沿其轴向中心线建立局部三维坐标系，并对该股线无限小微元段进行受力分析，如图1-2所示。
　　图1-2 直导线第i层股线受力图
　　图1-2中，T为股线所受张力；、分别表示第层单股线沿、方向剪力；T分别表示第层单股线沿股线轴向的拉力，即为股线所受张力；分别表示第层单股线、方向弯矩；H为第i层单股线的扭矩；分别表示第层单股线方向张力分量；分别表示第层单位长度股线在方向外力矩分量；为变形前的螺旋角。股线横截面上的力(力矩)的方向余弦见表1-1。
　　表1-1 股线横截面上的力(力矩)的方向余弦
　　注：表示第层股线单位长度股线产生的扭转；分别表示第层股线在、方向上的曲率；s为单元面积。
　　微元段处于平衡状态，股线在方向投影所受合力为零，则、、方向投影的合力矩也为零，故方向的力、力矩平衡方程为
　　(1-1)
　　股线伸长前后螺旋角变化微小，故忽略螺旋角变化，则股线、方向的曲率、及方向的扭转率为
　　(1-2)
　　式中，为变形前的螺旋角；为股线节圆半径。
　　承受荷载后，股线所受张力及沿各方向的力矩为

目录
前言
绪论 1
第1章 输电线路直、弯导线分层力学模型 5
1.1 输电线路直导线分层力学模型 5
1.1.1 输电线路直导线分层股线受力平衡 5
1.1.2 输电线路直导线分层股线张拉变形 7
1.2 输电线路弯曲导线分层力学模型 8
1.2.1 输电线路弯曲导线分层股线数学模型 9
1.2.2 输电线路弯曲导线分层股线受力平衡 10
1.2.3 输电线路弯曲导线分层股线弯曲变形 11
1.3 输电线路直、弯导线分层截面弯曲刚度计算 12
1.4 求解输电导线分层力学模型 13
1.4.1 程序化编程求解 13
1.4.2 工程计算 14
第2章 输电导线损伤状态下运行特性数学模型 16
2.1 输电导线损伤状态下电磁-温度-应力数学模型 16
2.1.1 输电导线损伤状态下电磁-温度-应力特性作用关系 16
2.1.2 输电导线损伤状态下电磁-温度运行特性数学模型 17
2.1.3 输电导线损伤状态下温度-应力运行特性数学模型 18
2.2 输电导线损伤状态下数学模型求解及结果分析 21
第3章 输电导线接续管压接残余应力下风振疲劳数学模型 26
3.1 构建输电导线接续管压接残余应力数学模型 26
3.2 基于能量平衡法建立接续管压接残余应力影响下的风振数学模型 27
3.3 风振应力幅下输电导线接续管疲劳寿命数学模型 29
3.3.1 基于塑性流动法的接续管损伤阶段疲劳寿命求解 29
3.3.2 基于强度因子接续管断裂阶段疲劳寿命求解 30
第4章 输电导线接续管接触表面运行分析 32
4.1 输电导线过热运行状态下接续管运行特性及热疲劳损伤数学模型 32
4.1.1 输电导线过热运行状态下接续管温度特性数学模型及求解 32
4.1.2 基于温度特性的导线接续管力学特性数学模型及求解 39
4.1.3 基于线性损伤法的导线接续管热疲劳损伤数学模型 46
4.2 输电导线接续管接触表面运行分析 47
4.2.1 输电导线接续处粗糙表面模拟 47
4.2.2 输电导线接续管接触电阻计算 50
4.2.3 输电导线接续管接触表面仿真分析 51
第5章 输电线路直、弯导线分层力学特性仿真分析 54
5.1 输电线路直、弯导线分层力学特性仿真前处理 54
5.1.1 确定材料属性及单元 54
5.1.2 建立考虑层间接触的三维实体模型 55
5.1.3 变形前后节点位移关系 56
5.1.4 设定边界条件、网格划分及施加荷载 58
5.2 计算结果分析 60
5.2.1 验证计算结果 60
5.2.2 0°导线分层力学特性分析 61
5.2.3 15°导线分层力学特性分析 65
5.2.4 45°导线分层力学特性分析 69
第6章 输电导线损伤状态下电磁-温度-应力运行特性仿真分析 74
6.1 输电导线损伤状态下电磁-温度-应力运行特性仿真 74
6.1.1 输电导线损伤界面径向电磁-温度特性仿真分析 79
6.1.2 输电导线损伤界面径向温度-应力特性仿真分析 84
6.1.3 输电导线损伤界面轴向电磁-温度特性仿真分析 92
6.1.4 输电导线损伤界面轴向温度-应力特性仿真分析 99
6.2 输电导线损伤界面运行特性计算分析系统 104
6.2.1 输电导线损伤界面运行特性计算分析系统的总体设计 104
6.2.2 输电导线损伤界面运行特性计算分析系统的二次开发 106
第7章 输电导线接续管压接残余应力影响因素仿真分析 110
7.1 输电导线接续管不同压接对边尺寸下的应力分析 110
7.1.1 建立输电导线接续管压接仿真模型 110
7.1.2 设定边界条件及划分网格 110
7.1.3 不同压接尺寸输电导线接续管结构特性分析 112
7.2 输电导线接续管压接模长调整仿真分析 126
7.2.1 仿真模型前处理 126
7.2.2 压接后管体与绞线塑性形变及应力分析 127
7.2.3 管口*后一模压模长度对管口应力的影响 129
7.3 输电导线压接管口形状仿真分析 131
7.3.1 压接管口形状模型 131
7.3.2 压接管口应力分析 132
第8章 输电导线接续管压接残余应力下的风振疲劳仿真分析 135
8.1 输电导线接续管锁定效应下风速仿真分析 135
8.1.1 建立单根导线仿真模型 135
8.1.2 设定升曳力边界条件及划分网格 136
8.1.3 导线锁定效应下的风速与风频仿真分析 136
8.2 基于能量法的接续管微风振动模型求解 140
8.2.1 建立三维风振仿真模型 140
8.2.2 设定风速风向边界条件及划分网格 141
8.2.3 输电导线接续管不同张力下的风振响应 141
8.3 基于塑形流动法与强度因子理论接续管的风振疲劳响应分析 145
8.3.1 设定循环应力比边界条件及划分网格 146
8.3.2 不同压接条件下的疲劳计算分析 147
第9章 输电导线接续管接触表面仿真分析 152
9.1 输电导线接续管过热运行状态下运行特性及热疲劳损伤仿真分析 152
9.1.1 建立输电导线接续管运行特性仿真环境 152
9.1.2 过热运行状态下导线接续管运行特性仿真分析 154
9.1.3 过热运行状态下导线接续管热疲劳损伤仿真分析 161
9.1.4 热疲劳损伤后输电导线接续管场量分析 164
9.2 输电导线接续管热疲劳损伤分析系统 168
9.2.1 输电导线接续管热疲劳损伤分析系统总体设计 168
9.2.2 输电导线接续管热疲劳损伤分析系统应用 169
第10章 输电线路直、弯导线分层力学试验研究及对比分析 171
10.1 直、弯导线应力-应变测量、截面弯曲刚度试验 171
10.1.1 导线应力-应变测量试验 171
10.1.2 导线截面弯曲刚度试验 174
10.2 导线分层应力-应变试验数据处理及对比分析 176
10.2.1 0°导线试验数据处理及对比分析 176
10.2.2 15°导线试验数据处理及对比分析 178
10.2.3 45°导线试验数据处理及对比分析 179
10.3 导线截面弯曲刚度试验数据处理及对比分析 181
第11章 输电导线接续管疲劳试验研究 183
11.1 试验方法、步骤与试验装置 183
11.1.1 试验方法 183
11.1.2 试验步骤 183
11.1.3 试验装置 184
11.2 25%导线额定拉断力下的输电导线接续管疲劳响应 185
11.2.1 输电导线振动响应 185
11.2.2 输电导线接续管疲劳状态下应变分析 188
11.2.3 输电导线接续管表面裂纹与疲劳寿命分析 190
参考文献 194