Index of /rozprawy2/10991

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA im. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE WYDZIAŁ METALI NIEŻELAZNYCH Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych. PRACA DOKTORSKA Wpływ drgań eolskich na własności eksploatacyjne napowietrznych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlMgSi. mgr inż. Andrzej Nowak promotor: prof. dr hab. inż. Tadeusz Knych Kraków 2015 1.

(2) Każdy akt twórczy ma dwie składowe: chwilę olśnienia, a potem żmudną techniczną pracę czasem trwającą latami. A końcowym celem obu jest udostępnienie tego olśnienia innym. Kirył J. Yeskov. 2.

(3) Pragnę ogromnie podziękować Promotorowi niniejszej pracy Panu Prof. dr hab. inż. Tadeuszowi Knychowi za poświęcony czas, zaangażowanie, wnikliwe dyskusje, rady i cenne sugestie, które były nieocenioną pomocą przy realizacji niniejszej dysertacji. Jestem również głęboko wdzięczny za zainspirowanie mnie do podjęcia tematyki poruszonej w pracy oraz za motywację, słowa otuchy i wiarę we mnie.. 3.

(4) Moim Najbliższym, którzy przynoszą mi otuchę w chwilach zwątpienia. 4.

(5) Spis treści Od Autora .................................................................................................................................................8 1. Słowo wstępne .................................................................................................................................. 11 2. Stan zagadnienia................................................................................................................................ 15 2.1 Mechanika przęsła ....................................................................................................................... 15 2.2 Drgania wiatrowe ........................................................................................................................ 24 2.3 Zmęczenie przewodów................................................................................................................ 30 2.4 Fretting ........................................................................................................................................ 36 2.5 Przewody ze stopów AlMgSi do napowietrznych linii elektroenergetycznych .......................... 42 2.6 Podsumowanie stanu zagadnienia ............................................................................................... 49 3. Teza ................................................................................................................................................... 51 4. Cel i zakres pracy .............................................................................................................................. 53 4.1 Cel pracy ..................................................................................................................................... 53 4.2 Zakres pracy ................................................................................................................................ 53 5. Koncepcja rozwiązania tematu pracy ................................................................................................ 54 5.1 Założenia ..................................................................................................................................... 54 5.2 Schemat ....................................................................................................................................... 56 6. Materiał i program badań .................................................................................................................. 57 6.1 Materiał do badań ........................................................................................................................ 57 6.1.1 Technologia produkcji drutów ze stopów AlMgSi .............................................................. 57 6.1.2 Charakterystyka materiału do badań .................................................................................... 60 6.2 Program i metodyka badań eksperymentalnych .......................................................................... 62 6.2.1. Badania starzenia sztucznego drutów.................................................................................. 62 6.2.2 Badania zjawiska frettingu ................................................................................................... 64 6.2.3 Badania procesów zmęczeniowych ...................................................................................... 66 7. Stanowiska badawcze........................................................................................................................ 68 7.1 Podstawowe urządzenia laboratoryjne ........................................................................................ 68 7.2 Dedykowane stanowiska badawcze ............................................................................................ 71 8. Metody analizy wyników badań eksperymentalnych ....................................................................... 74 8.1 Podstawowe charakterystyki pomiarowe .................................................................................... 74 8.1.1 Własności mechaniczne ....................................................................................................... 74 8.1.2 Pomiar rezystywności .......................................................................................................... 75 8.1.3 Pomiar twardości .................................................................................................................. 75. 5.

(6) 8.1.4 Obserwacje mikroskopowe .................................................................................................. 76 8.2 Charakterystyki frettingu............................................................................................................. 77 8.3 Charakterystyki zmęczeniowe..................................................................................................... 78 8.3.1 Charakterystyki S-N - druty okrągłe..................................................................................... 78 8.3.2 Druty z karbem - charakterystyki ......................................................................................... 79 9. Wyniki badań i ich analiza ................................................................................................................ 80 9.1 Obróbka cieplna drutów .............................................................................................................. 80 9.1.1 Badania wstępne................................................................................................................... 81 9.1.2 Badania zaawansowane ........................................................................................................ 84 9.1.3 Kwalifikacja materiału do dalszych badań ........................................................................... 89 9.2 Badania frettingu ......................................................................................................................... 95 9.2.1 Wpływ obróbki cieplnej na efekty frettingu ......................................................................... 95 9.2.2 Wpływ siły docisku na efekty frettingu ............................................................................... 97 9.2.3 Morfologia śladów frettingu ............................................................................................... 102 9.3 Badania zmęczenia .................................................................................................................... 105 9.3.1 Badania na drutach okrągłych ............................................................................................ 106 9.3.2 Badania na drutach z karbem ............................................................................................. 114 9.3.3 Badania przełomów zmęczeniowych ................................................................................. 118 9.4 Podsumowanie wyników badań ................................................................................................ 125 9.4.1. Podsumowanie badań podstawowych ............................................................................... 125 9.4.3 Podsumowanie badań zmęczeniowych .............................................................................. 127 10. Model szacowania odporności zmęczeniowej przewodu w warunkach długoczasowego oddziaływania drgań wiatrowych ........................................................................................................ 131 10.1 Cel i przeznaczenie modelu..................................................................................................... 131 10.2 Lokalizacja przęsła modelowego ............................................................................................ 133 10.3 Dane meteorologiczne ............................................................................................................. 135 10.4 Obliczenia prędkości wiatru .................................................................................................... 137 10.5 Naprężenie przewodu .............................................................................................................. 141 10.5.1 Postanowienia normatywne .............................................................................................. 142 10.5.2 Kryterium EDS ................................................................................................................. 144 10.5.3 Kryterium N/mG (σ/g) ..................................................................................................... 145 10.5.4 Charakterystyki ................................................................................................................ 148 10.6 Energia dostarczana przez wiatr .............................................................................................. 151 10.7 Dyssypacja energii w przewodzie ........................................................................................... 154. 6.

(7) 10.8 Wyznaczenie amplitudy drgań - Bilans energetyczny ............................................................ 156 10.8.1 Wyznaczenie amplitudy drgań – procedura ..................................................................... 157 10.9 Wyznaczenie naprężeń gnących.............................................................................................. 161 10.10 Hipoteza kumulacji szkód Palmgrena - Minera .................................................................... 165 10.11 Wyniki obliczeń na podstawie opracowanego modelu ......................................................... 166 10.12 Podsumowanie uzyskanych wyników ................................................................................... 171 10.12.1 Eksperyment myślowy ................................................................................................... 173 11. Podsumowanie końcowe ............................................................................................................... 175 12. Wnioski ......................................................................................................................................... 178 Literatura ............................................................................................................................................. 182. 7.

(8) Od Autora Szybki rozwój gospodarczy wiąże się ze wzmożonym zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Zgodnie z prognozami dla Polski w ciągu najbliższych piętnastu lat zapotrzebowanie energetyczne naszego kraju wzrośnie o ok. 60%. Przy obecnym stanie infrastruktury elektrycznej obejmującym ponad 13 500 km linii najwyższych napięć oraz trudnościach z jej rozwojem ilościowym, coraz poważniejszym problemem staje się zapewnienie zwiększonej przepustowości sieci elektroenergetycznej przy zachowaniu wysokiej bezawaryjności. W większej części Polskiego systemu przesyłowego opartego na elektroenergetycznych liniach napowietrznych pracują przewody bimateriałowe typu AFL składające się z rdzenia stalowego o wysokich własnościach mechanicznych i niskiej przewodności elektrycznej oraz z aluminiowej części przewodzącej o niskich własnościach mechanicznych i dobrej przewodności. Podstawowymi wadami przewodów tego typu są wysoka masa oraz znacznie ograniczony przekrój czynny przewodu. Zwiększenie obciążalności prądowej przewodów rodzi więc konieczność zastąpienia przewodów aluminiowo-stalowych przewodami o konstrukcji jednorodnej. Przewody oparte na utwardzalnych wydzieleniowo stopach AlMgSi są naturalną alternatywą dla przewodów bimetalowych. Odznaczają się one zadowalającą przewodnością elektryczna oraz wysokimi własnościami mechanicznymi. Ponadto ich konstrukcja pozwala na zwiększenie przekroju czynnego poprzez wyeliminowanie nieefektywnego elektrycznie rdzenia oraz zmniejszenie masy jednostkowej przewodu. Tematyka niniejszej pracy związana z problemem wpływu drgań wiatrowych, a w szczególności drgań eolskich na własności eksploatacyjne elektroenergetycznych, jednorodnych przewodów napowietrznych wykonanych z utwardzalnych wydzieleniowo stopów AlMgSi, bezpośrednio dotyczy poprawy bezpieczeństwa działania sieci przesyłowej. Jedną z głównych przyczyn awarii linii napowietrznych jest oddziaływanie wiatru generujące drgania przewodu o częstotliwości i amplitudzie zależnej od prędkości wiatru, parametrów przęsła i przewodu w nim rozpiętego. Najbardziej niekorzystnym rodzajem drgań z punktu widzenia żywotności przewodu są tzw. drgania eolskie. Drgania takie charakteryzują się małą amplitudą (do dwóch średnic przewodu) i częstotliwością dochodzącą do 100Hz. Zmienne naprężenia wywołane przez te drgania są głównym czynnikiem generującym uszkodzenia zmęczeniowe przewodów. Przewód uszkodzony na drodze rozwoju pęknięć zmęczeniowych odznacza się spadkiem własności mechanicznych i elektrycznych oraz lokalnym wzrostem temperatury. W skrajnych przypadkach zmęczenie przewodów prowadzi do ich zniszczenia. Badania na potrzeby niniejszej pracy mające charakter modelowy przeprowadzono na drutach. Parametry zastosowane do przeprowadzenia poszczególnych badań dobierane były tak, by z możliwie dużym przybliżeniem oddać charakter oddziaływań występujących w obrębie przewodu poddanego działaniu rzeczywistych drgań eolskich. Wyniki uzyskanych badań posłużyły jako podstawa do opracowanie modelu szacowania odporności zmęczeniowej przewodów stopowych w warunkach długotrwałego oddziaływania drgań wiatrowych. Znajomość szacowanego, dopuszczalnego czasu. 8.

(9) eksploatacji przewodu jest konieczna ze względu na dążenie do osiągnięcia możliwie najdłuższego bezawaryjnego okresu działania nowoczesnych linii napowietrznych. Tematyka dysertacji wpisuje się w działalność naukową Katedry Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych AGH, w której od wielu lat prowadzone są prace badawcze dotyczące problemów eksploatacyjnych w elektroenergetycznych liniach napowietrznych wykorzystujących nowoczesne, jednorodne, przewody ze stopów AlMgSi Niniejsza praca nie byłaby możliwa bez wsparcia udzielonego jej autorowi przez wiele osób oraz instytucji. Chciałbym w tym miejscu podziękować Wszystkim tym, którzy przyczynili się do jej powstania. W szczególności Pragnę złożyć podziękowania Władzom Dziekańskim Wydziału Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej za umożliwienie uczestnictwa w Studium Doktoranckim. Dziękuję Kierownictwu Katedry Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych na Wydziale Metali Nieżelaznych za stworzenie możliwości szerokiego rozwoju naukowego. Składam podziękowania Ministerstwu Nauki i Szkolnictwa Wyższego RP oraz Małopolskiemu Centrum Przedsiębiorczości za wsparcie finansowe w realizacji badań objętych zakresem niniejszej pracy. Dziękuję serdecznie Panom prof. dr hab. inż. Markowi Blicharskiemu z Katedry Inżynierii Powierzchni i Analiz Materiałów na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej oraz dr inż. Tomaszowi Tokarskiemu z Katedry Struktury i Mechaniki Ciała Stałego na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej za pomoc w realizacji badań z zakresu mikroskopii świetlnej i skaningowej. Składam podziękowania Pracownikom Oddziału Metali Lekkich w Skawinie Instytutu Metali Nieżelaznych w Gliwicach za pomoc w realizacji badań z zakresu mikroskopii transmisyjnej. Dziękuję wszystkim Pracownikom Katedry Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych oraz Koleżankom i Kolegom ze Studiów Doktoranckich za przyjazną atmosferę oraz okazywaną życzliwość. Pragnę podziękować moim najbliższym współpracownikom, Koleżankom i Kolegom z Laboratorium Technologii Przetwórstwa Metali Nieżelaznych, w którym powstała niniejsza praca. Szczególne podziękowania kieruję do dr hab. inż. Andrzeja Mamali za liczne dyskusje i nieocenioną pomoc w analizie najtrudniejszych zagadnień niniejszej pracy oraz dr inż. Grzegorzowi Kiesiewiczowi za pomoc przy realizacji eksperymentów numerycznych.. 9.

(10) Ponadto pragnę podziękować za wsparcie wszystkim przyjaciołom, którzy we mnie wierzyli i mnie motywowali oraz tym, którzy mnie krytykowali i zniechęcali, za wzbudzenie determinacji. Chciałbym również podziękować mojej Rodzinie: Mamie za wsparcie, Tacie, że mnie inspirował oraz Bratu za milczenie. Na zakończenie pragnę podziękować moim Najbliższym: Najukochańszej Żonie Kasi, która jest dla mnie niezachwianą opoką oraz moim Najwspanialszym Dzieciom Olguni i Krzysiowi, które są moją największą motywacją.. Kraków, maj 2015r.. Andrzej Nowak. 10.

(11) 1. Słowo wstępne „Każda futurystyczna idea zaczyna się od społecznego wyzwania, któremu należy sprostać, aby budować lepszą przyszłość.” Słowa te niedawno wypowiedział Jean-Pierre Jeusette, dyrektor generalny Centrum Innowacji Goodyeara w Luksemburgu. Frazę tę można odnieść do całości współczesnych nauk związanych z nowoczesnymi technologiami służącymi człowiekowi. Ze wszystkich technologicznych wyzwań współczesnego, coraz bardziej uprzemysłowionego i zurbanizowanego świata najważniejsze jest zapewnienie nieprzerwanych i wciąż rosnących dostaw energii elektrycznej. Wyzwanie to rodzi również konieczność unowocześniania i rozbudowy elektroenergetycznych sieci przesyłowych. W przeważającej części dystrybucja energii elektrycznej, również na terenie Polski, odbywa się za pośrednictwem elektroenergetycznych sieci napowietrznych opartych o tradycyjne przewody aluminiowo stalowe. Potrzeba zwiększenia wydajności i niezawodności przesyłu związana z koniecznością podniesienia przepustowości, a co za tym idzie obciążalności elektrycznej sieci, doprowadziła do poszukiwania alternatywy dla przewodów bimateriałowych. Główną przyczyną były niewystarczające właściwości elektryczne przewodów ACSR wynikające z zastosowania stalowego rdzenia o niskiej przewodności elektrycznej. Poszukując rozwiązania problemu niewystarczającej przepustowości elektroenergetycznych linii napowietrznych można postąpić dwojako. Po pierwsze stosując wysokotemperaturowe przewody niskozwisowe typu HTLS wyposażone w rdzenie kompozytowe, pozwalające na znaczne zwiększenie temperatury roboczej linii bez nadmiernego zwiększania zwisu przewodów. Po drugie stosując przewody jednorodne oparte na utwardzalnych wydzieleniowo stopach AlMgSi (przewody AAAC). Przewody te zapewniają zwiększenie przekroju czynnego przy zachowaniu dotychczasowych gabarytów oraz własności wytrzymałościowych. Właśnie przewody stopowe są tematem rozważań w niniejszej dysertacji. Bez względu na rodzaj przewodu pracującego w przęśle jest on narażony na działanie szeregu czynników zewnętrznych. W szczególności niebezpieczne dla żywotności przewodów i niezawodności linii przesyłowych okazuje się oddziaływanie wiatru. Wystarczy wspomnieć, że ok 20% ogółu awarii infrastruktury przesyłowej jest wywołane tym właśnie czynnikiem. Szczególnie niebezpieczny okazuje się wiatr o niskich, nie przekraczających 5m/s prędkościach i jednostajnym, laminarnym przepływie (brak gwałtownych porywów, zmian prędkości i kierunku). W takich właśnie warunkach w przewodzie generowane są drgania o małej, nie przekraczającej dwóch średnic przewodu amplitudzie i szerokim zakresie częstotliwości do 100Hz włącznie. Drgania te zwane są eolskimi. Nazwa wywodzi się bezpośrednio od starożytnego instrumentu muzycznego znanego pod nazwą harfy Eola, w którym to wiejący wiatr wzbudzając drgania strun generował dźwięk, pośrednio zaś od Eola znanego z mitologii greckiej władcy wiatrów. Drgania eolskie są główną siłą pędną szeregu szkodliwych zjawisk zachodzących w przewodzie zawieszonym w przęśle. Najbardziej niebezpiecznymi następstwami drgań eolskich są: fretting będący złożonym uszkodzeniem powierzchni poszczególnych drutów oraz zmęczeniowe pękanie materiału generowane przez zmienne w czasie naprężenie będące wynikiem drgań przewodu. Jak widać oddziaływanie drgań wzbudzanych w przewodzie przez wiatr wpływa wysoce destrukcyjnie na budowę, własności i kondycję przewodu. 11.

(12) Główną przyczyną takiego stanu rzeczy jest synergiczne oddziaływanie wielu zjawisk objawiające się poprzez generowanie lokalnych uszkodzeń i zmniejszanie przekroju czynnego przewodu, co zaburza przepływ energii elektrycznej prowadząc do miejscowego wzrostu temperatury. Ponadto poprzez rozwój pęknięć zmęczeniowych ograniczone zostają własności mechaniczne przewodu, a w ekstremalnych przypadkach następuje jego zniszczenie. Te właśnie przyczyny skłaniają do prowadzenia wnikliwych badań zjawisk zachodzących w przewodach napowietrznych, będących skutkiem drgań eolskich. Ponadto konieczne staje się poszukiwanie sposobu prognozowania czasu bezawaryjnej eksploatacji przewodów w napowietrznych liniach elektroenergetycznych. Powyższe zagadnienia są przedmiotem niniejszej dysertacji. Aby było to możliwe, niezbędne jest przeprowadzenie literaturowej analizy stanu zagadnienia oraz badań eksperymentalnych, w tym opracowanie metodyki i sposobu parametryzacji odporności materiałów na zjawiska frettingu i zmęczenia oraz meteorologicznych badań statystycznych. Pozwoli to na opracowanie modelowego algorytmu szacowania bezpiecznego czasu eksploatacji przewodu w warunkach długoczasowego oddziaływania drgań wiatrowych. Schemat ramowy pracy przedstawia rys.1.1. Badania literaturowe Mechanika przęsła napowietrznej linii elektroenergetycznej. Badania teoretyczne Przewody napowietrznych linii elektroenergetycznych Czynniki zewnętrzne oddziałujące na przewody ze szczególnym uwzględnieniem drgań wiatrowych. Opracowanie algorytmu szacowania bezpiecznego czasu eksploatacji przewodu Analiza warunków pracy przęsła. TEZA. Analiza parametrów przęsła. Badania eksperymentalne. Analiza parametrów przewodu. Podstawowe charakterystyki materiałowe stopu AlMgSi Badania procesów towarzyszących oddziaływaniu drgań eolskich Badania procesów frettingu. Wyznaczenie minimalnego bezpiecznego czasu eksploatacji przewodu poddanego oddziaływaniu drgań wiatrowych na podstawie hipotezy kumulacji szkód Palmgrena - Minera dla złożonych parametrów meteorologicznych. Badania wytrzymałości zmęczeniowej. Rys.1.1 Ramowy schemat pracy. 12.

(13) Praca dzieli się na trzy zasadnicze części dotyczące analizy literaturowej stanu zagadnienia, badań eksperymentalnych oraz prognozowania bezpiecznego czasu eksploatacji przewodu. Całość zawiera się w dwunastu rozdziałach na 189 stronach i opatrzona jest 43-ma tabelami oraz 183-ma rysunkami i wykresami. Zakres przytaczanej literatury obejmuje 162 pozycje. Analiza literaturowa przedstawiona w rozdziale 2 obejmuje szeroki zakres zagadnień dotyczących eksploatacji przewodów napowietrznych. Nie mniej jednak, tak szerokie ujęcie tematyki jest konieczne dla lepszego zrozumienia powiązań pomiędzy różnymi aspektami pracy przewodu. W ramach analizy scharakteryzowano podstawowe parametry przęsła linii napowietrznej, ze szczególnym uwzględnieniem mechaniki zachowania przewodu oraz jego materiału. Ponadto skupiono się na sposobie oddziaływania czynników zewnętrznych na przewód rozpięty w przęśle, a w szczególności na oddziaływaniu drgań wiatrowych i zjawiskach przez nie generowanych. Za najbardziej interesujące z punktu widzenia żywotności przewodów uznano zjawiska frettingu i zmęczenia, które są generowane przez drgania eolskie. Analiza stanu zagadnienia posłużyła za podstawę do sformułowania tezy mówiącej, iż: Przy wykorzystaniu hipotezy kumulacji szkód Palmgrena - Minera, możliwe jest oszacowanie bezpiecznego czasu eksploatacji przewodu napowietrznej linii elektroenergetycznej dla założonych meteorologicznych warunków jego pracy oraz wyznaczonych eksperymentalnie charakterystyk zmęczeniowych materiału, z którego jest on wykonany. Szersze omówienie tezy zawiera rozdział 3. W rozdziałach 4 i 5 opisano cel i zakres pracy wraz z koncepcją rozwinięcia tezy. Kolejne rozdziały tj. 6 i 7 poświęcono charakterystyce materiału jakim są druty z utwardzalnego dyspersyjnie stopu AlMgSi serii 6101 oraz szerokiemu programowi badawczemu wraz z omówieniem wykorzystania aparatury badawczej do analizy poszczególnych zagadnień. Koncepcja analizy uzyskanych wyników przedstawiona została w rozdziale 8. Rozdział zawiera opis zastosowanych metod analizy wyników zarówno dla podstawowych badań materiałowych tj. własności wytrzymałościowych, elektrycznych, twardości oraz analiz mikroskopowych, jak i dla badań zaawansowanych obejmujących charakterystyki zmęczeniowe i frettingowe wraz z badaniami mikroskopowymi. Wyniki badań wraz z analizą przedstawiono w rozdziale 9, który podzielono na trzy zasadnicze części: podstawowe charakterystyki materiałowe, badania nad zjawiskami frettingu oraz badania nad zmęczeniem materiałów. Badania podstawowe skupiały się na wpływie niskotemperaturowej obróbki cieplnej, w postaci starzenia sztucznego, na własności stopu AlMgSi ze szczególnym uwzględnieniem Rm, R0,2, A250, δ oraz HV1. Wyniki tych badań posłużyły do wyznaczenia reprezentatywnych, a jednocześnie charakterystycznych wariantów obróbki cieplnej do dalszych badań. Badania frettingu skupiały się na wpływie parametrów prowadzenia procesu tj. liczby cykli i siły docisku na stopień zużycia frettingowego drutów po wybranych wariantach obróbki cieplnej. Dla lepszego zobrazowania zagadnienia wybrane wyniki dla stopu porównano z wynikami dla aluminium referencyjnego. Badania frettingu przeprowadzono. 13.

(14) na specjalistycznym stanowisku do badań materiałów przewodowych zaprojektowanym na Wydziale Metali Nieżelaznych AGH. Badania zmęczeniowe objęły próby prowadzone na autorskim stanowisku do badań zmęczeniowych w schemacie gięcia skrętnego. Wyniki badań zmęczeniowych w postaci krzywych S-N, a także krzywych w układzie (Y-N), gdzie Y strzałka ugięcia, uwzględniały wpływ szeregu czynników. W podrozdziale dokonano porównania wyników dla różnych materiałów (Cu, Al, AlFe1, AlMgSi) wykazując różnice w sposobie zachodzenia zjawisk zmęczeniowych. Przedstawiono wpływ obróbki cieplnej na intensywność procesów zmęczeniowych w stopie 6101. Ponadto wykazano zróżnicowany wpływ kształtu karbu na wytrzymałość zmęczeniową drutów stopowych po wybranych wariantach obróbki cieplnej. Rozdział 9 zawiera również bogatą i szeroko zilustrowaną obrazami mikroskopowymi analizę powierzchni poddanych frettingowi oraz złomów zmęczeniowych. Wyniki badań wraz z ich analizą zamyka podsumowanie. Na podstawie analizy literaturowej, badań eksperymentalnych oraz meteorologicznych danych statystycznych sporządzono model szacowania odporności zmęczeniowej przewodu w warunkach długoczasowego oddziaływania drgań wiatrowych, którego algorytm zamieszczono w rozdziale 10. Niniejszy algorytm obejmuje szereg powiązanych zagadnień. Przedstawiono w nim dokładną ścieżkę rozumowania prowadzącą od podstawowych dostępnych danych (dane meteorologiczne, parametry przewodu, etc.), poprzez obliczenia i zależności (wyznaczenie naprężenia przewodu, bilans energii pochodzącej od wiatru, wyznaczenie amplitudy gięcia i amplitudy naprężenia) do wyniku w postaci czasu eksploatacji przewodu oszacowanego na podstawie danych materiałowych i obliczeń z uwzględnieniem hipotezy kumulacji szkód Palmgrena - Minera. Istotną częścią rozdziału jest „eksperyment myślowy” przedstawiający wpływ wielkości rejestrowanych naprężeń na bezpieczny czas eksploatacji przewodu. Ze względu na zakres i wielowątkowość pracy większość wyników interpretowano na bieżąco, a rozdziały badawcze opatrzone zostały osobnymi podsumowaniami. Pracę wieńczą dwa rozdziały. W rozdziale 11 zawarto krótkie syntetyczne podsumowanie obejmujące całość analizy literaturowej, analizy wyników badań eksperymentalnych oraz rozważań o charakterze symulacyjnym. Rozdział 12 zawiera wnioski o charakterze ogólnym i aplikacyjnym.. 14.

(15) 2. Stan zagadnienia 2.1 Mechanika przęsła Polska norma [1] definiuje pojęcie sieci elektroenergetycznej jako „zespół połączonych wzajemnie linii i stacji elektroenergetycznych przeznaczonych do przesyłania i rozdzielania energii elektrycznej”. Linie elektroenergetyczne stanowią urządzenia przeznaczone do przesyłania energii elektrycznej. Dzielą się one według napięcia znamionowego w sposób jaki przedstawiono na diagramie (patrz rys.2.1.1).. Linie elektroenergetyczne linie przesyłowe U > 110kV. linie rozdzielcze U ≤ 110kV. linie wysokiego napięcia (WN) U > 1kV. linie niskiego napięcia (nn) U < 1kV. linie najwyższego napięcia (NN) U > 100kV. linie średniego napięcia (SN) U ≤ 100kV. Rys. 2.1.1 Diagram przedstawiający podział linii elektroenergetycznych ze względu na napięcie znamionowe Ponadto można wyróżnić podział na: linie napowietrzne i kablowe. Linie kablowe układane są zwykle w ziemi, natomiast linie napowietrzne są prowadzone nad ziemią [2]. Podstawową jednostką organizacyjną napowietrznej linii elektroenergetycznej jest przęsło. Na najprostsze przęsło napowietrznej linii elektroenergetycznej składa się kilka elementów, wśród których należy wyróżnić jako najważniejsze: konstrukcje wsporcze, przewody, izolatory oraz dodatkowy osprzęt (np. tłumiki drgań, urządzenia rejestrujące). Konstrukcje wsporcze przenoszą na podłoże obciążenie działające na linię. Polska norma [3] wyróżnia dwie grupy konstrukcji wsporczych: przelotowe – gdzie przewód zamontowany jest w tulei przelotowej, a co za tym idzie słup nie przenosi siły naciągu przewodu oraz konstrukcje zwane słupami mocnymi – gdzie przewód montowany jest odciągowo. Ponadto norma [3] określa minimalną wysokość konstrukcji wsporczych w zależności od warunków pracy linii. W liniach napowietrznych stosuje się dwa podstawowe typy izolatorów, a mianowicie stojące i wiszące (mogą być montowane w zespołach zwanych łańcuchami). Mogą one różnić się od siebie konstrukcją i materiałem z jakiego zostały wykonane. Jednak ich zasadnicze funkcje pozostają niezmienne, pełnią rolę izolacyjną, są także elementami mocującymi przewody na konstrukcjach nośnych zarówno w sposób przelotowy jak i odciągowy. Izolatory. 15.

(16) muszą spełniać wiele warunków dotyczących zarówno ich własności elektro-izolacyjnych jak i mechanicznych, które opisuje szereg norm [4÷7]. Ponadto dobór odpowiedniego izolatora określają warunki środowiskowe, w których izolator będzie pracował [8].Tłumiki drgań zapewniają ochronę przeciwdrganiową linii napowietrznych. Żadna norma nie określa jednak kiedy należy je zastosować. Norma [3] podaje jedynie, iż zaleca się stosowanie tłumików, gdy naprężenie przewodu, przy temperaturze 10ºC, przekracza 18% wytrzymałości przewodu na rozciąganie. Ponadto wraz ze zwiększeniem naprężenia naciągu przewodu rośnie jego podatność na tzw. drgania eolskie charakteryzujące się dużymi częstotliwościami i małą amplitudą [9]. W zależności od rodzaju drgań jakie zagrażają linii, stosuje się różne urządzenia tłumiące, których przykład przedstawiono na rys.2.1.2.. Rys.2.1.2 Tłumik Stockbridge’a typu dogbone [10] Przewody napowietrznych linii elektroenergetycznych są główną częścią przęsła odpowiadającą za przesył energii elektrycznej i na nich skupią się dalsze rozważania na temat stanu mechanicznego przęsła. Ich rodzaje zostaną omówione szczegółowo w jednym z dalszych podrozdziałów. Jak już wspomniano wcześniej, przęsło jest najmniejsza i podstawową jednostką konstrukcyjną elektroenergetycznej linii napowietrznej. Znając części składowe i ich funkcję można stworzyć jego uproszczony schemat przedstawiony na rys.2.1.3. Na schemacie zaznaczono podstawowe parametry, którymi można scharakteryzować przęsło elektroenergetycznej linii napowietrznej. Są to:  rozpiętość – a: stała odległość pomiędzy punktami zawieszenia przewodu;  wysokość – h: odległość punktu utwierdzenia przewodu od ziemi;  zwis przewodu – f  oraz wynikająca ze zwisu bezpieczna odległość przewodu od ziemi.. 16.

(17) zwis - f. wysokość - h. Bezpieczna odległość przewodu od ziemi. rozpiętość - a. Rys.2.1.3 Przęsło napowietrznej linii elektroenergetycznej[11] Tak scharakteryzowane przęsło należy rozważyć pod względem stanu mechanicznego. W tym celu zakłada sie pewne uproszczenia myślowe ułatwiające rozważania. Zakłada się, że przewód rozpięty w przęśle jest idealnie giętki, posiada niezmienny przekrój oraz charakteryzuje się niezmiennością cech fizycznych i materiałowych w całej objętości. Za stałe uznaje się również: ciężar właściwy przewodu, moduł sprężystości wzdłużnej, wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, współczynnik wydłużenia cieplnego oraz przewodność cieplną i elektryczną [11]. Zakłada się również, że w przewodzie panuje jednoosiowy stan naprężenia pochodzący jedynie od siły naciągu, co z uwagi na wielodrutową konstrukcją przewodu (patrz rys.2.1.4) jest daleko idącym uproszczeniem.. Rys.2.1.4 Przekrój przewodu wielodrutowego oraz oddziaływania międzydrutowe [9] Jak to przedstawiono na rysunku w rzeczywistości w przewodzie występuje szereg oddziaływań międzydrutowych, których wielkość zależy między innymi od naprężenia naciągu przewodu oraz jego konstrukcji. Jednak wartości tych oddziaływań przyjmuje się jako zaniedbywalne dla rozważań nad tworzeniem matematycznego modelu opisującego zmiany naprężeń w przewodzie wywołane warunkami eksploatacyjnymi. Ponadto zakłada się stałość naprężenia naciągu σ na długości przęsła.. 17.

(18) . P A. (2.1). gdzie P – siła naciągu; A- przekrój poprzeczny przewodu. W przypadku rzeczywistym tak zdefiniowane naprężenie naciągu występuje w najniżej położonym punkcie wiszącego przewodu, podczas gdy w punkcie zawieszenia jest wyższe o iloczyn f  g (f – zwis przewodu; g – ciężar objętościowy przewodu), który jest jednak pomijalnie mały względem naprężenia naciągu i wynosi nie więcej niż 0,3% jego wartości. Założenie to ułatwia dalsze rozważania nie obciążając ich znaczącym błędem. Rozważając stan mechaniczny przęsła zauważa się, iż naprężenie wzdłużne σ w wiszącym przewodzie tworzą składowa masowa σm związana z siłami masowymi oraz składowa Hooke’a ~ wynikająca z różnicy długości początkowej przewodu nienaprężonego l0 i rozpiętości przęsła a. Można to wyrazić relacją:.    m  ~. (2.2). Składową Hooke’a można wyrazić wzorem:. a  ~    1 E  l0 . (2.3). z którego wynika, że w zależności od relacji pomiędzy l0 oraz a możliwe są trzy stany mechaniczne przewodu: Dla przypadku pierwszego kiedy długość przewodu jest identyczna z rozpiętością przęsła (l0  a) składowa Hooke’a wynosi:. a  ~    1 E  0  l0 . (2.4). zatem z równania (2.2) wynika:.   m. (2.5). Rozważając przęsło dla l0  a wiemy, iż charakteryzuje się ono określonym zwisem, a naprężenie wzdłużne w nim panujące zależy od rozpiętości przęsła, sił masowych i własności sprężystych przewodu, dzięki czemu można je wyrazić przez relację:. 18.

(19) df.   m  3. a2 g 2E 24. (2.6). lub w jawnej postaci Hooke’a.  a2 g 2  m   2  24 m.   E . (2.7).  a2g 2   jako odkształcenie sprężyste przewodu. co pozwala uznać człon  2   24 m  Dla przypadku drugiego, gdy długość przewodu jest mniejsza od długości przęsła (l0  a) składowa Hooke’a wynosi: df a  ~      1 E  0  l0 . (2.8). zatem z równania (2.2) wynika:.    M  . (2.9). W danym przypadku należy pamiętać, że  M jest zależne dodatkowo od  pochodzącego od siły naciągu. Zatem naprężenie wzdłużne panujące w przewodzie można wyrazić zależnością:.  3     2 . a2 g 2 E0 24. (2.10). Dla przypadku trzeciego, gdy długość przewodu jest większa od rozpiętości przęsła (l0  a) składowa Hooke’a wynosi:. a  ~  ˆ    1 E  0  l0 . (2.11). równanie (2.2) przyjmuje wówczas postać:.    M  ˆ. (2.12). Jak widać ˆ w tym przypadku przyjmuje wartości ujemne, zatem naprężenie wzdłużne w przewodzie można opisać relacją:. 19.

(20) a2 g 2   ˆ    E 0 24 3. 2. (2.13). Równania (2.7), (2.10) i (2.13) można ze sobą utożsamić pod warunkiem, że   ˆ  0 , co oznacza, że l0  a [11]. Dzięki przyjętym założeniom uproszczającym możliwe staje się opisanie kształtu przewodu zawieszonego w przęśle pozostającego pod działaniem ciężaru własnego i naprężenia σ. Teoria zwisania cięgna idealnie giętkiego opisuje ten kształt jako krzywą łańcuchową, którą można przedstawić równaniem katenoidy w postaci [11÷14]: x x     x p  p y e  e  p    p cosh   2  p  . (2.14). a2 Porównując wielkość zwisu w krzywej łańcuchowej f  i wielkość zwisu w funkcji 8p a2 g  naprężenia f  otrzymujemy parametr linii zwisania p  . g 8 Ze względu na to, iż rozwinięciem równania katenoidy jest szereg MacLaurina, dopuszczalne jest skrócenie wyrażenia do postaci: y. x2 p 2p. (2.15). czyli dwóch pierwszych jego wyrazów reprezentujących parabolę. Jest to uproszczenie, jednakże pozwala ono dość dokładnie określić kształt linii zwisania przewodu dla przęsła o długości poniżej 600m. Dokładną długość linii określonej równaniem (2.15) określa się z relacji:.  a2 g 2   L  a1  2   24 . (2.16).  a2g 2   reprezentuje sprężyste Skąd podobnie jak z zależności (2.7) wynika, iż wyrażenie  2  24  m   odkształcenie przewodu pochodzące od sił masowych odniesione do naprężenia naciągu przewodu. Z analizy uzyskanych zależności wynika, że składowa naprężenia pochodząca od sił masowych dla danego typu przewodu reprezentowanego współczynnikiem g i modułem sprężystości E zależy wyłącznie od rozpiętości przęsła a.. 20.

(21) Równania (2.7), (2.10) i (2.13) przedstawiają wartości naprężenia dla jednej temperatury, w związku z czym mogą być utożsamione z naprężeniem montażowym. Biorąc pod uwagę sztywne zamocowanie przewodu w przęśle, zmiany temperatury będą prowadzić do zmian długości przewodu l , co z kolei prowadzi do zmiany naprężenia  panującego w przewodzie, zgodnie ze znanym równaniem stanów wiszącego przewodu danego wyrażeniem [12],[13],[15],[16]: 2. 2. a2 g2 E a 2 g1 E 2      E (T2  T1 ) 1 2 2 24 2 24 1. (2.17). Zgodnie z przedstawionym rozumowaniem wzrost temperatury generuje spadek naprężenia i na odwrót. Można to zilustrować prostą zależnością:.   T  l. (2.18). l  l0  l. (2.19). . l  l0 E l0. (2.20). W związku z tym naprężenie w przewodzie można bezpośrednio powiązać z czynnikami odpowiedzialnymi za zmiany długości przewodu (patrz rys.2.1.5), a w szczególności ze zmianą temperatury. Nie można jednak zapominać o czynnikach reologicznych wpływających na permanentne obniżanie naprężeń w przewodzie wynikające z procesów osiadania i pełzania mających wpływ na jego długość. Ze zmianami naprężenia i wydłużenia bezpośrednio związane są zmiany zwisu, będącego skutkiem statycznej równowagi pomiędzy silami masowymi, a siłą naciągu przewodu. Dzięki temu można wyprowadzić zależność na wartość zwisu w postaci:. f . a2 g 8. (2.21). gdzie  - naprężenie naciągu przewodu. Jak już wspomniano naprężenie  jest związane z długością przewodu, a zatem z czynnikami wpływającymi na nią w sposób bezpośredni. Rozpatrując stan mechaniczny w przewodzie w szczególny sposób należy zwrócić uwagę na czynniki generujące zmiany naprężenia chwilowego  t . Wśród grup czynników bezpośrednio wpływających na naprężenie chwilowe  t należy wymienić naprężenie montażowe, czynniki termiczne wpływające bezpośrednio na długość przewodu, czynniki materiałowe mające wpływ na ciężar właściwy i moduł sprężystości E przewodu, konstrukcję przewodu, procesy reologiczne oraz drgania wiatrowe wywołujące zmienne w czasie krótkotrwałe, ale niezwykle 21.

(22) istotne zmiany naprężenia chwilowego bezpośrednio wpływające na żywotność przewodu. Schemat przedstawiający powiązania pomiędzy poszczególnymi grupami czynników przedstawiono na rys. 2.1.5. WYSOKOŚĆ KONSTRUKCJI WSPORCZYCH. ZWIS PRZEWODU. ROZPIĘTOŚĆ PRZĘSŁA. OSIADANIE PRZEWODU. PARAMETRY PROJEKTOWE PRZĘSŁA. NAPRĘŻENIE MONTAŻOWE (STATYCZNE). WYDŁUŻALNOŚĆ CIEPLNA PRZEWODU. REZYSTANCJA JEDNOSTKOWA PRZEWODU. NAPIECIE. MASA JERNOSTKOWA PRZEWODU. CZYNNIKI ELEKTRYCZNE. MOC PRĄDU NATĘŻENIE PRĄDU. RODZAJ MATERIAŁU. PRĘDKOŚĆ WIATRU. WARUNKI KLIMATYCZNE. SADŹ. ODKSZTAŁCENIE PEŁZANIA. OBCIĄŻENIE WIATROWE (DYNAMICZNE). NAPRĘŻENIE CHWILOWE W PRZEWODZIE. TEMPERATURA PRZEWODU. CIEPLO JOULA. EKSPOZYCJA SŁONECZNA. REOLOGIA PRZEWODU PRZEKRÓJ PRZEWODU. KONSTRUKCJA PRZEWODU. PARAMETRY PROJEKTOWE PRZEWODU. PARAMETRY MATERIAŁOWE. WŁASNOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁU. WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNE MATERIAŁU. ŚREDNICA PRZEWODU MODUŁ SPRĘŻYSTOŚCI PRZEWODU OBCIĄŻENIE DOPUSZCZALN EPRZEWODU. GĘSTOŚĆ MATERIAŁU. Rys.2.1.5 Diagram powiązania czynników mających wpływ na naprężenie chwilowe w przewodzie W celu lepszego zobrazowania wpływu zmian temperatury na naprężenie występujące w przęśle rozważmy następujący przykład. Weźmy przewód AFL400S rozpięty w trzech przęsłach o różnej długości, następnie sprawdźmy jak zmiany temperatury wpływają na naprężenie panujące w każdym z przęseł. Otrzymuje się zależność przedstawioną na rys. 2.1.6. 160. - Charakterystyka przęsła a = 400m - Charakterystyka przęsła a = 250m - Charakterystyka przęsła a = 100m. NAPRĘŻENIE [MPa]. 140 120. 100. 91,8. 80 60 40. 20 10. 0 -40. -20. 0. 20. 40. 60. 80. TEMPERATURA [C]. Rys.2.1.6 Wykres zależności naprężenia od zmian temperatury w przęsłach różnej długości dla przewodu AFL400S [11] 22.

(23) Analizując powyższy wykres zauważamy, iż dla temperatury ok. 10°C dla wszystkich długości przęseł zachowane są takie same naprężenia (naprężenia montażowe). Wraz ze wzrostem temperatury spada naprężenie panujące w przewodzie, co spowodowane jest sprężystym zwiększeniem długości przewodu. Ponadto największy spadek naprężenia odnotowywany jest dla przęseł najkrótszych, czego przyczyny upatruje się w najmniejszej składowej naprężenia pochodzącej od masy przewodu. W przypadku temperatur ujemnych wzrasta naprężenie w przewodzie, przy czym podobnie jak w poprzednim przypadku intensywność wzrostu naprężenia jest uzależniona od długości przęsła. Należy pamiętać, iż w zakresie ujemnych temperatur, naprężenia w przewodzie są wyższe i niosą o wiele większe zagrożenie zmęczeniowe.. 23.

(24) 2.2 Drgania wiatrowe Napowietrzne linie elektroenergetyczne poddawane są działaniu wielu czynników środowiskowych, wśród których jednymi z najistotniejszych są warunki atmosferyczne. Stanowią one jedną z głównych przyczyn awarii systemowych. Jak poważnym problemem są awarie systemowe wywoływane oddziaływaniem czynników klimatycznych świadczy fakt powołania między innymi tematycznych grup roboczych w ramach CIGRE [17], [18] oraz cykliczne międzynarodowe spotkania w ramach International Workshop on Atmospheric Icing of Structures. Wśród atmosferycznych czynników stanowiących najpoważniejsze zagrożenie dla linii napowietrznych najbardziej niebezpieczny jest wiatr. Stanowi on przyczynę ok. 20% ogółu wszystkich awarii [19], [20], [21]. Fakt ten spowodowany jest działaniem wiatru na przewody elektroenergetyczne polegającym na wzbudzaniu w nich drgań zwanych wiatrowymi, które dzieli się zasadniczo na drgania eolskie, o niewielkich amplitudach i znacznych częstotliwościach [9], [22], [23] oraz galloping (galopowanie przewodów, taniec przewodów) o dużej amplitudzie dochodzącej do wartości zwisu i niewielkiej częstotliwości [24]. Szczegółowo rodzaje drgań zostaną omówione w dalszej części podrozdziału. Aby rozpatrzyć sposób oddziaływania wiatru na przewód można strugę powietrza potraktować jako strugę płynu, co pozwala zastosować do opisy tego zjawiska zależność odkrytą przez Osborne’a Reynoldsa w 1883r. zwaną liczbą Reynoldsa Re. Re  gdzie: vw D. v. vw D v. (2.22). - prędkość wiatru - charakterystyczny wymiar (np. średnica) przekroju poprzecznego opływanego elementu - lepkość kinematyczna płynu. Liczba Reynoldsa Re jest bezwymiarową wielkością charakteryzującą stosunek sił bezwładności do sił lepkości występujących podczas przepływu płynu [2]. Wartość liczby Re odpowiadającej zmianie przepływu laminarnego w turbulentny nazywamy krytyczną. Dla wartości podkrytycznych za opływanym obiektem tworzy się tak zwana ścieżka wirów. Na początku XX wieku badania nad tym zjawiskiem prowadzili Benard i Kármán (patrz rys.2.2.1. [25]).. 24.

(25) Rys.2.2.1 Ścieżka wirów Benarda – Kármána [25] Wiry Benarda – Kármána tworzą ścieżkę składająca się z odrywających się naprzemiennie wirów o przeciwnej rotacji. W latach 70-tych XIX wieku Strouhal [26] zaobserwował i opisał empiryczną relację ujmującą zależność częstotliwością f odrywania się wirów tworzących się wokół cylindrycznego elementu o określonej średnicy D ulokowanego na drodze laminarnej strugi wiatru, a jego prędkością ν i przedstawił ją w postaci:. f S. v D. (2.23). używając współczynnika proporcjonalności S. Zależność Strouhala w klasycznym przypadku odnosi się do sztywno zamocowanego cylindra, jednak nadając cylindrowi dodatkowy stopień swobody prostopadły do kierunku wiatru jak w modelu Olivera [27] (patrz rys.2.2.2).. Rys.2.2.2 Widok sztywnego cylindra zamontowanego elastycznie w strudze wiatru – istota modelu Olivera [9],[27]. 25.

(26) obserwuje się występowanie zmiennej w czasie aerodynamicznej siły nośnej wywołującej drgania (patrz rys.2.2.3).. Rys.2.2.3 Rozkład ciśnienia wiatru w czasie odrywania się wirów Benarda – Kármána w trzech punktach czasowych [28] Zjawisko poprzecznego oddziaływania wiatru na skutek odrywania się wirów określane jest przez inżynierię wiatrową jako wzbudzanie wiatrowe [28]. Jednym z rodzajów oscylacji wywołanych przepływem wiatru wokół przewodu są drgania eolskie. Ich nazwa wywodzi się od harfy eolskiej – instrumentu w którym napięte struny pobudzane są strumieniem powietrza [29]. Drgania te występują, gdy laminarna struga wiatru opływa przewód z niewielką prędkością, co odpowiada podkrytycznym wartościom liczby Reynoldsa Re . Takiemu oddziaływaniu towarzyszy tworzenie się wirów Benarda –Kármána, które poprzez odrywanie się od przewodu wytwarzają zmienną w czasie siłę nośną. Zjawisko drgań eolskich nasila się, gdy prędkość wiatru powoduje odrywanie się wirów Benarda –Kármána z częstotliwością zbliżoną do częstotliwości drgań własnych przewodu, co powoduje wystąpienie efektu rezonansowego wzmacniającego drgania [24], [28]. W wyniku tego zjawiska cały układ zaczyna oscylować z jedną częstotliwością zbliżoną do częstotliwości neutralnej przewodu [9]. Drgania eolskie charakteryzują się zazwyczaj niewielką amplitudą rzędu jednej do dwóch średnic przewodu oraz zróżnicowaną częstotliwością od kilku do ok. 100 Hz. Jednak literatura nie jest zgodna co do granicznych wartości prędkości wiatru jak i amplitudy oraz częstotliwości drgań eolskich [2], [22], [23]. Dla typowych średnic przewodów (15 ÷ 30 mm) oraz przy typowych prędkościach wiatru, przy których powstają drgania eolskie tj. 0,5m/s do 5m/s [9] (lub ponad 5 m/s w terenie pofałdowanym i ponad 10 m/s w terenie płaskim [22] w zależności od źródła), liczba Strouhala (wielkość bez wymiarowa) przyjmuje wartości w zakresie 0,18÷0,22 [2], [9], [23]. Należy jednak zaznaczyć, że podawane w literaturze wyniki badań różnią się wartościami parametrów przypisywanych drganiom eolskim. Drgania eolskie występują najczęściej w liniach o długich przęsłach, zatem głównie w liniach NN. Ponadto jak wykazują badania, Polska posiada dość niekorzystne warunki wiatrowe. Ze względu na położenie geograficzne i ukształtowanie terenu na większości obszaru przeważają wiatry wiejące z niewielkimi prędkościami i charakteryzujące się stosunkowo stałym przepływem. Prowadzone badania wykazały, że średnie prędkości wiatru, mierzone dla czasu uśredniania wynoszącego: 5 minut, 10 minut, a nawet 1 godzinę, nie różnią się znacząco. Tak więc pulsacje prędkości wiatru o okresach trwających ponad. 26.

(27) 5 minut prawie nie występują [28]. Przewód poddany takiemu oddziaływaniu narażony jest na zużycie zmęczeniowe [30÷33]. Nazwę galopowanie przewodów wprowadził amerykański uczony Den Hartog [24] na początku XX wieku. Jak podaje literatura drgania tego typu to domena chłodnego klimatu, gdyż występują one zazwyczaj w połączeniu z opadami marznącego deszczu [21, 31] prowadzącymi do osadzania się na powierzchni przewodu asymetrycznej warstwy lodu-sadzi (patrz rys.2.2.4).. Rys.2.2.4 Mechanizm osadzania się sadzi na wielodrutowym przewodzie napowietrznym [34] Zmiana geometrii przewodu prowadzi do zakłóceń przepływu powietrza, co powoduje zmianę rozkładu sił aerodynamicznych generowanych na przewodzie. W przypadku niesymetrycznego przekroju może dochodzić do sytuacji, w której składowa pionowa generowana przez wiatr będzie zgodna ze zwrotem ruchu przewodu. Spowoduje to szybkie narastanie amplitudy ruchu poprzez jej stopniowe cykliczne (przy każdym impulsie) zwiększanie (patrz rys. 2.2.5) [28].. Rys.2.2.5 Oddziaływanie wiatru na oblodzone przewody [28] 27.

(28) Zjawiskiem niezbędnym do wystąpienia tańca przewodów jest dość silny wiatr, który zainicjuje ruch przewodu, zazwyczaj 5 – 20 km/h [24]. Taniec przewodów charakteryzuje się niewielką częstotliwością zazwyczaj nie przekraczającą 1Hz oraz bardzo dużą amplitudą mogącą dojść wartością nawet do wartości zwisu przewodu. Podczas tego typu drgań przewód drga niemal prostopadle do kierunku wiatru tworząc w przęśle jedną lub dwie półfale [2]. Istnieje kilka przyczyn, dla których galopowanie przewodów jest niebezpieczne dla sieci elektroenergetycznej. Drgania przewodów o tak dużej amplitudzie mogą spowodować zwarcia zarówno do ziemne jak i między przewodami fazowymi. Ponadto zmienne obciążenia negatywnie wpływają na żywotność osprzętu (np. izolatorów) i konstrukcji wsporczych w ekstremalnym przypadku prowadząc do ich zniszczenia. Zgodnie z wciąż jeszcze stosowaną normą [3], w procesie projektowania pomija się wpływ obciążenia wiatrem na wartość naprężenia w przewodzie. Problem drgań przewodów linii elektroenergetycznych został sprowadzony w normie do stwierdzenia o zastosowaniu ochrony biernej oraz czynnej w razie wystąpienia ku temu przesłanek [3]. Obecnie najczęściej stosowana ochrona bierna polega na zawieszaniu przewodów z takim naprężeniem, aby przy temperaturze 10°C, naprężenie nie przekraczało 18% wytrzymałości przewodu na rozciąganie. Jednak badania CIGRE [22] doprowadziły do opracowania kryterium uwzględniającego budowę przewodu, rozpiętość przęsła oraz wpływ temperatury (patrz TAB.2.2.1). Zgodnie z tym kryterium naciąg przewodu (σ) w średniej temperaturze najzimniejszego miesiąca roku powinien być dobrany w taki sposób, aby stosunek naciągu przewodu do jego masy (g) nie przekraczał pewnej określonej z góry wartości [9]. TAB.2.2.1 Dopuszczalne wartości parametru σ/g dla różnych typów terenu, obowiązujące dla wszystkich typów przewodów bez tłumików [22] Typ 1 2 3. 4. Charakterystyka terenu Teren otwarty; równina; brak drzew i innych przeszkód; pokrywy śnieżne; duże zbiorniki wodne; pustynia Teren otwarty; równina; brak śniegu; teren rolniczy bez przeszkód; czas letni Teren otwarty pagórkowaty lub równinny; teren rolniczy z wieloma drzewami i żywopłotami; preria; tundra Teren zabudowany z drzewami; przedmieście mieszkalne; małe miasto; teren zalesiony; niewielkie pola z zaroślami, drzewami i żywopłotami. σ/g [m] 1000 1125 1225. 1425. Natomiast do ochrony czynnej zalicza się instalowanie tłumików drgań. Jednak zarówno norma [3] jak i [35] nie podają ani rodzaju ani rozmieszczenia potencjalnych urządzeń tłumiących. Podstawą do umiejscowienia tłumików drgań są najczęściej dane empiryczne. Jednym z pierwszych, który opracował skuteczny tłumik drgań dla przewodów napowietrznych był Stockbridge (1924) [36]. Tłumiki jego konstrukcji (patrz rys.2.2.6) jako jednorezonansowe zostały szybko zmodyfikowane przez Monroe i Templina [9] do postaci. 28.

(29) dwurezonansowej i w tej formie stanowią, jak dotąd, jedne z najpopularniejszych urządzeń tłumiących stosowanych w elektroenergetycznych liniach napowietrznych.. Rys. 2.2.6 Idea tłumika Stocbridge’a [9] Oczywiście nie jest to jedyna stosowana konstrukcja tłumiąca. Należy wymienić choćby konstrukcje (zwane szwedzkimi) firmy Elgra [13], tłumiki spiralne firmy Dulmison [37], czy pętle tłumienne różnej konstrukcji. Zestawienie przykładowych sposobów ograniczania drgań wiatrowych zamieszczono na diagramie (patrz rys.2.2.7). Sposoby ograniczania drgań wiatrowych Tłumienie bierne. Tłumienie aktywne Tłumiki drgań. Zmniejszenie naciągu przewodu. Specjalne konstrukcje przewodów. Tłumiki spiralne i pętle. Tłumiki z przeciwwagami. Pętle tłumienne typu festoon. Tłumik typu dogbone PFISTERER. Ograniczenie zwisu przewodu. Samotłumienny przewód ACSR-VR. Spirala tłumienna Dulmison Samotłumienny przewód ACSR-ES. Tłumik ELGRA. Rys. 2.2.7 Sposobów ograniczania drgań wiatrowych [9],[37],[38] Niezależnie od rodzaju głównym zadaniem tłumików drgań jest dyssypacja energii generowanej przez wiatr w przewodzie, a tym samym ograniczenie intensywności drgań i ograniczenia ich skutków, z których najpoważniejszymi są fretting i zmęczenie.. 29.

(30) 2.3 Zmęczenie przewodów Zmęczenie w napowietrznych liniach przesyłowych jest złożonym efektem oddziaływania między innymi zmiennych w czasie naprężeń, będących skutkiem drgań eolskich, wywołanych oddziaływaniem laminarnej strugi wiatru na przewody rozpięte w przęśle. Ponadto zmęczenie przewodów jest nierozerwalnie związane z występowaniem innych zjawisk generowanych drganiami wiatrowymi, w tym w szczególności z frettingiem, który potęguje podatność przewodów na rozwój procesów zmęczeniowych. Z praktyki wiadomo, że wytrzymałość zmęczeniowa konstrukcji wielodrutowej jest ok. trzy razy niższa od wytrzymałości jej elementów składowych. Chociaż zmęczenia naprężeniowego nie można utożsamiać z frettingiem, to obydwa zjawiska występują równocześnie w tym samym miejscu zawieszonego przewodu [9]. Zmęczenie zwłaszcza metali jest procesem, który znajduje się w obszarze zainteresowań naukowców i inżynierów od bardzo dawna. Pojęcie zmęczenia metali zostało wprowadzone do literatury w roku 1839 przez J. V. Ponceleta [39]. Zapewne jednak zagadnienie to zostało poruszone po raz pierwszy wcześniej na jego wykładach na Uniwersytecie w Paryżu [40]. Wtedy to zwrócono uwagę na fakt obniżenia się wytrzymałości konstrukcji stalowych w wyniku oddziaływania zmiennych w czasie obciążeń. Od roku 1852 badania nad zmęczeniem metali podejmuje A. Wöhler [41]. Opracował on wykresy S-N (wytrzymałości zmęczeniowej), czyli wykresy naprężenia zmiennego  a w funkcji ilości cykli N powodującej zniszczenie. Jego prace stały się podstawą dalszych badań i są wykorzystywane do tej pory. Badania zagadnienia od strony zmian strukturalnych zachodzących w materiale poddanym zjawiskom zmęczeniowym rozpoczynają prace J. A. Ewinga i C. W. Humfreya z 1903 roku [42], w których to opisane zostały ślady poślizgów w monokrysztale aluminium i w polikrystalicznym żelazie [40]. W latach 50-tych ubiegłego stulecia następuje wzmożone zainteresowanie problemami zagadnień zmęczeniowych trwające do dzisiaj. Spowodowane jest to rozwojem techniki i zapotrzebowaniem na konstrukcje inżynierskie, które przy zachowaniu bezpiecznej wytrzymałości zmęczeniowej spełnią także wymogi dotyczące minimalizacji masy i przekrojów elementów, a ponadto wymogi ekonomiczne. W przypadku złożonych konstrukcji, jakimi są przewody napowietrzne szczególnie ważne staje się przewidywanie ich żywotności w odniesieniu do zmęczenia. Jest to możliwe jedynie na drodze analizy wyników badań eksperymentalnych i rzeczywistych przypadków uszkodzeń przewodów wynikających ze złożenia zjawisk zmęczeniowych i frettingu. Typowe charakterystyki zmęczeniowe (wykresy Wöhlera) to wykresy opisują naprężenie σ w funkcji ilość cykli zmęczeniowych N do zniszczenia próbki. Cyklem naprężeń nazywa się okresowo zmienne naprężenie o wartościach zmieniających się w sposób ciągły w czasie jednego okresu. Okresowo zmienne naprężenia występujące w próbach zmęczeniowych mają najczęściej charakter sinusoidalny Należy je rozpatrywać jako wynik nałożenia składowej statycznej σm (naprężenie średnie) i wahadłowo zmieniającej się dynamicznej amplitudzie σa, co schematycznie przedstawiono na rys .2.3.1.. 30.

(31) Rys.2.3.1 Wielkości charakterystyczne naprężenia okresowo zmiennego. Ze względu na charakter procesów zmęczeniowych wykres Wöhlera przedstawiany jest najczęściej z logarytmiczną osią odciętych reprezentującą ilość cykli. Taki zabieg pozwala na prostsze przedstawienie wyników eksperymentów charakteryzujących się zazwyczaj znacznymi różnicami ilości cykli dla kolejnych punktów. W celu umożliwienia ekstrapolacji wyników dla dowolnej liczby cykli przeprowadza się wykres do postaci logarytm naprężenia – logarytm liczby cykli do zniszczenia log  a  C1  C2 log N  s. (2.24). gdzie:. C1 ,C2 - stałe s. - rozrzut wyników. Po podstawieniu Y  log  a. (2.25). X  log N. (2.26). Y  C1  C2 X. (2.27). linia prosta dana jest równaniem. Metoda ta pozwala na wyznaczenie minimalnej wartości liczby cykli do zniszczenia i jest w miarę dokładna dla zmęczenia niskocyklowego. Jest to podyktowane asymptotycznym charakterem zniszczenia zmęczeniowego w obszarze niskich naprężeń i dużej liczby cykli (patrz rys 2.3.2). Znajduje to potwierdzenie dla większości drutów z materiałów metalicznych.. 31.

(32) < 5·104 cykli. > 5·104÷2·106 cykli. > 2·106 cykli. >104÷109 cykli. Rys.2.3.2 Charakterystyki kształtu wykresu zmęczenia w zależności od ilości cykli [43] Rozpatrując jednak problem zmęczenia przewodów napowietrznych jako całych konstrukcji zauważamy, iż w wyniku oddziaływania frettingu wykres przyjmuje kształt paraboliczny [9]. Zakres niższej liczby cykli, w którym przeprowadza się eksperymenty podlega linearyzacji w postaci wzoru: Y  Y0  cX. (2.28). przy czym: Y0  C1. c  C2 Po przekroczeniu pewnej granicznej liczby cykli charakterystykę zmęczeniową ekstrapoluje się zależnością: P  Y0 X  cX 2. (2.29). Graficzną ilustrację opisanej procedury przedstawiono poniżej [9] (patrz rys. 2.3.3). 32.

(33) Rys.2.3.3 Procedura wyznaczania charakterystyki zmęczeniowej przewodu; zasady ekstrapolacji krzywej w zakresie wysokocyklowego i niskocyklowego zmęczenia [9],[44] Biorąc pod uwagę zjawiska zachodzące w przewodzie poddanemu cyklicznemu przeginaniu i analizując wykres porównujący wytrzymałość zmęczeniową drutów i przewodów (patrz rys.2.3.4) zauważamy, że przy tej samej amplitudzie przemiennego naprężenia wytrzymałość przewodów jest wielokrotnie niższa od wytrzymałości pojedynczych drutów z jakich składa się przewód. Jest to podyktowane złożeniem wielu czynników tj. amplitudy naprężenia dynamicznego, osiowego i promieniowego naprężenia normalnego, naprężeń zginających, ścinających i skręcających, ale przede wszystkim zjawiskiem frettingu [9]. MP a. Rys.2.3.4 Wykres S-N ; 1- CIGRE SBL - bezpieczna linia graniczna; 2 - przewody złożone; 3-druty aluminiowe; 4 – druty stopowe [33],[45],[46] Zdjęcia przełomu zmęczeniowego drutu stopowego i przewodu uszkodzonego w wyniku oddziaływania zmęczenia i frettingu. 33.

(34) Fretting powoduje lokalne osłabienie konstrukcji będąc źródłem karbów i mikropęknięć [47]. Raport grupy WG22 działającej w ramach CIGRE przypisuje frettingowi główną rolę w inicjacji pęknięć zmęczeniowych w przewodach napowietrznych [46], czego ilustracją może być rys.2.3.5.. zniszczenie typu A. zniszczenie typu B. Rys.2.3.5 Przewód z uwidocznionym pęknięciem zmęczeniowym drutu oraz skutkami korozji tarciowej. Morfologie przełomów zmęczeniowych z widocznymi ogniskami pęknięcia zmęczeniowego oraz śladami frettingu na powierzchni (typ zniszczenia A - wzdłużne ślady; typ zniszczenia B eliptyczne ślady pod kątem 30o do osi drutu) [41] Zgodnie z wiedzą literaturową jak i praktyczną, uszkodzenia zmęczeniowe najczęściej lokalizują się w pobliżu uchwytów mocujących przewód. Ocenia się, że największe zagrożenie frettingiem i zmęczeniem występuje w odległości do ok. 89mm (3,5 cala) od krawędzi uchwytu (patrz rys.2.3.6). Jest to powodowane spiętrzeniem naprężeń w tym przekroju.. 34.

(35) Rys.2.3.6 Zachowanie przewodu pod wpływem drgań eolskich w okolicach uchwytów[46],[48],[49] Należy zwrócić uwagę na fakt, iż pęknięcie nawet jednego drutu w przewodzie prowadzi do nieodwracalnych zmian, poprzez zmianę przekroju czynnego przewodu. Lokalnie wzrasta wytężenie przewodu (siła naciągu pozostaje stała), zmienia się moduł sztywności przewodu, ponadto wzrasta lokalnie temperatura. Wszystkie te czynniki działają niekorzystnie z punktu widzenia zmęczenia przewodu. Ponadto przewód poddawany jest stałemu działaniu drgań eolskich. Wynikiem zaistniałych warunków jest najczęściej lawinowe pękanie kolejnych drutów prowadzące do zniszczenia całego przewodu.. 35.

(36) 2.4 Fretting Jednym z najistotniejszych zjawisk jakie generują w przewodzie drgania jest fretting. W przypadku drgań eolskich proces ten ma szczególnie niebezpieczne skutki w postaci przyspieszonej degradacji własności mechanicznych przewodów i obniżenia ich wytrzymałości zmęczeniowej. Etymologia słowa fretting pochodzi od angielskiego czasownika „to frett”, co znaczy zużywać, uszkadzać lub robić ślady na czymś przez powtarzające się pocieranie lub uderzanie. (To frett-to wear away, damage or make a pattern on sth. by continua rubbing or bitting) [50]. Należy zwrócić uwagę na fakt, że w literaturze polskojęzycznej brak jest adekwatnego pojęcia mogącego zastąpić słowo fretting. Jest to spowodowane rozległością tego pojęcia. Spotykane polskie odpowiedniki oryginału takie jak np. zużycie cierne, czy korozja cierna nie opisują całości zagadnienia skupiając się jedynie na jego poszczególnych aspektach. Jedna z najczęściej przytaczanych definicji została sformułowana przez Organizację Współpracy Ekonomicznej i Rozwoju (OECD) definiując fretting jako zjawisko zużywania pojawiającej się na styku dwóch powierzchni będących we wzajemnym ruchu oscylacyjnym o małej amplitudzie. Jest to definicja bardzo ogólna, dlatego też wielu autorów, w zależności od ich obszaru zainteresowań, formułuje własne definicje kładące nacisk na rożne aspekty zjawiska (patrz TAB.2.4.1) [51]. TAB 2.4.1 Definicje frettingu kładące nacisk na różne jego aspekty [51÷58] Autor. Definicja. Uwagi. zjawisko względnego, oscylacyjnego ślizgania o małej amplitudzie, powierzchni będących w styku [52], [53]. ogólna definicja, nie uwzględniająca zasadniczych skutków frettingu. Sproles E.S., Duquette D.J., Gordelier S.C., Chivers T.C. zjawisko zużywania, wynikające ze względnego oscylacyjnego ślizgania, o małej amplitudzie, powierzchni będących w styku [54], [55], [56]. definicja eksponująca skutki zjawiska frettingu. Ohmae N., Tsukizoe T., Zhang X. i inni. forma zużycia, wywoływana przez względne, oscylacyjne ślizganie, o małej amplitudzie, powierzchni będących w styku [57]. definicja zawęża opisywane zjawisko kładąc nacisk na proces zużywania. zużycie w wyniku oscylacyjnego ruchu ślizgowego "poślizgu" o małej amplitudzie dwóch stykających się powierzchni. Jest on powodowany przez ruch wibracyjny o wysokiej częstotliwości i małej amplitudzie [58]. definicja przypisująca powstawanie frettingu głównie ruchowi wibracyjnemu, kładąca nacisk na zużycie. proces degradacji powierzchni wywołany czynnikami mechanicznymi i chemicznymi wywołanymi przez oscylacyjny wzajemny ruch o małej amplitudzie dwóch kontaktujących się powierzchni i jest sumą zużycia, korozji i zmęczenia. definicja uwzględniająca złożoność procesu frettingu. Brygman U., Soderberg S., Vingsbo O. i inni. Lindley T.C.. Fu Y., Wei J., Batchelor A.W.. 36.

(37) Prawdopodobnie najpełniejszą definicję fettingu w literaturze polskojęzycznej wprowadził w swej książce A. Neyman [51]. Określił on fretting jako proces niszczenia warstw wierzchnich wywoływany przez oscylacyjny, styczny ruch względny, o małej amplitudzie, kontaktujących się elementów. Definicja ta wprowadza pojęcie „zniszczenie” zamiast niejednoznacznego „zużycia” definiowanego zazwyczaj jako ubytek masy lub objętości, podczas gdy fretting ze względu na swoją złożoność może powodować zarówno zwiększenie chropowatości powierzchni jak i pęknięcia zmęczeniowe w zależności od stopnia zaawansowania procesu. W literaturze pojawia się wiele pojęć związanych z frettingiem nie będących jednocześnie jego synonimami. Pojęcia te można zdefiniować ze względu na skutek jaki wywołują zjawiska przez nie opisane. Zużycie frettingowe (fretting weare) jest sumą zużycia adhezyjnego, zmęczeniowego, ściernego i korozyjnego. Zjawisko to powoduje utratę masy i objętości elementu poddanego frettingowi, co prowadzi do zmiany warunków rozkładu obciążenia, a co za tym idzie do dalszych uszkodzeń. Korozja frettingowa (fretting corrosion) jest rodzajem zużycia frettingowego, w którym dominującą rolę odgrywa utlenianie warstwy wierzchniej materiału. Zmęczenie frettingowe lub inaczej zmęczenie w warunkach frettingu (fretting fatigue) występuje na powierzchniach elementów poddanych działaniu zmiennego obciążenia. Śledząc kolejne teorie [59÷82] na temat frettingu nie trudno dostrzec, iż koncepcje wyjaśniające przebieg zjawiska rozwijały się ewolucyjnie od form najprostszych, próbujących wyjaśnić całość zjawiska dominacją jednego procesu, po teorie uznające współistnienie różnych rodzajów zużycia przy zróżnicowanym akcentowaniu ich udziału i znaczenia. Nie ulega wątpliwości, że fretting jest zjawiskiem niezwykle złożonym posiadającym charakter synergiczny, obejmuje zarówno mechanizmy zużycia ciernego, adhezji, tworzenia i niszczenia mikrospoin, utleniania powierzchni jak i produktów zużycia, a ponadto odkształcenia plastycznego i zmęczenia. Fretting zaobserwowano stosunkowo późno w stosunku do innych procesów zachodzących w warstwie wierzchniej. Pomimo, iż intensywność tego procesu wydaje się być niewielka, to jest on szczególnie niebezpieczny z punktu widzenia wszelkiego rodzaju konstrukcji narażonych na oddziaływanie drgań. Problem ten dotyka również elektroenergetycznych linii napowietrznych. Cechami charakterystycznymi frettingu w przewodach napowietrznych są: — lokalizacja zużycia uzależniona od położenia punktów styku drutów wraz ze stanem powierzchni stykowych, — powstawanie, w miejscach poddanych frettingowi, szczególnie w początkowym etapie procesu, pęknięć zmęczeniowych znacznie obniżających wytrzymałość zmęczeniową materiału, — trudność w dostrzeżeniu rozwoju frettingu (analiza przyczyn uszkodzeń po zaistniałej awarii pozwala ocenić, że jej pierwotną przyczyną był fretting). Główną siłą pędną frettingu w napowietrznych przewodach elektroenergetycznych są drgania wywołane oddziaływaniem wiatru [47]. W wyniku obserwacji eksperymentalnych stwierdzono, iż fretting wygenerowany w czasie drgań eolskich może zachodzić w trzech podstawowych strefach w przewodzie w zależności od warunków obciążenia (patrz rys.2.4.1) [80]. 37.

(38) Rys.2.4.1 Obszary występowania frettingu w przewodzie [81] Obszary szczególnie narażone na fretting występują pomiędzy drutami ostatniej warstwy, a osprzętem takim jak klamry i zaciski (A), w punktach styku drutów z sąsiadujących warstw (B, D), lub pomiędzy drutami tej samej warstwy (C) [81]. Ponadto jak wykazują badania na korozję cierną w linii napowietrznej najbardziej narażony jest obszar przewodu zlokalizowany w okolicach osprzętu (patrz rys.2.3.2). Tam też następuje spiętrzenie naprężeń prowadzące do zwiększenia podatności przewodu na uszkodzenia zmęczeniowe (patrz rys.2.4.2), co przekłada się na większe zagrożenie dla linii przesyłowych. Należy zwrócić uwagę, iż fretting w znaczący sposób obniża odporność zmęczeniową przewodów. Łatwo zaobserwować ten efekt porównując charakterystyki zmęczeniowe drutów i przewodów z nich wykonanych (patrz rys.2.3.4).. Rys.2.4.2 Obszar uszkodzeń w miejscu występowanie frettingu (A), uszkodzenie na warstwie wewnętrznej (B) i zbliżenie na warstwę zewnętrzną (C) [82] 38.

(39) Nie ulega wątpliwości, że obok czynników materiałowych, wielkość zużycia ciernego w przewodzie napowietrznym jest funkcją warunków przebiegu frettingu, a w szczególności naprężeń kontaktowych pomiędzy drutami sąsiadujących warstw. Określenie wartości tych naprężeń w przewodzie jest niezwykle trudne. Wynika to głównie z faktu, iż naprężenie to nie jest stałe i jego wartość może znacznie różnić się w poszczególnych badaniach w zależności od przyjętych warunków i kryteriów pomiaru. Przykładem badań mających na celu ustalenie wpływu wielkości naprężenia kontaktowego na zużycie wynikające z frettingu mogą byś badania A. Cardou’e i współpracowników których przykład ilustruje rys.2.4.3.. Rys.2.4.3 Wielkość ubytku w funkcji obciążenia na jednostkę długości eliptycznego śladu frettingu gdzie 59 MPa i 12 MPa są naprężeniami na powierzchni styku między próbkami [83] W literaturze przedmiotu znajdujemy trzy podstawowe modele eksperymentalne zużycia przez fretting (patrz rys.2.4.4) [84]. Częściowo poślizgowe - charakterystyczne dla oddziaływania pomiędzy drutami występujące najczęściej przy wysokim obciążeniu obwodowym. Powoduje ono niewielkie usuwanie cząstek materiału, a do zniszczenia potrzeba dużej ilości cykli. Poślizgowe - charakterystyczne dla niskich i średnich naprężeń obwodowych w kontakcie drut-drut; podczas tego procesu odrywane są masywne cząsteczki, przez co szybko zwiększa się ubytek materiału, jednak ma to niewielki wpływ na ogólną wytrzymałość przewodu ze względu na lokalizację poza strefą najbardziej narażoną na pęknięcia zmęczeniowe. Najbardziej niebezpieczny jest mieszany system frettingu charakteryzujący się, co prawda, mniejszym niż dwa poprzednie ubytkiem materiału, jednak już po niewielkiej liczbie cykli występują stosunkowo duże pęknięcia. Dodatkowo wyraźnie widać strefę uplastyczniającą, która nie występowała w poprzednich przypadkach. W dodatku posiada szczególnie niekorzystne położenie ze względu na podatność zmęczeniową występując w mechaniczno naprężeniowych warunkach najczęściej spotykanych w okolicach uchwytów napowietrznych linii elektroenergetycznych. 39.