Studies on fatigue of two contacting wires of overhead conductors : experiments and modeling

Abstract

Cabos condutores de energia estão sujeitos ao processo de fadiga quando submetidos a vibrações induzidas pelo vento. As falhas por fadiga são encontradas normalmente em fios localizados em regiões onde o movimento do cabo é restringido como, por exemplo, em grampos de suspensão e amortecedores de vibração. Mais especificamente, as falhas por fadiga em cabos condutores de energia ocorrem na região de contato entre fios ou entre fios da camada externa e o grampo de suspensão. Portanto, entender interações de contato locais pode resultar em uma melhor compreensão do comportamento à fadiga do cabo. O objetivo deste trabalho é apresentar contribuições a respeito do processo de fadiga associado ao contato entre fios de cabos condutores de energia. O trabalho é apresentado em duas partes. Na primeira parte, um modelo para predição de vida de dois fios de cabos condutores de energia em contato sob condições de fadiga é desenvolvido. Para levar em consideração o alto gradiente de tensão logo abaixo do contato, é feita uma média da distribuição de tensão na zona de dano do fio. O tamanho característico da zona de dano é determinado pelo ajuste do modelo a dados experimentais de corpos de prova contendo entalhes afiados. A avaliação do modelo de fadiga foi feita utilizando fios da liga de alumínio 1350-H19, retirados do cabo CAA Ibis 397.5 MCM. Dados de fadiga dos fios em contato foram obtidos para cargas de contato normais iguais a 250 N e 500 N. O ângulo de inclinação entre fios era 29°, similar ao ângulo entre fios de camadas adjacentes do cabo Ibis. Para calibrar o modelo, dados experimentais de fios lisos, fios com entalhe circunferencial em V e fios com furo transversal sob carregamentos totalmente alternados foram obtidos. A maior parte das vidas previstas estão dentro do fator 3, similar a faixa de dispersão dos dados de calibração do modelo. Na segunda parte do trabalho, é apresentada uma metodologia numérico-experimental para determinar condições de carregamento de fios em contato do cabo CAL 900 MCM. Primeiramente, 9 condutores previamente testados na bancada de ensaios de cabos de transmissão de energia da Universidade de Brasília foram examinados e regiões onde as rupturas ocorreram foram identificadas. A maior parte das falhas foram detectadas na região superior da camada mais externa do cabo, próxima ao grampo de suspensão. Tensões cíclicas e estáticas em fios da região crítica de falha do cabo foram calculadas a partir de medidas obtidas de strain gages em ensaios adicionais no cabo. Identificou-se que fios na região de falha do cabo podem estar submetidos a carregamentos estáticos até 4,57 vezes maior do que na região de vão livre do cabo, enquanto que a amplitude de tensão encontrada durante o ensaio cíclico é similar ao previsto pelo modelo de Poffenberger–Swart. Para determinar a carga normal de contato entre os fios, foram feitas simulações elasto-plásticas do contato normal entre os fios utilizando o método de elementos finitos. Os resultados das simulações foram comparados às marcas da região crítica do cabo. Constatou-se que as cargas de contato podem variar entre 100 N e 1290 N na região analisada.