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      架空線抗彎剛度及其計(jì)算方法探析

      2014-04-01 02:03:06祝益民
      機(jī)電信息 2014年33期
      關(guān)鍵詞:絞線架空線慣性矩

      陳 亦 祝益民

      (1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局,廣東 江門529000;2.浙江雷鳥智能電網(wǎng)技術(shù)有限公司,浙江 杭州311121)

      0 引言

      輸電線路在線監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要功能是對(duì)導(dǎo)線的微風(fēng)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),即通過直接測(cè)量懸垂線夾附近的彎曲振幅[1](線夾出口89 mm處的彎曲振幅),計(jì)算得到線夾出口動(dòng)彎應(yīng)變的大小,并在此基礎(chǔ)上對(duì)線路的微風(fēng)振動(dòng)狀況及導(dǎo)線預(yù)期壽命進(jìn)行評(píng)估。

      1 抗彎剛度的概念

      材料力學(xué)中的抗彎剛度指的是物體抵抗其彎曲變形的能力。對(duì)于大部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變形單一的構(gòu)件來說,只要求出了慣性矩,一切都變得非常簡(jiǎn)單。但是,對(duì)于像架空線這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有組合變形特點(diǎn)的構(gòu)件來說,抗彎剛度的真實(shí)值的識(shí)別又變得異常復(fù)雜。

      2 架空線抗彎剛度的特點(diǎn)

      許多實(shí)踐證明,除了結(jié)構(gòu)本身因素外[2],影響索結(jié)構(gòu)的抗彎剛度的最重要因素是作用于索結(jié)構(gòu)上的張力T,其相關(guān)度r可達(dá)0.999 2,且抗彎剛度與張力T之間存在很好的線性關(guān)系。架空線導(dǎo)線張力對(duì)抗彎剛度的影響主要以兩種形式出現(xiàn):(1)當(dāng)架空線不受力(張力為0)時(shí),絞線截面的慣性矩就是各根鋁線和鋼絲的慣性矩的代數(shù)和;而在實(shí)際工程中,當(dāng)絞線承受了一定的張力時(shí),各單線之間的粘結(jié)作用不可忽略,此時(shí)需要考慮架空線的整體作用。(2)當(dāng)架空線承受張力時(shí),張力會(huì)導(dǎo)致架空線產(chǎn)生彈性形變,使架空線的長(zhǎng)度增加、截面積減小,而截面積減小的同時(shí)截面的慣性矩也減小了。因此,這兩種影響方式在效果上是相反的。就鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)特征和其應(yīng)用特點(diǎn)來說,我們認(rèn)為該結(jié)論可以應(yīng)用于具體的架空線抗彎剛度識(shí)別的實(shí)踐當(dāng)中。

      3 架空線抗彎剛度的計(jì)算方法

      目前在輸電線路領(lǐng)域,求得架空線抗彎剛度的方法主要有以下幾種:

      (1)通過實(shí)驗(yàn)得到:對(duì)樣品整體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),從而得到樣品在不同受力狀況下的抗彎剛度值。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)正確,能真正反映導(dǎo)/地線的抗彎特性;缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)的工作量較大,費(fèi)用較高。

      (2)通過公式計(jì)算得到:目前國(guó)內(nèi)較常用的計(jì)算方法有兩種,一是整體計(jì)算法,二是分股計(jì)算法。

      1)整體計(jì)算法:

      整體計(jì)算法就是由下式計(jì)算得到:

      式中,E為導(dǎo)/地線的最終彈性系數(shù)(N/mm2),可由導(dǎo)/地線參數(shù)表查得;D 為導(dǎo)線外徑(mm);EI為導(dǎo)線抗彎剛度(N·mm2)。

      2)分股計(jì)算法:

      分股計(jì)算法即分別計(jì)算鋼股和鋁股的抗彎剛度再求和的方法。分股計(jì)算抗彎剛度時(shí),鋁股的彈性系數(shù)值約為68.67 GPa,鋼股的彈性系數(shù)值約為206 GPa。

      兩種理論方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)便,可以很快得到EI值,但各有其缺點(diǎn)。整體計(jì)算法將整根絞線考慮成了一根中間無縫隙的單股線,忽視了導(dǎo)/地線各股之間的空隙對(duì)導(dǎo)線整體抗彎剛度性能的影響,因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相比往往偏大;而分股計(jì)算法在慣性矩計(jì)算方面只是簡(jiǎn)單地將各股自身的形心作為其形心來進(jìn)行計(jì)算,忽略了絞線的整體性以及各股之間的聯(lián)系和相互影響,這與絞線的實(shí)際結(jié)構(gòu)存在很大的區(qū)別,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相比往往偏小。

      在此我們介紹一種較簡(jiǎn)便又切合輸電線路實(shí)際的導(dǎo)/地線抗彎剛度的計(jì)算方法,其主要思路如下:

      (1)將抗彎剛度依導(dǎo)/地線運(yùn)行狀態(tài)的不同分為最小抗彎剛度、最大抗彎剛度和有效抗彎剛度3類。其中最大抗彎剛度對(duì)應(yīng)的是考慮最大慣性矩下的導(dǎo)/地線抗彎剛度,最小抗彎剛度與分股計(jì)算法的導(dǎo)/地線抗彎剛度相一致,有效抗彎剛度則是在最大抗彎剛度的基礎(chǔ)上,充分考慮了絞線的結(jié)構(gòu)特征和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)得出的最終結(jié)果。

      (2)最小抗彎剛度計(jì)算公式:

      式中,Ea=Ee=69.0 k N/mm2(對(duì)于 AAC、AAAC或 ACAR導(dǎo)線),Ea=193.1 k N/mm2、Ee=69.0 k N/mm2(對(duì)于 ACSR 或AACSR導(dǎo)線);nfa為鋼芯區(qū)芯線數(shù)量;nfe為包覆區(qū)芯線數(shù)量;da為鋼芯區(qū)線材的直徑(mm);de為包覆區(qū)線材的外徑(mm)。

      (3)最大抗彎剛度計(jì)算公式:

      式中,nai為鋼芯區(qū)第i層芯線數(shù)量;nei為包覆區(qū)第i層芯線數(shù)量;Dai為鋼芯區(qū)第i層外徑(mm);Dei為包覆區(qū)第i層外徑(mm);Na為鋼芯區(qū)的層數(shù)(不包括中心芯線);Ne為鋁線包覆區(qū)的層數(shù)。

      (4)有效抗彎剛度計(jì)算公式:

      (5)對(duì)于導(dǎo)線出口處安裝有護(hù)線條部分的有效抗彎剛度的計(jì)算,可按下式進(jìn)行:

      其中:

      式中,nar為護(hù)線條的數(shù)量;dar為護(hù)線條的外徑(mm);Ear=69.0 k N/mm2(對(duì)于鋁或鋁合金護(hù)線條),Ear=193.1 k N/mm2(對(duì)于鍍鋅鋼護(hù)線條)。

      4 證例

      500 k V五獅線采用的導(dǎo)線為特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線,型號(hào)為KTACSR/EST-1000,其中鋼芯區(qū)由4層組成,所用材料為特強(qiáng)鋼芯線,各層芯線數(shù)分別為1、6、12、18根,鋼芯區(qū)外徑為21.0 mm,芯線外徑為3.0 mm;包覆區(qū)由3層組成,所用材料為高強(qiáng)度耐熱鋁合金線,各層芯線數(shù)分別為18、24、30根,包覆區(qū)外徑為46.2 mm,芯線外徑為4.2 mm。此外,懸垂線夾處還安裝有預(yù)絞絲護(hù)線條,預(yù)絞絲護(hù)線條所形成的保護(hù)區(qū)長(zhǎng)度為4 m,護(hù)線條材料的外徑為7.8 mm,根數(shù)為20根。導(dǎo)線平均運(yùn)行水平張力為123 500 N,測(cè)得89 mm處的彎曲振幅為0.12 mm(倒裝法),求其相應(yīng)的動(dòng)彎應(yīng)變值。

      (1)最小抗彎剛度計(jì)算:

      (2)最大抗彎剛度計(jì)算:

      其中:

      故:

      EIG=(3.14/64)×[193.1×32×(32+22 572)+69×4.22×229 037.76]=15 602 813.1 k N·mm2

      (3)有效抗彎剛度計(jì)算:

      由于導(dǎo)線出口處安裝有護(hù)線條,則:

      其中:

      故:

      5 結(jié)語

      本文所推薦的架空線抗彎剛度計(jì)算方法簡(jiǎn)便有效,且充分考慮了架空線本身的結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn),可為導(dǎo)/地線微風(fēng)振動(dòng)計(jì)算、跳線抗彎剛度計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域提供一種快速、準(zhǔn)確獲得抗彎剛度參數(shù)的途徑。

      [1]潘忠華,徐乃管,陳露娟.懸垂線夾出口處動(dòng)彎應(yīng)變與彎曲振幅關(guān)系的探討[J].中國(guó)電力,1982,15(12)

      [2]謝曉峰.索的抗彎剛度識(shí)別方法研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2012

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