架空配電線路導(dǎo)線力學(xué)特性計算

楊利鳴，趙俊亞，黃 偉，徐月斌，劉慨然

（中能建天津電力設(shè)計院，天津300171）

配電網(wǎng)電力線路中架空配電線路仍占較大的比例，架空配電線路導(dǎo)線的選型直接影響電網(wǎng)運行性能和經(jīng)濟(jì)效益，因此研究計算架空配電線路的力學(xué)特性十分重要[1]。導(dǎo)線經(jīng)常受風(fēng)、冰等外荷載的作用，氣溫的劇烈變化以及化學(xué)氣體等的侵襲；且大跨越設(shè)計時需特殊考慮導(dǎo)線弧垂?jié)M足交叉跨越的相關(guān)規(guī)范要求[2-3]。文章就天津郊區(qū)架空導(dǎo)線跨越河道選用鋼芯絕緣導(dǎo)線為例，對電線的應(yīng)力弧垂等力學(xué)特性詳細(xì)計算[4]，從而選擇合適材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線。

1 架空導(dǎo)線力學(xué)特性計算

1.1 計算氣象條件

設(shè)計氣象條件應(yīng)根據(jù)沿線的氣象資料和附近已有線路的運行經(jīng)驗確定，本文結(jié)合天津地區(qū)氣象資料選擇配電線路運行氣象條件，見表1，各供電區(qū)域可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料進(jìn)行氣象條件的調(diào)整。

表1 計算氣象條件

1.2 電線比載計算

電線比載反映了導(dǎo)線自身機(jī)械特性，并組合不同氣象條件，反映一定程度的自然變化對導(dǎo)線機(jī)械特性的影響，計算公式如表2。

表2 電線比載計算

其中沿整個檔距內(nèi)電線各點的風(fēng)速，不可能都相同，其不均勻度隨風(fēng)速、檔距增加而加大，為考慮整檔電線所受風(fēng)荷載與設(shè)計選用整檔同一的風(fēng)速相吻合，可采用如表3、表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計算。

表3 電線風(fēng)壓不均系數(shù)α

表4 電線受風(fēng)體型系數(shù)μsc

電線體型系數(shù)，采用水平風(fēng)向與電線軸線成90°時的值。

1.3 可能的控制條件

電線發(fā)生最大應(yīng)力時，應(yīng)具有一定的安全系數(shù)。設(shè)計規(guī)程規(guī)定，電線的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，年平均應(yīng)力安全系數(shù)25%。則可采用以下公式進(jìn)行最大使用應(yīng)力和年平均運行應(yīng)力的計算。

式中：σm-最大使用應(yīng)力，N/mm2；σpj-年平均運行應(yīng)力，N/mm2；σts-電線的拉斷力，N/mm2；K-年平均應(yīng)力安全系數(shù)。

之后可根據(jù)電線比載和計算得到的應(yīng)力對大檔距時導(dǎo)線的可能控制條件進(jìn)行分析計算，如表5所示。

表5 可能控制條件表

1.4 臨界檔距計算

電線上的應(yīng)力隨著氣象情況而變化，如果對于某一種氣象情況，指定其應(yīng)力不得超過某一數(shù)值，則該情況就成為設(shè)計中的一個控制條件，如最大使用應(yīng)力和平均運行運力，其相應(yīng)的氣象條件，為最大荷載，最低氣溫及平均氣溫。因此，這些氣象情況就成為幾個不同的控制條件，在各代表檔距下，電線應(yīng)力均不應(yīng)超出各控制條件。

因此設(shè)計中在確定了最大使用應(yīng)力和平均運行應(yīng)力的數(shù)值后，還必須根據(jù)指定的可能控制條件算出互相結(jié)合的臨界檔距，并判斷出有效臨界檔距，劃分出各有效控制條件起控制作用的檔距范圍，從而計算其氣象條件下的應(yīng)力和弧垂，進(jìn)而保證導(dǎo)線的應(yīng)力值在任何檔距下均不超過所選定的最大使用應(yīng)力或平均運行應(yīng)力。臨界檔距計算公式：

式中：lcr-臨界檔距，m；σm、σn-分別為兩種控制條件下允許的使用應(yīng)力，N/mm2；γm、γn-分別為兩種控制條件下的電線比載，N/（m.mm2）；tm、tn-分別為兩種控制條件下的氣溫，℃；E-電線的彈性系數(shù)；a-電線的溫度伸長系數(shù)，1/℃。

最低氣溫、年平均氣溫、最大風(fēng)速、最大覆冰四個控制條件，兩兩組合即可得到6個臨界檔距。但真正有意義的臨界檔距最多不超過3個，最少為0。相鄰有效控制條件間的臨界檔距稱之為“有效臨界檔距”，判別臨界檔距的步驟為：

（1）按照四個控制條件下的γ/σk值的大小，由小到大分別以A、B、C、D表示，如表5所示。

（2）將算得的lcr按A、B、C三種控制條件，各與其他控制條件組合順序排列如表6。

表6 控制條件順序表

先從γ/σk值最小的A欄內(nèi)開始識別，取該欄中最小的一個臨界檔距（不是虛數(shù)或0），如果該檔距值為正實數(shù)，則此檔距即為第一個“有效臨界檔距”（如lcr(AB)），該有效臨界檔距為A情況控制的檔距上限，此時A、B為有效控制條件。緊接著對第一個有效臨界檔距后一個注腳所代表的情況欄進(jìn)行識別。依上述選擇原則，選出第二個有效臨界檔距（如lcr(BC)）。若第一“有效臨界檔距”為lcr(AC)），則B被“隔越”，B欄則全被舍去（即B為無效控制條件）。根據(jù)上述原則，以此類推判別到最后一欄。

1.5 電線張力弧垂的計算

1.5.1 電線張力計算

懸掛等高的電線狀態(tài)方程：

則式（4）可化簡為：

式中：σm、σ-分別為已知和待求情況下的電線最低點的水平應(yīng)力，N/mm2；γm、γ-分別為已知和待求情況下的電線比載，N/（m.mm2）；tm、t-分別為已知和待求情況下的氣溫，℃；l-電線檔距，m。

式（5）中，b值永遠(yuǎn)為正，而a值可正可負(fù)，為便于討論，將a值的正負(fù)號分出來，即為：

設(shè)狀態(tài)方程式的判別式為：

則當(dāng)Δ≥1時，設(shè)θ=ch-1Δ，可得

則當(dāng)Δ＜1時，設(shè)θ=cos-1Δ，可得

1.5.2 最大弧垂判別及計算

為計算電線對低或其他跨越物間距，往往需要知道電線可能發(fā)生的最大垂直弧垂。最大弧垂可能發(fā)生在最高溫時或最大垂直荷載時（如覆冰），由γ/σk值的大小而定。也有用“臨界溫度”“臨界比載”來判別。臨界溫度及臨界比載均是基于電線覆冰時該氣溫或該覆冰比載下電線發(fā)生的弧垂與最高氣溫時的垂直弧垂相等的情況下求出的，判斷最大弧垂不夠直觀。最簡單的是最大弧垂比較法：

式中：fm-檔距中央導(dǎo)線最大弧垂，m；σ0-電線各點的水平應(yīng)力，N/（m.mm2）。

2 架空導(dǎo)線力學(xué)特性計算實例

本次天津郊區(qū)架空導(dǎo)線跨越河道需采用大檔距，工程選用拉斷力較大的10kV架空鋼芯絕緣鋁導(dǎo)線。工程調(diào)研國內(nèi)目前多家導(dǎo)線廠家的10kV架空鋼芯絕緣鋁導(dǎo)線的參數(shù)，并與國家電網(wǎng)典型設(shè)計中導(dǎo)線參數(shù)作對比，本文選用導(dǎo)體拉斷力最小的廠家數(shù)據(jù)計算，得到國內(nèi)目前10kV架空鋼芯絕緣鋁導(dǎo)線的計算參數(shù)如表7：

表7 10kV架空鋼芯絕緣鋁導(dǎo)線的計算參數(shù)

本文以JKLGYJ-240/40導(dǎo)線為例進(jìn)行計算，采用上述架空導(dǎo)線力學(xué)特性計算方法，算得JKLGYJ-240/40在各檔距下，導(dǎo)線的有效臨界檔距如表8所示，導(dǎo)線的張力和弧垂如表9所示。

表8 控制條件下臨界檔距計算表

表9 規(guī)律檔距下導(dǎo)線力學(xué)特性表（JKLGYJ-240/40）

由表8可知導(dǎo)線JKLGYJ-240/40在進(jìn)行大檔距架設(shè)時的在有效控制條件最低氣溫和最大覆冰下的有效臨界檔距為132.1m，則以有效臨界檔距132m為最大計算檔距，可通過公式（6）和公式（7）計算的如表9所示的規(guī)律檔距下的導(dǎo)線張力和弧垂。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過導(dǎo)線的力學(xué)特性計算對導(dǎo)線的張力和弧垂有了直觀的認(rèn)識，而架空配電線路導(dǎo)線的力學(xué)特性直接影響了線路檔距、桿塔、金具的選擇，計算不同導(dǎo)線類型在各個檔距下的張力和弧垂，便于架空配電線路的建設(shè)實施，并為后期架空配電線路的安全穩(wěn)定運行進(jìn)行預(yù)先驗證。