歐陽克儉，劉純，陳軍君，謝億

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007)

500kV 輸電線路作為重要的生命線工程，其電線(導(dǎo)、地線)線徑大、大檔距多，跨越區(qū)域地形、氣候復(fù)雜〔1－2〕。桿塔結(jié)構(gòu)受力由電線傳遞，正確的電線放線應(yīng)力關(guān)系到桿塔運(yùn)行安全。設(shè)計(jì)校核作為施工前的最后一道技術(shù)工序，可校核檢驗(yàn)設(shè)計(jì)誤差，確保工程施工安全和質(zhì)量〔3－4〕。文中基于電線力學(xué)基本理論，采用數(shù)值迭代計(jì)算法，編寫了電線放線應(yīng)力弧垂設(shè)計(jì)校核計(jì)算程序，并以某500 kV 線路為案例，開展了校核計(jì)算。至今，已對不同電壓等級的多條輸電線路進(jìn)行了放線應(yīng)力弧垂校核計(jì)算，計(jì)算結(jié)論正確，程序運(yùn)行穩(wěn)定。

1 放線應(yīng)力弧垂計(jì)算規(guī)程要求

在進(jìn)行電線放線應(yīng)力弧垂設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)選取氣象條件和安全系數(shù)計(jì)算，一般情況下，從工程設(shè)計(jì)角度分析，作為控制的氣象條件有4 種〔5〕:1)周圍環(huán)境氣溫最低、無冰、無風(fēng);2)有最大的風(fēng)速與相應(yīng)的氣溫、無冰;3)覆冰，氣溫t =－5 ℃、有相應(yīng)的風(fēng)速;4)按當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜鉁?，而且認(rèn)為可能發(fā)生振動(dòng)，無冰、無風(fēng)、電線應(yīng)力按電線破壞應(yīng)力的25%計(jì)算。

文獻(xiàn)〔6〕規(guī)定:電線在弧垂最低點(diǎn)的最大應(yīng)力，是以安全系數(shù)K 除電線的破壞應(yīng)力σp，得到用公式表示為

式中 σmax為電線在弧垂最低點(diǎn)最大應(yīng)力;σP為導(dǎo)線或地線的瞬時(shí)破壞應(yīng)力;K 為導(dǎo)、地線安全系數(shù)。

導(dǎo)線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)選取不應(yīng)小于2.5;地線安全系數(shù)宜大于導(dǎo)線;在有防振措施的情況下，導(dǎo)地線的平均運(yùn)行應(yīng)力不得超過破壞應(yīng)力的25%。

2 放線應(yīng)力弧垂計(jì)算

從一種確定狀態(tài)下的電線應(yīng)力推求某一未知狀態(tài)下的電線應(yīng)力時(shí)，基本原理是基于2 種狀態(tài)下電線長度之間的關(guān)系建立對應(yīng)的應(yīng)力關(guān)系。即當(dāng)電線懸掛點(diǎn)之間的距離固定時(shí)，計(jì)算出2 種不同氣象條件下的幾何線長，可以通過線長相等原則換算另一狀態(tài)的導(dǎo)線應(yīng)力，電線狀態(tài)方程表述為:

當(dāng)已知1，2，…，n 個(gè)應(yīng)力限定條件時(shí)，其相應(yīng)的參數(shù)為γmx，tmx，σmx，將它們分別代入狀態(tài)方程，則式(2)可寫為

從式(2)可知，電線放線應(yīng)力計(jì)算首先需要獲得不同檔距下的已知條件，這個(gè)已知條件稱為“控制條件”，對應(yīng)的檔距稱為“臨界檔距”。

在式(3)中若令系數(shù)

則其中的Fm最大者為推求應(yīng)力的“控制條件”，那么只需將上式中的檔距為變量，通過對比各限定條件的Fm值即可選出控制條件和有效臨界檔距。

根據(jù)式(2)，將控制氣象情況下的比載、氣溫和許用應(yīng)力作為已知數(shù)據(jù)，將待求電線應(yīng)力的氣象條件的比載、氣溫作為另一種氣象情況下的數(shù)據(jù)代入狀態(tài)方程，即可得到各種待求狀態(tài)下的電線應(yīng)力。

則式(3)可寫為如下的一元三次方程

采用數(shù)值計(jì)算方法可以求解式(5)并得到滿意的結(jié)果。

在計(jì)算得到放線應(yīng)力之后，可以通過式(6)求得弧垂:

式中 φ 為懸掛點(diǎn)的高差角。

3 校核計(jì)算程序開發(fā)

通過文獻(xiàn)〔6－7〕，可以查得待計(jì)算電線的物理特性參數(shù)(直徑、單位重量、面積、彈性模量、溫度膨脹系數(shù)等)。通過輸入最大覆冰厚度、設(shè)計(jì)風(fēng)速程序可以自動(dòng)求得電線的體型系數(shù)和風(fēng)壓不均勻系數(shù)。根據(jù)常規(guī)電線應(yīng)力值，輸入電線水平應(yīng)力初始值，程序即可計(jì)算得出電線的放線應(yīng)力和弧垂(百米弧垂)，在求得放線應(yīng)力的基礎(chǔ)上，通過安全系數(shù)計(jì)算放線應(yīng)力取值區(qū)間，進(jìn)而判別校核計(jì)算結(jié)果的正誤。設(shè)計(jì)校核計(jì)算程序?qū)⒎啪€應(yīng)力和弧垂自動(dòng)輸出在同一張圖上，便于對比分析。具體程序流程如圖1 所示。

圖1 校核計(jì)算程序流程框圖

4 設(shè)計(jì)校核計(jì)算工程案例

4.1 工程概況

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，參考相關(guān)資料，某500 kV 試驗(yàn)線路設(shè)計(jì)大風(fēng)為27 m/s ，設(shè)計(jì)覆冰厚度為50 mm，導(dǎo)、地線特性參數(shù)見表1，輸電線路耐張段如圖2 所示。

表1 電線特性參數(shù)

圖2 線路三維圖形

4.2 校核計(jì)算結(jié)果

地線(XGJ－180)設(shè)計(jì)校核值與錯(cuò)誤設(shè)計(jì)值的對比見表2。限于篇幅，文中只給出5 個(gè)典型代表檔距和對應(yīng)4 個(gè)氣溫值的放線應(yīng)力。正確的放線應(yīng)力在不同溫度、不同代表檔距的應(yīng)力值在45 MPa左右，其中溫度為5 ℃，代表檔距350 m 時(shí)，放線應(yīng)力值為45.03 MPa，對應(yīng)弧垂為4.286 m。設(shè)計(jì)院給出的地線放線應(yīng)力表中對應(yīng)條件下的放線應(yīng)力值僅為5.22 MPa，對應(yīng)的弧垂值為36.975 m。兩者進(jìn)行對比分析，差值接近一個(gè)數(shù)量級(85%左右)，說明放線應(yīng)力弧垂設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

導(dǎo)線(JLHA1/G1A－460/60)放線應(yīng)力在不同溫度、不同代表檔距的應(yīng)力值在18 MPa 左右，其中溫度為－5 ℃，代表檔距350 m 時(shí)，放線應(yīng)力值為18.22 MPa。導(dǎo)線放線應(yīng)力設(shè)計(jì)值與校核計(jì)算結(jié)果吻合，設(shè)計(jì)無誤。

表2 地線放線應(yīng)力設(shè)計(jì)校核值與錯(cuò)誤設(shè)計(jì)值對比

5 結(jié)論

文中開發(fā)了輸電線路放線應(yīng)力弧垂設(shè)計(jì)校核程序，并對某500 kV 試驗(yàn)線路進(jìn)行了導(dǎo)地線放線應(yīng)力弧垂設(shè)計(jì)校核。

地線型號XGJ－180 放線應(yīng)力表數(shù)據(jù)計(jì)算錯(cuò)誤，給出的350 m 代表檔距在溫度為5 ℃的放線應(yīng)力值僅為5.22 MPa，而相對應(yīng)的正確值應(yīng)為45.03 MPa。對比分析確定，如采用錯(cuò)誤放線應(yīng)力值，最終將導(dǎo)致施工放線弧垂錯(cuò)誤，要求設(shè)計(jì)方進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和出圖，確保了工程安全和順利竣工。

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〔6〕國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會． DL/T5092—1999 110～500 kV 架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程〔S〕． 北京:中國電力出版社，1999．

〔7〕中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會． GB 3428—2012 架空絞線用鍍鋅鋼線〔S〕． 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013．