［關(guān)鍵詞］架空輸電線路；導(dǎo)線模型；孤立檔；電力系統(tǒng)

架空輸電線路設(shè)計(jì)的科學(xué)性直接關(guān)系到整個(gè)輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。受氣象條件、地理環(huán)境以及地質(zhì)等因素的影響，在對(duì)架空輸電線路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須考慮導(dǎo)線模型的建立與孤立檔的計(jì)算。導(dǎo)線模型不僅關(guān)系到線路的力學(xué)性能和電磁性能，而且對(duì)輸電線路的安全性和經(jīng)濟(jì)性有著直接影響。孤立檔計(jì)算則涉及導(dǎo)線在不同氣象條件下的動(dòng)態(tài)行為，對(duì)于線路能否在極端氣候下安全運(yùn)行十分重要。

為了提高輸電系統(tǒng)的性能，提出一種基于導(dǎo)線模型和孤立檔計(jì)算的架空輸電線路設(shè)計(jì)方法，期望通過(guò)該方法促進(jìn)電力系統(tǒng)朝著安全、高效的方向發(fā)展。

1 基于導(dǎo)線模型的架空輸電線路設(shè)計(jì)

在架空輸電線路設(shè)計(jì)中，可供選擇的導(dǎo)線類(lèi)型較多，包括傳統(tǒng)的鍍鋅鋼絞線、鋁包鋼絞線，以及新型的碳纖維復(fù)合芯鋁絞線和鋼芯耐熱鋁合金絞線等。不同導(dǎo)線模型的輸電線路設(shè)計(jì)計(jì)算方法不同。鑒于鋼芯耐熱鋁合金絞線在耐高溫、抗腐蝕等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，研究選擇其進(jìn)行計(jì)算。該導(dǎo)線通過(guò)兩根不同的單股線絞合而成，電阻較低，且導(dǎo)線整體性能較好。兩根導(dǎo)線絞合后，由于兩者之間聯(lián)系緊密，沒(méi)有產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，則絞線整體的力學(xué)參數(shù)不變。首先計(jì)算出絞線各部分的應(yīng)變，計(jì)算方法如下式所示。

式中，φS為絞合線中鋼芯的應(yīng)變，TS為鋼芯受到的拉力，ES為鋼芯的彈性系數(shù)，AS為鋼芯的面積，φA為絞合線中鋁合金的應(yīng)變，TA為鋁合金受到的拉力，EA為鋁合金的彈性系數(shù)，AA為鋁合金的面積，φD為導(dǎo)線受到的拉力，TD為絞合線中導(dǎo)線的應(yīng)變，ED為導(dǎo)線的彈性系數(shù)，AD為導(dǎo)線的面積。

其中，拉力單位為N，彈性系數(shù)的單位為Gpa，膨脹系數(shù)的單位為1/℃。由于絞線各部分的參數(shù)相等，則能夠計(jì)算出絞線的彈性系數(shù)，計(jì)算方法如下式所示。

在鋼芯耐熱鋁合金絞線中，鋼芯位于絞線內(nèi)部，而鋁合金位于絞線外部，鋼絲受熱會(huì)變長(zhǎng)，鋁絲受熱則會(huì)變短，從而可以計(jì)算出導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)，計(jì)算方法如下式所示。

式中，αD為導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)，αS為鋼絲的熱膨脹系數(shù)，αA為鋁合金的熱膨脹系數(shù)。

計(jì)算導(dǎo)線的應(yīng)力與比載，應(yīng)力一般取輸電線路最低點(diǎn)應(yīng)力。比載即導(dǎo)線受到的機(jī)械荷載，主要包括7種，計(jì)算方法如下式所示。

式中，η1為導(dǎo)線的自重比載，N/m·mm2；g為重力加速度；m0為單位導(dǎo)線的質(zhì)量，kg/km；s為導(dǎo)線的橫截面積，mm2；η2為導(dǎo)線的冰重比載，N/m·mm2；ρ為冰的密度；b為覆冰厚度，mm；d為導(dǎo)線的直徑，mm；η3為導(dǎo)線自重與冰重總比載，N/m·mm2；η4為無(wú)冰時(shí)的風(fēng)壓比載，N/m·mm2；C為風(fēng)載體系數(shù)；a為風(fēng)速不均勻系數(shù)；η5為覆冰風(fēng)壓比載；η6為無(wú)冰有風(fēng)總比載；η7為有冰有風(fēng)總比載。

導(dǎo)線的弧垂也是需要精確計(jì)算的重要參數(shù)，其值過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)導(dǎo)線的應(yīng)力產(chǎn)生影響，從而影響整個(gè)線路。通常采用懸鏈線模型、平拋物線模型以及斜拋物線模型3種模型計(jì)算弧垂，其中懸鏈線模型比較復(fù)雜，平拋物線模型誤差較大，而斜拋物線模型復(fù)雜度低，且計(jì)算準(zhǔn)確率高。因此，研究使用斜拋物線模型計(jì)算弧垂。計(jì)算方法如下式所示。

式中，fm為架空線檔中弧垂最大值；η為架空線垂直比載；l為水平檔距；σ0為最低點(diǎn)應(yīng)力，β代表拋物線與水平軸之間的夾角；f為架空線當(dāng)中任意一點(diǎn)的弧垂；x為拋物線上任意一點(diǎn)的橫坐標(biāo)。

基于導(dǎo)線模型的架空輸電線路設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 基于孤立檔計(jì)算的弧垂與相間距離校準(zhǔn)技術(shù)

盡管通過(guò)導(dǎo)線模型已經(jīng)能夠計(jì)算出架空輸電線路設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)參數(shù)，但在架空輸電線路的運(yùn)行過(guò)程中，氣象條件是一直發(fā)生變化的。氣象條件的變化會(huì)對(duì)導(dǎo)線的應(yīng)力和弧垂產(chǎn)生影響，在計(jì)算弧垂時(shí)，還需要考慮氣象條件的影響。在實(shí)際架空線路設(shè)計(jì)工程中，普遍遇到的都是連續(xù)檔的情況，當(dāng)氣象條件改變時(shí)，連續(xù)檔的檔距與應(yīng)力都會(huì)發(fā)生變化，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。孤立檔的檔距是確定的，僅有應(yīng)力變化，故研究基于孤立檔控制計(jì)算弧垂。首先計(jì)算拋物線兩端點(diǎn)的力矩方程，如下式所示。

最后即可計(jì)算出不同情況下，導(dǎo)線的檔內(nèi)最大弧垂，具體計(jì)算方法如下式所示。

式中，fm為當(dāng)一側(cè)有絕緣子，沒(méi)有集中荷載時(shí)的檔內(nèi)最大弧垂；為當(dāng)兩側(cè)均有絕緣子，沒(méi)有集中荷載時(shí)的檔內(nèi)最大弧垂；為當(dāng)兩側(cè)均有絕緣子，有集中荷載時(shí)的最大弧垂；ηs為耐張絕緣子串的比載，N/m·mm2；λ0為耐張絕緣子串的長(zhǎng)度，mm。

通過(guò)孤立檔計(jì)算出導(dǎo)線的各項(xiàng)參數(shù)后，即可確定導(dǎo)線的形狀。還需計(jì)算出孤立檔的相間距離，以確定導(dǎo)線的三維空間形狀。相間距離計(jì)算流程圖如圖2所示。

圖2中，首先計(jì)算出絕緣子串的空間形狀，在絕緣子串中，由于組成絕緣子串的各個(gè)部分均較短，同時(shí)，其荷載決定于絕緣子串的長(zhǎng)度，因此，可將其看為一個(gè)多個(gè)部分絞合而成的模型。接著在由絕緣子串構(gòu)成的架空線進(jìn)線檔中，假設(shè)架空輸電線路的比載呈均勻分布，這時(shí)，將導(dǎo)線自重的荷載在水平方向上表示，具體計(jì)算方法如下式所示。

式中，p0為導(dǎo)線自重的荷載在水平方向上的集中程度，Q為架空輸電線路導(dǎo)線的總截面積，z為進(jìn)檔線兩端的連線與水平方向的夾角。

根據(jù)架空輸電線路中某一點(diǎn)到端點(diǎn)的水平距離、該點(diǎn)弧垂、比載等參數(shù)獲得導(dǎo)線的二維空間形狀，使用的方程式為斜拋物線公式，同時(shí)，由于架空輸電線路處于三維空間中，并且在計(jì)算時(shí)還會(huì)受到風(fēng)偏的影響。因此，研究最后將得到的導(dǎo)線二維空間形狀轉(zhuǎn)換為三維空間，計(jì)算方法如下式所示。

式中，（X1，Y1，Z1）為架空輸電線路中某一點(diǎn)的坐標(biāo)，（X'，Y'，Z'）為三維空間時(shí)該點(diǎn)的坐標(biāo)，θ為架空輸電線路的風(fēng)偏角，κ為三維空間中的X與二維空間中高度軸的夾角。

至此，根據(jù)獲得的導(dǎo)線的三維空間形狀，即可進(jìn)行架空輸電線路的設(shè)計(jì)。

3 架空輸電線路設(shè)計(jì)方法實(shí)例分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于導(dǎo)線模型和孤立檔計(jì)算的架空輸電線路設(shè)計(jì)方法的效果，以某220kV架空線路入地改造工程為例，該工程中，每根導(dǎo)線張力的最大值為10kN，門(mén)架上懸掛點(diǎn)之間的距離為4m，耐張絕緣子串的長(zhǎng)度均為3.99m。架空輸電線路門(mén)架包括A相門(mén)架側(cè)、B相門(mén)架側(cè)、C相門(mén)架側(cè)，A相桿側(cè)、B相桿側(cè)、C相桿側(cè)。首先計(jì)算出設(shè)計(jì)方法與基于懸鏈線模型的方法所有門(mén)架側(cè)進(jìn)線檔的弧垂與最大弧垂，不同條件下門(mén)架側(cè)的弧垂如圖3所示。

綜合圖3和圖4，可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的基于導(dǎo)線模型和孤立檔計(jì)算的架空輸電線路設(shè)計(jì)方法的弧垂明顯高于傳統(tǒng)方法的弧垂，證明了該方法能夠有效提升架空輸電線路的安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，架空輸電線路作為電能傳輸?shù)闹匾绞?，其安全性受到了諸多關(guān)注。為了確保架空輸電線路的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)一種基于導(dǎo)線模型與孤立檔計(jì)算的架空輸電線路方法。結(jié)果顯示，使用該設(shè)計(jì)方法后，A相、B相以及C相的進(jìn)檔線最大弧垂分別為1.93m、2.02m、1.98m，顯著高于使用基于懸鏈線模型的方法，證明了設(shè)計(jì)方法的有效性。然而，研究還存在未對(duì)多種導(dǎo)線進(jìn)行對(duì)比的不足之處，后續(xù)會(huì)將設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于多種導(dǎo)線，以提升方法的適用性。