基于VB的高壓架空送電線路的導線力學計算

許煥學 邵文錄

（淶水供電公司，河北 保定 074100）

面對日益增長的電力建設任務，迫切需要解決架空送電線路中最基礎的力學計算，為合理規劃工程項目、優化設計方案，提供基礎數據。

高壓架空送電線路的導線力學計算是采計算機為操作平臺。由于利用計算機處理數據，使得計算結果的精度和速度達到了令人滿意的效果。本文介紹了軟件采用的設計原理、數據庫的設紹了軟件紹了軟件采用的設計原理、數據庫的設置和及結果的輸出格式，以及在工程實際中的應用。

1 數學模型的確定

1.1 導線應力、弧垂概念的引入

對運行中的架空送電線路常年受到各種自然環境及氣象條件的影響。導線經常受到自重、覆冰，大風等氣象條件的作用，處這些外力的作用下的任意一檔導線，其導線橫截面上均有內力存在。我們將作用于單位截面上的作用力稱為應力。對于某一檔導線來講各截面的應力均不相等，其方向為該點的切線方向。在應力作用下沿導線分布的個點與兩懸掛點間連線出現了距離，我們將導線某點與兩懸掛點間連線的垂直距離成為該點的弧垂。本文的論述中導線應力均指該檔中導線最低點的水平應力，弧垂指導線最低點的弧垂，在導線型號確定的一檔導線中，在同一氣象條件控制下應力和弧垂的成反比關系。

綜合考慮導線的安全運行和工程的本體造價，在實際的工程設計中，就要在導線機械強度允許的前提下，盡量減小導線弧垂，以降低工程造價。在一條線路架設竣工后，導線的應力隨著氣象條件的變化而變化，但線路設計要求，在任何可能的危險氣象條件下，導線的應力都不超過導線所允許的應力，即導線的最大使用應力，用公式表示為

式中，σmax為導線或地線在弧垂最低點的最大使用應力，N/mm2；σp為導線或地線的瞬時破壞應力，Mpa；K為導線或地線設計安全系數。

DL/T5092設計技術規程規定：一般地區，設計安全系數取不應小于2.5。在《城市電力規劃設計導則》中進一步強調指出：對于大中城市的電力網，可把安全系數提高到3.0～5.0，最大可增至5以上。

1.2 臨界檔距的計算及控制氣象條件的判別方法

對于某一確定型號的導線來說，導線上的應力受到不同氣象條件的影響。如果指定其最大應力為某一確定值時，各種氣象條件可能在不同的檔距范圍內起控制作用，一般情況下，從工程設計角度上分析，可能作為控制條件的氣象條件有四種，顯然，存在這樣一個檔距（用lJ表示），在此檔距時這兩個控制條件同時起作用，當實際檔距l＞lJ時一種氣象條件起控制作用，當l＜lJ另一種氣象條件起控制作用，這樣的檔距稱為臨界檔距，其計算公式如下。

連續檔臨界檔距計算公式

孤立檔的臨界檔距計算公式

在式（2）、式（3）中，lJ為臨界檔距，m；σm，nσ，為兩種可能控制氣象條件所對應的導線最大使用應力，N/mm2；tm，tn為兩種控制氣象條件所對應的氣溫，℃；gm，gn分別為兩種控制氣象條件所對應的導線比載，N/m·mm2；a為導線的溫度線膨脹系數，1/℃；E為導線的彈性系數，N/mm2；?為桿塔高差角，（°）；K2m，K2n分別為兩種控制氣象條件對應的絕緣子串的比載增大系數，其中

式中，l為實際檔距，m；gJm、gJn分別為兩種控制氣象條件所對應的絕緣子串的比載，N/m·mm2，

其中

式中，gJm、gJn分別為兩種控制氣象條件所對應的絕緣子串重力，N；S為導線截面積，mm2；λ為耐張串長度，m。

工程設計中將周圍環境氣溫最低、最大風速、覆冰3種氣象條件組合列為可能的控制氣象條件，但出于導線防振的角度考慮，提出年平均氣溫也作為控制氣象條件。上述的四種條件采用哪一種組合氣象條件作為控制條件。首先計算出各種氣象條件下的g/σk值，并按其各自的大小，由小到大排序分別用以a、b、c、d表示。假如其中有兩種氣象條件的g/σk值相等，則需計算這兩種氣象條件的（σk+aEt）值，取其中較小者，直接舍去較大者。排序后的表格見表1。

表1 臨界檔距排列表

按照式（2）或式（3）計算出臨界檔距填入表1中，先從g/σk值最小的a欄值內開始判別，取該欄中最小的一個臨界檔距（注意：不是虛數或零），如果該檔距值為正數，則此檔距即為第一個有效臨界檔距。

根據上述原則，以此類推判別到最后一欄（d欄）。但是要注意不論哪一欄內，如果其中有一個臨界檔距值為虛數或零值時，則該欄所有檔距都要舍去，即該欄內無有效臨界檔距。

當a、b、c欄臨界檔距值均為零或虛數時，此時整條線路沒有臨界檔距，則全部以d欄所在的氣象條件為控制氣象條件。

1.3 適合程序計算的導線應力、弧垂公式

通常在程序中采用忽略一些微小量簡化后的近似公式

式（8）稱為狀態方程，可根據m氣象條件下的σm、tm、gm求出新氣象條件下的σn、tn、gn的值，反之亦然。

狀態方程中的應力σn(κ+1)式（9），是一個三次代數方程，采用適合計算機運算的牛頓法求解。

狀態方程中應力的求解方法同上，推導出的應力公式同式（9）。式中

2 借助VB編程實現架空導線力學運算

在實際工程設計時，首先收集工程沿線的氣象資料，如沿線的氣象與DL/T5092設計技術規程規附錄A（標準的附錄）典型氣象區接近，宜采用典型氣象區所列數值。但仍需參考國家電網公司輸變電工程中所列的典型氣象區數值，綜合確實計算用的氣象條件組合。通常經常用到的氣象條件為：最溫度50℃ 、外過電壓、內過電壓等氣象條件。此外再確定導線的最大用用應力及年平均運行應力值，計算各種氣象條件下的比載。根據臨界檔距計算公式及控制氣象條件的判別方法，確定有效臨界檔距，判別控制氣象條件，根據臨界檔和控制氣象條件計算所需要的各種氣象條件下的弧垂和應力。

1）導線、地線材料參數的處理

架空導線、地線按照國家標準分類，型號多，而這部分內容重復使用，為簡化計算且保證原始數據輸入的正確性，故采用數據庫的形式輸入，在實際的使用中只需在下拉菜單中選擇所需的導線型號，其所需參數就會自動調出。為了便于對導線、地線數據庫的維護，采取人機交互界面進行維護。

2）氣象條件參數的處理

根據DL/T5092設計技術規程規對我國不同地區搜劃分的九個典型氣象區，本設計采用典型氣象區所列數值。處理方法同上。當線路沿線的實際氣象情況與典型區中的某一個相近時，即可在下拉菜單中選擇所需要的氣象區。但考率到實際工程的特殊性，可對該典型氣象區中的的某個值進行調整。

3）結果輸出

將所需氣象條件下導線應力和弧垂計算結果形成表或曲線，結果可以按使用者的需要選擇輸出到Excle或auto CAD中。

3 實例驗證

為了驗證軟件計算數據的正確性，筆者進行了各種氣象條件下的嚴格比對，即將各種氣象條件下的計算結果與實際工程中使用過的圖紙數據進行比較，結果數據完全吻合。

現將軟件的運算的輸出結果舉一例如下：設某架空線路所用導線為LGJ-300/40，氣象條件為Ⅳ氣象區，最大使用應力為10kgf/mm2，導線設計強度安全系數為2.6，導線特性曲線計算結果如表2所示（采用非國際單位制計算）。

表2 導線應力和弧垂表

表2中數據為工程沿線處于Ⅳ氣象區時的導線特性曲線。在線路工程初步設計中需要用到各種氣象條件組合下的應力和弧垂值來計算和校驗各種電氣距離，此表簡單、清晰，為工程設計提供了必要的技術支持。

4 結論

本文根據實際工程要求，充分考慮工程中遇到的各種因素，編制出可以向工程實際應用的計算軟件，采用比較先進的可視化編程工具，提高了計算結果的精度，節省了設計時間，簡化了計算過程，且操作方便，適合目前電力建設中使用。自2004年投入工程中應用以來，實踐證明完全能夠滿足工程設計及施工需要。

[1]張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊[M].中國電力出版社.2002∶166-232.

[2]DL/T 5092-1999110～500kV架空送電線路設計技術規程[S].中國電力出版社,1999∶7-11.

[3]GB 50061-97.66kV及以下架空送電線路設計技術規范[S].中國計劃出版社,1998∶4-8.

[4]周振山. 高壓架空送電線路機械計算[M].北京∶水利電力出版社,1984∶17-131.

[5]郭喜慶. 架空送電線路設計原理[M].北京∶中國農業出版社,1997.

[6]邵天曉. 架空送電線路的電線力學計算[M].北京∶中國電力出版社,2003.

[7]邢春茂.架空送電線路勘測設計[M]. 東北電力科學研究院,1996.

[8]許建安.35～110kV輸電線路設計[M].北京∶中國水利水電出版社,2003.

[9]鄒天曉.架空送電線路的電線力學計算[M].北京∶水利水電出版社,1987.

[10]李偉斌,儒鐘.架空送電線路臨界檔距及其判別[J].北京∶湖南電力,2004(2)∶49-51.

[11]李博之.壓架空輸電線路架線施工計算原理[M].北京∶中國電力出版社,2002.