架空輸電線路導(dǎo)線在極端氣候下的承載能力探討

黃世釗　趙斌

摘 要：文章討論了不同氣象條件下判定導(dǎo)線水平應(yīng)力是否超過設(shè)計值的方法。該方法從輸電線路的狀態(tài)方程式出發(fā)，討論了導(dǎo)線水平應(yīng)力達(dá)到設(shè)計極限時覆冰厚度、風(fēng)速、溫度三者之間的關(guān)系，繪制其關(guān)系圖以便在運(yùn)行過程中即時判斷導(dǎo)線應(yīng)力是否處于安全范圍，并討論了不同條件下導(dǎo)線的抗覆冰、抗大風(fēng)和抗低溫能力。

關(guān)鍵詞：架空線路；設(shè)計；導(dǎo)線應(yīng)力；極端氣候

中圖分類號：TM752 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）29-0117-03

1 概 述

架空線路導(dǎo)線的應(yīng)力計算一直是架空線路設(shè)計、施工和運(yùn)行非常關(guān)注的問題。在線路設(shè)計中，通常是根據(jù)設(shè)計的氣象條件、導(dǎo)線型號等信息，計算出線路的控制條件。以控制條件作為導(dǎo)線最大應(yīng)力的氣象條件，通過狀態(tài)方程式換算到其他氣象條件下，從而實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)線應(yīng)力的控制。最低氣溫、最大風(fēng)速、最厚覆冰這三種氣象條件均可能導(dǎo)致導(dǎo)線最大應(yīng)力的出現(xiàn)，而控制氣象條件為最低氣溫、最大風(fēng)速、最厚覆冰、年均氣溫這四種氣象組合中的一種。，通過控制條件求解各溫度下無風(fēng)無冰情況下的應(yīng)力和弧垂，制作放線曲線圖，通過放線曲線圖進(jìn)行施工緊線。當(dāng)緊線完成后，架空輸電線路的導(dǎo)線應(yīng)力則由風(fēng)速、覆冰厚度、溫度這三者共同決定。

理想情況下，運(yùn)行中導(dǎo)線的最大應(yīng)力氣象條件為控制條件，但實(shí)際運(yùn)行中氣象條件千變?nèi)f化，極有可能出現(xiàn)超出設(shè)計范圍的氣象條件。

由此可以判斷：一方面，非控制氣象條件下導(dǎo)線的應(yīng)力必然低于控制氣象條件下的應(yīng)力，也就是說非控制氣象條件下導(dǎo)線的抗拉水平留有裕度；另一方面，即使某單獨(dú)氣象條件達(dá)到或超過設(shè)計值（比如單獨(dú)的覆冰厚度高于設(shè)計值），導(dǎo)線應(yīng)力也不一定會相應(yīng)達(dá)到或超過設(shè)計值，但某些氣象組合下，單獨(dú)的氣象條件均并未超過設(shè)計值，導(dǎo)線應(yīng)力卻有可能超出其承載極限。由此可見，尋求一種方法，迅速確定導(dǎo)線在各極端氣候下的承載能力，顯得非常有意義。

2 極限狀態(tài)下導(dǎo)線的受力分析

2.1 極限狀態(tài)下導(dǎo)線溫度與比載的關(guān)系

1.4 導(dǎo)線應(yīng)力是否處于設(shè)計范圍的判定

1.4.1 計算法

把實(shí)際運(yùn)行時的覆冰厚度b、風(fēng)速v代入式（8），得出t2值。把當(dāng)前溫度t與t2相比較，有如下關(guān)系：

①t>t2，導(dǎo)線處于安全范圍內(nèi)，其最低點(diǎn)應(yīng)力的安全系數(shù)大于設(shè)計值。

②t=t2，導(dǎo)線處于極限狀態(tài)，其最低點(diǎn)應(yīng)力的安全系數(shù)等于設(shè)計值。

③t

1.4.2 作圖法

為避免計算，可間隔一定數(shù)值取風(fēng)速v為固定值，在平面上繪制出b和t2的關(guān)系，現(xiàn)場直接查閱。

現(xiàn)場測出風(fēng)速v（并經(jīng)過修正）、覆冰厚度b、溫度t后，可使用如下方法判定：

①判定風(fēng)速：b和t2（t2取現(xiàn)場溫度t的值）在平面圖中的點(diǎn)落在值為v的曲線上方，則說明導(dǎo)線應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)；如果該點(diǎn)正好落入某曲線，則該曲線所代表的風(fēng)速值為當(dāng)前（覆冰厚度和溫度不變）導(dǎo)線所能承載的最大風(fēng)速。

②判定溫度：選取風(fēng)速v對應(yīng)的曲線，并找出對應(yīng)當(dāng)前覆冰厚度的點(diǎn)，該點(diǎn)所對應(yīng)的溫度即為當(dāng)前（風(fēng)速和覆冰厚度不變）導(dǎo)線所能承載的溫度下限。

③判定覆冰：選取風(fēng)速v對應(yīng)的曲線，找出對應(yīng)當(dāng)前溫度的點(diǎn)，該點(diǎn)所對應(yīng)的覆冰厚度即為當(dāng)前（風(fēng)速和溫度不變）導(dǎo)線所能承載的覆冰厚度極限。

2 計算舉例

某500 kV線路的一個耐張段里，其代表檔距為lr=460 m，代表高差角余弦值為cos？茁r =0.95，設(shè)計氣象區(qū)為第一氣象區(qū)，導(dǎo)線型號為LGJ-400/35。試分析導(dǎo)線在極端天氣下的承載能力。查閱設(shè)計文檔，可知該線路在代表檔距460 m下的控制條件為最大風(fēng)速?？刂茥l件下的比載？酌1=0.05748 MPa/m，溫度t1=10 ℃，最低點(diǎn)應(yīng)力？滓c =92.85 MP。導(dǎo)線每千米質(zhì)量為1 349 kg，直徑26.82 mm，截面積為425.24 mm2。把相關(guān)參數(shù)代入式（8），計算得出：

可以看出，式（10）的函數(shù)圖象為一個三維曲面，t2隨著b和v的單調(diào)增長，并且b和v較大時增長比較劇烈，其圖象如圖1所示。

間隔5 m/s取風(fēng)速v為固定值，在平面上繪制出b和t2的關(guān)系，如圖2所示。

觀察此圖象，對該耐張段，可有如下結(jié)論：

①當(dāng)風(fēng)速較低時，曲線幾乎挨在一起，說明風(fēng)速較低時風(fēng)速的變化對應(yīng)力影響較??；而風(fēng)速較高時，曲線拉開的間距較大，說明高風(fēng)速下風(fēng)速對應(yīng)力影響比較大。

②盡管此耐張段設(shè)計覆冰為0 mm，但只要風(fēng)速和溫度滿足一定條件，此耐張段同樣具備一定的抗覆冰能力，其抗覆冰能力為溫度軸上某溫度的直線與對應(yīng)的風(fēng)速曲線的交點(diǎn)，所往下對應(yīng)的覆冰值。比如溫度0 ℃、風(fēng)速0 m/s的情況下，導(dǎo)線的抗覆冰能力為10.1 mm。

③線路設(shè)計風(fēng)速為35 m/s，但同樣的，對大于35 m/s的風(fēng)速，只要b和v滿足一定條件，導(dǎo)線應(yīng)力并不會超過其安全設(shè)計值。判斷的方法是，圖象中b和v所確定的點(diǎn)在某風(fēng)速曲線上方，則說明導(dǎo)線在該風(fēng)速的受力情況處于安全狀態(tài)。v值為修正后的值。本例中，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到40 m/s時，只要導(dǎo)線溫度為80 ℃就可保證導(dǎo)線應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)；但導(dǎo)線運(yùn)行溫度一般不會那么高，所以可以看出，此耐張段抗大風(fēng)能力較低，應(yīng)當(dāng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

④線路設(shè)計最低氣溫為-5 ℃，但從圖象上可以看出，風(fēng)速和覆冰厚度都比較低的情況下，該檔線路的抗低溫能力非常強(qiáng)，無風(fēng)無冰情況下可以承受低達(dá)-90 ℃的低溫。由此也可以看出此耐張段比載對應(yīng)力的影響高于溫度對應(yīng)力的影響。

值得一提的是，最低點(diǎn)應(yīng)力滿足設(shè)計條件并不代表懸掛點(diǎn)應(yīng)力滿足設(shè)計條件，懸掛點(diǎn)應(yīng)力影響桿塔和基礎(chǔ)的受力情況，導(dǎo)線水平應(yīng)力、導(dǎo)線懸掛點(diǎn)應(yīng)力、桿塔及基礎(chǔ)受力這三者共同確定線路的承載能力，本文僅討論水平應(yīng)力下導(dǎo)線的承載力，實(shí)際線路綜合承載能力應(yīng)統(tǒng)籌以上三方面分析。

3 結(jié) 語

從以上分析我們得到了一種即時判斷當(dāng)前極端環(huán)境下，導(dǎo)線水平應(yīng)力是否達(dá)到安全控制極限的方法。該方法以耐張段為基本單元，避免了狀態(tài)方程式的繁瑣求解，無需計算，直接看圖直觀地給出了判斷結(jié)果，為極端氣候下線路是否能安全運(yùn)行提供了判斷依據(jù)。

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