10 kV配電線路架空避雷線結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

陳匡迪

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 引 言

在架設(shè)避雷線的設(shè)計(jì)中，不同氣象條件下避雷線的弧垂、應(yīng)力和線長(zhǎng)計(jì)算占有十分重要的位置，是配電線路力學(xué)研究的主要內(nèi)容[1-3]。

本文針對(duì)10 kV架空配電線路均布載荷下避雷線的弧垂、線長(zhǎng)、應(yīng)力以及懸鏈線方程建立考慮桿塔類(lèi)型、氣象環(huán)境等因素的計(jì)算模型，并通過(guò)改變檔距、線長(zhǎng)對(duì)10 kV架空配電線路架設(shè)避雷線進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和仿真。

1 計(jì)算仿真參數(shù)設(shè)置

10 kV架空配電線路示意模型圖，如圖1所示。水泥桿高度為10 m，加上腳架的避雷線總高度為11.3 m。避雷線采用35 mm2的鋼絞線，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。主要設(shè)置避雷線的密度為8.565 3 kg/mm3和彈性系數(shù)（楊氏模量）為181.4 kN/mm2，避雷線的模型如圖2所示。

圖1 10 kV配電線路示意模型圖

圖2 七股GJ避雷線示意圖模型

表1 GJ避雷線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

避雷線的許用應(yīng)力是指避雷線弧垂最低點(diǎn)所允許使用的最大應(yīng)力，工程中稱(chēng)之為最大使用應(yīng)力，其值由式（1）確定：

式中，[σm]為避雷線最低點(diǎn)的最大允許應(yīng)力，單位N/mm2；σP為避雷線的抗拉強(qiáng)度，單位N/mm2；K為避雷線安全系數(shù)，一般規(guī)定架空線路導(dǎo)線的涉及安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，避雷線的安全系數(shù)宜大于導(dǎo)線的安全系數(shù)。

影響安全系數(shù)的因素很多，如懸掛點(diǎn)的應(yīng)力大于弧垂最低點(diǎn)的應(yīng)力，補(bǔ)償初伸長(zhǎng)需增大應(yīng)力，振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生附加應(yīng)力，斷股后架空線強(qiáng)度降低，因腐蝕、擠壓損傷造成強(qiáng)度降低，設(shè)計(jì)、施工中的誤差等。

即使不考慮懸掛點(diǎn)附加彎曲應(yīng)力和振動(dòng)時(shí)的附加動(dòng)應(yīng)力影響，最小安全系數(shù)也要求達(dá)到1.86。若加上上述兩個(gè)因素，則要求安全系數(shù)為2.0～2.5。為保證架空配電線路的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定避雷線最大應(yīng)力下的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5。考慮到地線多采用鋼絞線，易腐蝕，設(shè)計(jì)安全系數(shù)宜大于避雷線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

控制微風(fēng)振動(dòng)的年均氣溫條件下的年均運(yùn)行應(yīng)力，在采取防振措施的情況下，不應(yīng)超過(guò)避雷線抗拉強(qiáng)度的25%，即此時(shí)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于4.0。在最大應(yīng)力情況下，懸掛點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于2.25。在校驗(yàn)稀有風(fēng)速或稀有敷冰氣象條件時(shí)，弧垂最低點(diǎn)的最大使用張力不應(yīng)超過(guò)綜合拉斷力的70%，懸掛點(diǎn)的最大使用張力不應(yīng)超過(guò)綜合拉斷力的77%。

2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在檔距選取50 m、80 m的前提下，通過(guò)改變桿塔之間架設(shè)的避雷線長(zhǎng)，能得到不同避雷線形變?cè)茍D和應(yīng)力云圖。在避雷線架設(shè)安全系數(shù)K為8的情況下，根據(jù)理論計(jì)算得到避雷線最低點(diǎn)的應(yīng)力最大值為135.2 MPa。

2.1 50 m檔距

為探究避雷線長(zhǎng)對(duì)避雷線最低點(diǎn)應(yīng)力和弧垂的影響，找到最接近臨界安全應(yīng)力，在49.8～50.1 m中選取了12組線長(zhǎng)分別建模，得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖和形變?cè)茍D如圖3所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用Matlab軟件擬合數(shù)據(jù)后分別得到最低點(diǎn)應(yīng)力隨線長(zhǎng)變化的關(guān)系圖和弧垂隨避雷線線長(zhǎng)變化關(guān)系圖，如圖4和圖5所示。可見(jiàn)，整體上最低點(diǎn)應(yīng)力隨線長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減小，且最初下降速度較快，在臨界線長(zhǎng)附近下降速度放緩，最后趨于平坦；弧垂隨線長(zhǎng)增長(zhǎng)而增大，且最初上升速度很慢，在臨界點(diǎn)附近上升速度加快。線長(zhǎng)為59.959 m的情況，為最大安全應(yīng)力的臨界點(diǎn)。

圖3 線長(zhǎng)為50.0 m時(shí)的應(yīng)力云圖和形變?cè)茍D

表2 50 m檔距時(shí)不同避雷線長(zhǎng)的最低點(diǎn)應(yīng)力及形變

2.2 檔距為80 m

為得到不同線長(zhǎng)下的應(yīng)力和形變情況，分別取線長(zhǎng)為79.8 m、79.9 m、80.0 m、80.1 m進(jìn)行建模，得到4組形變?cè)茍D和應(yīng)力云圖。線長(zhǎng)為79.8 m時(shí)，最低點(diǎn)應(yīng)力為455.791 MPa，最低點(diǎn)在豎直方向上形變量（弧垂）為147.482 mm；線長(zhǎng)為79.9 m時(shí)，最低點(diǎn)應(yīng)力為233.201 MPa，最低點(diǎn)在豎直方向上形變量（弧垂）為288.256 mm；線長(zhǎng)為80.0 m時(shí)，最低點(diǎn)應(yīng)力為69.689 9 MPa，最低點(diǎn)在豎直方向上形變量（弧垂）為964.768 mm；線長(zhǎng)為80.1 m時(shí)，最低點(diǎn)應(yīng)力為35.890 3 MPa，最低點(diǎn)在豎直方向上形變量（弧垂）為1 874.42 mm。其中，80 m檔距情況下，形變?cè)茍D和應(yīng)力云圖如圖6所示。

為探究避雷線長(zhǎng)對(duì)避雷線最低點(diǎn)應(yīng)力和弧垂的影響，找到最接近臨界安全應(yīng)力，在79.8～80.1 m中選取12組線長(zhǎng)分別建模計(jì)算形變和應(yīng)力，數(shù)據(jù)如表3所示。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用Matlab軟件擬合數(shù)據(jù)后，分別得到最低點(diǎn)應(yīng)力隨線長(zhǎng)變化關(guān)系圖和弧垂隨避雷線線長(zhǎng)變化關(guān)系，如圖7和圖8所示。可以看出，整體上最低點(diǎn)應(yīng)力隨線長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減小，且最初下降速度較快，在臨界線長(zhǎng)附近下降速度放緩，最后趨于平坦；弧垂隨線長(zhǎng)增長(zhǎng)而增大，且最初上升速度很慢，在臨界點(diǎn)附近上升速度加快。線長(zhǎng)為79.949 m的情況，為最大安全應(yīng)力的臨界點(diǎn)。

圖4 50 m檔距最低點(diǎn)應(yīng)力隨避雷線線長(zhǎng)變化關(guān)系圖

圖5 50 m檔距弧垂隨避雷線線長(zhǎng)變化關(guān)系圖

圖6 線長(zhǎng)為80.0 m時(shí)的應(yīng)力云圖和形變?cè)茍D

3 結(jié) 論

在架空避雷線不同檔距情況下，架空避雷線最低點(diǎn)應(yīng)力都隨線長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減小，且最初下降速度較快，在臨界線長(zhǎng)附近下降速度放緩，最后趨于平坦；架空避雷線弧垂隨線長(zhǎng)增長(zhǎng)而增大，且最初上升速度很慢，在臨界點(diǎn)附近上升速度加快。在50 m檔距的情況下，線長(zhǎng)為59.959 m的情況為最大安全應(yīng)力的臨界點(diǎn)；在80 m檔距的情況下，線長(zhǎng)為79.949 m的情況為最大安全應(yīng)力的臨界點(diǎn)。

圖7 80 m檔距最低點(diǎn)應(yīng)力隨避雷線線長(zhǎng)變化關(guān)系圖

圖8 80 m檔距弧垂隨避雷線線長(zhǎng)變化關(guān)系圖

表3 80 m檔距時(shí)不同避雷線長(zhǎng)的最低點(diǎn)應(yīng)力及形變