借助VB編程實現碳纖維復合芯導線弧垂計算軟件設計與開發

2021-04-27 22:14:40田剛

粘接 2021年8期

田剛

摘要：根據傳統的弧垂計算公式，結合線路運行中的實際情況推導出了新的弧垂計算公式，即新型碳纖維復合芯導線的弧垂計算公式。文章從多方面介紹了在碳纖維復合芯導線弧垂計算中引入數學模型的內容;進一步分析了借助VB編程實現導線的應力和弧垂計算的方法;總結并歸納了借助VB編程在碳纖維復合芯導線上應用弧垂計算軟件的可行性。該軟件在計算機平臺的基礎上進行操作、簡單易行，提高了工作效率和計算結果的精準率。

關鍵詞：VB編程;復合芯導線;遷移點;弧垂計算軟件

中圖分類號：TP312 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0076-04

Design and Development of Sag Calculation Software for Carbon Fiber Composite Core Conductor by means of VB Programming

Tian Gang

（Party School of Shaanxi Provincial Committee of C.P.C（Shaanxi Academy of Govemance）， Xi an 710061， China）

Abstract：According to the traditional sag calculation formula and combined with the actual situation of the line operation， a new sag calculation formula， namely the new type of carbon fiber composite core wire， was derived. In this paper， the content of introducing mathematical model into the calculation of sag of carbon fiber composite conductor is introduced from many aspects. The method of calculating wire stress and sag by VB programming is further analyzed. The feasibility of applying sag calculation software to carbon fiber composite conductor with VB programming is summarized. The software is simple and easy to operate on the basis of the computer platform， which improves the work efficiency and the accuracy of the calculation results.

Key words：VB programming; composite core conductor; migration point; sag calculation software

0 引言

隨著我國經濟的發展，電力工業也在快速增長，城網、農網需要改造來適應時代的發展。弧垂是衡量高壓輸電線路鋪設安全運行的標準，它的大小對線路的安全運行至關重要。而傳統的弧垂計算公式數據多、較為復雜，在進行操作時容易出現錯誤，而且計算周期很長。而碳纖維復合芯具有密度小（碳纖維復合芯的密度僅為普通鋼芯的1/4）、抗拉強度大（碳纖維復合芯的抗拉強度可達2400MPa，可達普通鋼芯的2倍）、耐熱性好（碳纖維復合芯高溫下的伸長率遠小于普通鋼芯）等特性。因此，需要借助計算機來進行弧垂計算軟件設計。傳統的導線只適用于普通的弧垂計算，并不適用于新的于碳纖維復合芯導線[1]。借助VB編程實現碳纖維復合芯導線弧垂計算軟件設計與開發至關重要。

1 在碳纖維復合芯導線弧垂計算中引入數學模型

1.1 計算原理

保證導線的安全系數是架空導線應力和弧垂的基礎要求，要在氣候條件完全達標的條件下去利用導線的力學強度，并將其的應力達到最大值，在這些條件基礎上再去求解導線的弧垂[2]。在應力值的基礎上，利用輾轉法（迭代法）去求解應力方程，再去計算線的弧垂，如公式（1）為架空線路的狀態方程：

式（1）中、、bm、um表示已知情況下導線的應力、比載和溫度;、bm、um表示未知情況下導線的應力、比載和溫度;J為檔距;T為導線的彈性系數;p為導線的線膨脹系數。從以上公式可以看出，決定導線比載和溫度的是氣候，而導線的比載、溫度和檔距間具有函數關系，同時影響著導線的應力。由此可以得出公式（2）：

公式（2）中，采用輾轉法求解，經過多次計算得出，在求解出導線的弧垂值得出公式（3）[3]：

1.2 適合VB編程中的弧垂計算過程

碳纖維復合芯導線是將碳纖維復合芯和導體經特殊加工合制而成。在一定情況下，碳纖維復合芯與鋁合金導體相比，其膨脹系數不高可以被忽略，而此時鋁合金的應力接近于零，這一溫度被稱為拐點溫度（遷移點溫度）。當導線的溫度小于遷移點溫度時，碳纖維復合芯的應力與普通導線一樣;當導線溫度大于遷移點溫度時，此時復合芯會承載導線上的全部張力，因此，其計算方法與普通導線的計算方法不同。

1.2.1 計算遷移點溫度和應力

在計算遷移點溫度與應力時，碳纖維復合芯導線的蠕動性和普通導線一樣被忽略不計。在導線的彈性系不變時，當導線的溫度大于遷移前溫度時導線的伸長量受溫度影響較大（溫度伸長與導線應力變化引起的伸長之和）。如公式（4）所示：

J表示導線的伸長量;J1表示碳纖維復合芯的伸長量;J2表示導體的伸長量[4]。

在公式（4）的基礎上引入導線伸長量得出公式（5）：

將U=Us+Ua帶入公式（5）在除去Us可以得出公式（6）：

鋁導體在溫度到達遷移點時，其張力為0。因此Wa=0，將其帶入公式（6）得出公式（7），uc表示遷移點溫度，遷移點溫度下導線的張力為Uc。

當導線=1時，其計算公式如下：

導線線長與伸長量在應力最大時的關系如下：

在遷移點溫度下關系如下：

導線最開始的長度是相同的，在以上兩種條件下得出公式（9）：

U01與Uc之間的關系可以由輾轉法計算出，再根據U01去就算Uc。得出公式（10）：

公式（10）中，表示應力（溫度為15℃時、比載為bn=b1）

根據公式（7）可以得出遷移點的溫度公式，如下：

由公式（11）可以得出拐點溫度[5]。以上公式中：U01表示溫度為15℃時導線的張力;Uc表示拐點溫度Uc的張力;ps表示遷移點一下的復合芯的線膨脹系數;pa表示Aluminum alloy conductor的線膨脹系數;Ts表示復合芯的彈性模量;Ta表示Aluminum alloy conductor的彈性模量;u0表示導線制造溫度（15℃）;Uc表示遷移點溫度;y1表示每米導線自重。

1.2.2 計算遷移點以上的導線應力與弧垂

當導線溫度大于拐點溫度時，此時導線的張力和溫度如公式（12）：

公式（12）中，。

公式（12）中U2表示拐點一下的張力;u2表示拐點以上的任意溫度。

由公式（12）可以計算出一定溫度范圍內的弧垂值，如公式（13）所示：

2 借助VB編程實現導線的應力和弧垂計算

2.1 弧垂計算軟件的設計過程

借助VB編程實現導線的應力和弧垂計算，其設計過程如圖1所示。系統工作時需要首先建立一“新建工程文檔”，該文檔由系統進行ID加密;其次，作業人員需根據新建工程的作業氣象條件、環境溫度、代表檔距等設計條件對文檔進行約束，由系統計算出架空導線的應力和弧垂以及運行時的各項參數等;最后，系統自動給出項目設計結果，提供直觀的導線遷移點水平張力、溫度等參數。該軟件特別適合高溫等嚴苛作業環境下的導線應力與弧垂計算，能夠大幅降低設計人員計算作業難度與工作強度。

2.2 弧垂軟件的參數設定

氣象條件是線路設計的基礎，要在氣象條件確定的情況下（最高/最低氣溫、雷電、有無風等）進行試驗，而且導線的安全系數也需要確定[6]。根據相關規定對城市電力網安全系數的要求，引入該計算軟件，再根據氣象條件計算出弧垂和比載等數據。

2.3 軟件的實現

想要計算出導線的應力和弧垂情況，需要先將導線的參數和相應的氣候條件輸入計算軟件，再去進行相對應的計算。

2.3.1 參數的選擇

弧垂計算受多方面影響，其中氣象參數與導線參數較為主要。在氣象條件合適的情況下，拐點溫度以下的弧垂值計算只需要輸入導線參數即可，但是該計算的前提是計算出導線拐點溫度水平應力，還可以進一步計算出拐點上下個導線的參數值。

2.3.2 軟件的運行環境

該弧垂計算軟件與普通軟件相比，比較適用于高溫環境下的導線應力與弧垂計算，屬于新型的應力和弧垂計算的軟件。該弧垂計算軟件的基礎是計算機操作平臺，相對簡單易學，界面容易操作。

2.3.3 軟件的容錯功能

該弧垂計算軟件具有很好的容錯功能，即使用戶輸入錯誤，也不會影響軟件的使用，之后還可以將不正確的信息進行刪除，在重新輸入信息進行計算[7]。而且該軟件非常智能具有記憶功能，可以節約用戶時間。

2.3.4 輸出結果

輸出結果在弧垂軟件計算結束后可以輕易的得出各種需要的計算結果，減少了其他數據的計算時間，提高了工作效率。

3 借助VB編程在碳纖維復合芯導線上應用弧垂

計算軟件

碳纖維復合芯導線選用The ACCC - 240/35 wire，質量為757kg/km，截面積293m3，此時計算出的弧垂安全系數為3。將個參數輸入到弧垂計算軟件中計算機程序可以自動算出結果，節省了計算時間，而且該軟件非常智能具有記憶功能，可以減少重復輸入[8]。

如圖2所示為弧垂計算軟件所得出的結果而繪制的溫度變化圖，根據圖中曲線可以明顯發現碳纖維復合導線弧垂隨溫度變化的規律[9]。檔距為100m時，此時的遷移點溫度為80℃;當檔距在遷移點溫度以下時，弧垂隨溫度的升高而增大（溫度上升10℃，弧垂大約增大0.03m）;當檔距在遷移點溫度以上時，弧垂隨溫度的升高也在增大，此時的增大距離為大約為0.006m。

4 結論

（1）文章借助VB編程推導出新型弧垂計算公式，并與普通的計算方式相比較得出，在遷移點溫度以下和遷移點溫度以上的計算方式不同。遷移點溫度以下的和普通導線沒有區別，遷移點溫度以上的需要借助計算機編程應用新的弧垂計算公式。

（2）新型弧垂計算公式是在計算機基礎上進行的，其操作簡單、精準度高，而且該軟件非常智能具有記憶功能，可以有效降低勞動力的浪費，可以節約用戶時間[10]。

（3）碳纖維導線的弧垂數據值，準確的表達了弧垂變化規律，同時也為線路設計提供保障。

參考文獻

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