架空輸電線路無跨越架封網計算方法研究

摘 要：首先，本文在封網參數的基礎上對封網承力索張力進行計算，并分析承力索最初的設置階段、正常工作階段以及承力索存在故障階段的張力。其次，確定封網狀態下承力索弧垂，計算交叉跨越凈空距離。最后，結果表明，算法2中空載狀態下承力索張力為4279.66N，安全系數仍為50，與施工方案規格的匹配度更理想。經本文方法計算的承力索空載拉力值、承力索封網后拉力值、空載時承力索弧垂、封網后承力索弧垂值與測量結果相差的數值分別為26N、24N、0.075m、0.006m，最大誤差率不超過0.42%。由此可見，本文提出的計算方法更適合運用在實際架空輸電線路建設施工中。

關鍵詞：架空輸電線路；無跨越架封網；承力索張力；承力索弧垂；安全系數

中圖分類號：TL 098 " 文獻標志碼：A

隨著國民經濟快速發展，電網建設也在與時俱進，輸電線路建設作為電網建設的重要內容，其建設過程中經常會出現跨電力線的問題。由于工程現場的施工需求，無法對被跨越的電力線停電，因此要求在跨越電力線過程中不可以無電跨越[1]。隨著輸電線路建設方案優化，以迪尼瑪繩索作為承力索，該繩索不僅絕緣且張力更佳，絕緣網的安裝離不開承力索的支撐[2]。在安裝導線的過程中發生故障導致導線突然掉落，絕緣網會接住導線，不會因導線直接掉落在其他電源線路而造成更大的事故，輸電線路施工過程需要保持帶電狀態。迪尼瑪繩索規格型號的選擇決定承力索的張力以及后續故障狀態時絕緣網的承接力，因此需要選擇符合施工要求的迪尼瑪繩索[3]。本文采用在塔上懸掛臨時橫擔，在臨時橫擔上懸掛滑車，在滑車里設置承力索，在承力索上封網保護高壓電力線的施工方法，該方法更簡單，安全風險也相對較小。但使用這種方法進行跨越封網需要合理選擇迪尼瑪承力索的規格，承力索的受力計算就顯得尤為重要，為架空輸電線路不停電跨越施工提供技術支持。

1 無跨越架封網計算

1.1 封網參數確定

表1為不同軸承在220kV電壓下的紅線Ⅰ和Ⅱ的參數情況，并結合工程中實際的跨越狀態，對220kV電壓下的紅線進行不停電封網，此時在工程線路的三相導線的部位設置單相封網成為主要的封網方法，而其具體的寬度C和單位長度的風壓W4（10）滿足的相關計算如公式（1）所示。

C≥2W4（10）[m（l-m）/（2H）+λ/ω]+b，W4（10）=0.0613kd

（1）

式中：m、l、H分別為現場線路附近的桿塔與跨越架之間的橫向長度、跨越檔之間的長度、導線水平張力；λ、ω、b、k、d分別為現場線路放線滑車的總長、定量導線質量、面相橫向的同相子導線之間的長度、空氣動力系數、導線直徑，這里的空氣動力系數為1.1[4]。

此時，保護下面線路的絕緣網長度lW須滿足lW≥n/sinα+C/tanα+2lb[2]，其中n、α、lb分別為被跨越的紅線其兩端線路之間的長度、跨越過程中產生的角度、絕緣網的一端超過電力線的距離。一般會選擇一種絕緣桿作為封網工具，該工具通常為玻璃鋼材質，長度為6.5m，絕緣桿數量為12根，間距固定為3.5m，且絕緣桿間通過長度為3.5m的繩子連接控制，并將絕緣桿橫吊在2條垂直向下的迪尼瑪繩子上，2條繩子（型號為?18）間的距離為6.5m，絕緣桿的橫吊工具通常為滑車或者環扣[5-6]。

要搭建一個臨時的橫擔，通常選擇鋼制的橫擔，尺寸為32.5m×0.55m×0.55m，鐵塔本身有一個橫擔，因此臨時的橫擔通常設置在原橫擔的下方，并距離原橫擔8.5m。

1.2 封網承力索張力計算

承力索的狀態分為2種，一種是正常的工作狀態，另外一種是存在故障時的工作狀態[7]。當正常工作時，承力索承受自身質量和封網設備質量2個方面的力，此時的荷載分布均勻，且只有1個荷載。但當承力索存在故障時，導線會從高處落下，掉落至保護網中，此時承力索除了承受自身封網設備的質量外，還要承受落入保護網中導線的質量，此時荷載分布均勻，但封網的兩側均要承受一個荷載，均勻分布的荷載以及聚集在一處的荷載，單根承力索承受質量按封網后質量疊加的一半計算，同時導線分裂成多個單位長度和單位質量的導線，承力索存在故障時受力如圖1所示。封網承力索張力要根據承力索所處的階段來計算，承力索一般處于3種階段，最初的設置狀態階段、正常工作階段、承力索存在故障時的階段。因此，要根據不同階段分別對承力索的張力進行計算[8]。

上文獲取了承力索在最初的設置狀態階段的張力，需要通過承力索狀態公式獲取封網狀態下的承力索張力H1，如公式（2）所示。

（2）

式中：K0為第一階段承力索張力；l為跨越檔之間的長度；ω0為承載索單位長度質量；S為承力索截面積；E為承力索彈性模量；K1為封網狀態下的承力索張力；h為承載索懸掛點之間垂直高度差。

其中，滿足ωt=ω0+ωf（ω1、K1、β分別為封網狀態下的承力索單位長度質量、對承力索加長的系數以及跨越檔長度差距，跨越檔長度差距滿足tanβ=h/l）。

如果封網位置與跨越檔位置出現交集時，跨越檔長度差距滿足K1=K12-K11，此時跨越檔內部封網的起點和終點的長度差距如公式（3）所示。

（3）

式中：ω0為承載索單位長度質量；ω1為封網狀態下的承力索單位長度質量；ai為承力索上的力點與封網之間的直線距離，且滿足i=1或2，此時 i表示封網的始末點。

當承力索處于故障時，分為靜態和動態2個階段。當處于故障的靜態階段時，導線落入封網內，承力索張力增加，此時承力索張力為H2，如公式（4）所示。

（4）

式中：K3為導線掉落封網內因重力而造成封網長度增加的系數；K4為導線掉落在封網內，因封網兩側的荷載增加而導致承力索長度增加的系數。

同時K3=K32-K31，ω2=ω1+ωd。此時跨越檔內部封網的起點和終點的長度差距如公式（5）所示。

（5）

式中：ω2為封網設備質量和導線單位質量的總和；ωd為封網過程中導線單位質量，且K4=K42+K41。

此時跨越檔內部封網的起點和終點的長度差距如公式（6）所示。

（6）

式中：Pi為封網兩側的荷載。

同時滿足，。

當處于故障的動態階段時，導線落入封網內，承力索張力增加，此時承力索張力為H3，而承力索單位長度質量滿足 ω3=ω1+KdKhωd，且導線從高處掉落至封網中，因為自身重力造成一瞬間的沖力，該沖力系數用Kd 表示，在單回路時沖力系數為1.56，雙回路時沖力系數為2.78。Kh表示導線掉落后的不均衡系數，該系數為1.16。承力索故障時其動態安全系數滿足Ks=Tp/K3，且Ksgt;6。

1.3 封網狀態下承力索弧垂

當承力索存在故障時，跨越物上方的封網最低點與被跨越物之間的垂直距離需要滿足安全規則的要求，計算跨越點封網最低處的弧垂，如公式（7）所示。

fx=hA+x×tgβ-s-hx （7）

式中：s、x、hx、hA、β分別為故障時封網凹點與被跨越物之間的長度、被跨越物上方封網的最凹點與桿塔之間的距離、被跨越物最高點的高程、塔桿A點的承力索高程、AB兩點的承力索跨越過程中產生的角度。

1.4 交叉跨越凈空距離計算方法

結合上文獲取的封網承力索張力相關計算，根據電線力學理論及幾何關系可以推導出相關公式。

在導線的布置過程中，導線上任何一個點的弧垂如公式（8）所示。

（8）

式中：Wd、Td分別為子導線質量以及子導線的張力，通常會選擇12%的破斷張力。

導線點的高程如公式（9）所示。

（9）

封網承力索點的高程如公式（10）所示。

（10）

導線設置時，與封網承力索間的凈空距離如公式（11）所示。

Δh=hDx-hx （11）

封網承力索距所跨線路的凈空距離如公式（12）所示。

Δh=hx-h0，x=l0 （12）

獲取承力索空載、正常運行、靜態故障、動態故障4種情況下凈空距離。當交叉跨越凈空距離不符合要求時，需要對封網裝置點高程、初始安全系數等進行調整。

2 架空輸電線路計算方法驗證

2.1 承力索張力對比

以某地區電力設計有限公司所承包的工程項目為例，該項目中存在110處封網跨越區域，均為不停電操作，通過本文方法在不停電的情況下完成項目設計及布置。該項目整體電壓為220kV，將線路設計成同塔雙回路，選擇鋼芯鋁材質的導線，該導線型號通常為2×JL/G1A-630/45，試驗中需要進行不停電施工。采用3種算法對該項目的相關數據進行計算。

算法1：將各工況下單根承力索受力視作均布荷載，各工況下單根承力索單位質量以檔距為折算距離。

算法2：均勻分布的荷載以及聚集于一處的荷載，單根承力索承受質量按封網后質量疊加的一半計算，同時導線分裂成多個單位長度和單位質量的導線，算法2為本文采用的計算方法。

算法3：故障發生前的承力索受力看成一個均勻分布的荷載，故障發生時看成2種均勻分布的荷載和聚集于兩側的荷載，封網后單位質量通過絕緣繩長度獲取。

通過3種算法計算承力索張力，見表2。算法1與算法2計算出的承力索張力數據更接近，算法3因數據不符被排除。對比算法1和算法2可知，算法1中，空載狀態下承力索張力為2492.39N，安全系數為50。而算法2中空載狀態下承力索張力為4279.66N，安全系數仍為50。因此算法2中的承力索張力值及安全系數與其規格的匹配度更理想，本文計算方法更適合運用在實際的輸電線路建設中。

2.2 計算結果與實測數據對比

通過本文算法計算承力索空載拉力、空載時承力索弧垂、承力索封網后拉力、封網后承力索弧垂，同時通過儀器實測各個數據，2種數據如圖2所示。現場測量的承力索空載拉力值為6462N，本文計算值為6436N，錯誤率0.4%；現場測量的承力索封網后拉力值為8175N，本文計算值為8199N，錯誤率只有0.29%；現場測量的空載時承力索弧垂值為1.785m，本文計算值為1.71m，錯誤率0.42%；現場測量的封網后承力索弧垂值為2.854m，本文計算值為2.86m，錯誤率0.21%；由此可見，通過本文研究的計算方法計算出的相關數據與實際測量數據很接近，且錯誤率最大不超過0.42%，因此本文研究的計算方法所計算出的數據準確率極高。

3 結語

在本文對架空輸電線路無跨越架封網算法的研究中，進行了封網承力索張力、封網狀態下承力索弧垂、交叉跨越凈空距離的計算。因為封網承力索張力的計算過程中，施工狀態存在多樣性，所以對不同階段的承力索張力進行計算。試驗結果表明，與其他算法相比，本文計算空載狀態下承力索張力為4279.66N，安全系數為50，與工程方案要求的規格匹配度更理想；現場測量的承力索空載拉力值、承力索封網后拉力值、空載時承力索弧垂值、封網后承力索弧垂值分別為6462N、8175N、1.78m、2.85m，而本文算法得出值分別為6436N、8199N、1.71m、2.86m，計算值錯誤率最大不超過0.42%，因此本文研究的計算方法所計算出的數據準確率極高，且更適合運用在實際的輸電線路建設施工方案中。

參考文獻

[1]陳亦，曾遠，李曉斌，等.超高分子聚乙烯繩索在封網跨越施工中的應用[J].機械設計與制造，2023（4）：152-157.

[2]夏擁軍，賈寧，萬建成，等.懸索式跨越架用纖維繩索非線性本構關系試驗研究[J].機械設計與制造，2021（2）：58-61.

[3]孟凡豪，夏擁軍，馬勇，等.懸索式跨越架用吸能裝置吸能效果試驗分析[J].振動與沖擊，2022，41（8）：11.

[4]黃力，唐嘉暉，唐波，等.基于特征模理論的輸電線路鐵塔無源干擾研究[J].高電壓技術，2023，49（6）：2598-2606.

[5]吳田，付道睿，彭勇，等.1000kV輸電線路耐張塔帶電作業電位轉移電流脈沖波形特征參數研究[J].電網技術，2022（46）：33-36.

[6]鄒丹旦，余霜鴻，邵戎，等.考慮復雜山地風加速的架空線路風偏閃絡故障分析[J].電瓷避雷器，2022（4）：9.

[7]楊剛，傅中，程洋，等.同塔雙回輸電線路相參數新測量計算方法[J].電網技術，2023，47（6）：2522-2529.

[8]周偉績，李鳳婷，解超，等.基于準兩相跳閘的同桿雙回輸電線路跨線故障跳閘策略[J].南方電網技術，2023，17（11）：130-137.