大跨越輸電線路導(dǎo)地線力學(xué)計(jì)算軟件研究

孟遂民 王 爽 郭 昊

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

在交直流架空輸電線路跨越通航江河、湖泊、海峽時(shí)，檔距較大（一般在1 000m 以上）、塔的高度較高（一般在100m 以上），發(fā)生故障時(shí)將嚴(yán)重影響航運(yùn)、交通，修復(fù)也比較困難［1］，因此，大跨越耐張段的安全可靠性尤為重要.大跨越輸電線路導(dǎo)地線力學(xué)的一般計(jì)算方法是，以平均高度法計(jì)算風(fēng)荷載、以代表檔距法及狀態(tài)方程式等進(jìn)行導(dǎo)地線應(yīng)力計(jì)算.該方法建立在一些假設(shè)的基礎(chǔ)上，其計(jì)算存在一定的誤差.大跨越輸電線路檔距大，弧垂經(jīng)常達(dá)到百米以上，較小的應(yīng)力誤差將引起弧垂很大的變化，會(huì)嚴(yán)重威脅跨越檔的安全運(yùn)行.跨越檔桿塔高、檔距大，大風(fēng)往往成為控制氣象，準(zhǔn)確計(jì)算有風(fēng)氣象條件下導(dǎo)地線的力學(xué)特性特別重要.而導(dǎo)地線各點(diǎn)高度不同，各點(diǎn)的風(fēng)壓也不同，采用積分法計(jì)算導(dǎo)地線各檔所受的風(fēng)荷載，進(jìn)而計(jì)算導(dǎo)地線應(yīng)力，這將更符合實(shí)際情況.氣象條件變化時(shí)，大跨越耐張段各檔應(yīng)力不再相等，懸垂串偏斜，懸點(diǎn)位置變化造成各檔檔距發(fā)生變化，因此，不再符合代表檔距法的計(jì)算原則，需要尋找精確的計(jì)算方法.由于計(jì)算復(fù)雜，必須開發(fā)相應(yīng)軟件借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解.

1 關(guān)鍵問題處理

1.1 控制氣象條件的確定

一般情況下，導(dǎo)線的可能控制氣象條件是最低氣溫、最厚覆冰、最大風(fēng)速、年均氣溫.對(duì)大跨越檔而言，其所受的風(fēng)荷載又與控制條件有關(guān)，因此需要反復(fù)試算，才能確定大跨越耐張段的控制氣象條件.由于上層導(dǎo)線承受風(fēng)荷載最大，因此將以上導(dǎo)線作為研究對(duì)象.

大跨越的桿塔位置通常是由地質(zhì)地形條件確定的，即各檔檔距一般是已知的，意味著其代表檔距的近似值是已知的.確定控制氣象條件的步驟是：

1）計(jì)算代表檔距，初定控制氣象條件；

2）由控制氣象條件推導(dǎo)出最大弧垂發(fā)生氣象（最高工作溫度或者覆冰無風(fēng)）下的弧垂；

3）考慮跨越檔航道位置、航船桅桿高度、最高航行水位、電氣限距、安全裕度以及五年一遇、百年一遇洪水位和相應(yīng)電氣限距，用最大弧垂曲線模板，初定（優(yōu)化）跨越塔高；

4）初定跨越塔高后，導(dǎo)線各點(diǎn)對(duì)地（水面）高度已知，可應(yīng)用精確計(jì)算方法計(jì)算風(fēng)荷載，得到新的風(fēng)壓比載；

5）采用新的風(fēng)壓綜合比載，以年均氣溫為第一狀態(tài)，精確計(jì)算覆冰有風(fēng)、基本風(fēng)速、最低氣溫氣象條件下各檔應(yīng)力，再次判斷控制氣象條件，返回步驟2）再行計(jì)算，反復(fù)進(jìn)行，直至控制氣象條件和兩跨越塔塔高和不變?yōu)橹?

1.2 導(dǎo)地線風(fēng)荷載的精確計(jì)算

導(dǎo)地線所受風(fēng)荷載可由式（1）計(jì)算.

式中，αf為風(fēng)壓不均勻系數(shù)；μsc為導(dǎo)地線體型系數(shù)；βc為500kV 及以上線路風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，僅用于計(jì)算架空線作用于桿塔上的風(fēng)荷載；β為修正系數(shù)；z 為粗糙度指數(shù)；d 為導(dǎo)地線的計(jì)算直徑；γ為導(dǎo)地線的均布比載；σ0為導(dǎo)地線的水平應(yīng)力；Δh為塔基面高出水位的距離；h1為左跨越塔導(dǎo)線懸點(diǎn)高度；l為檔距.

整檔導(dǎo)地線風(fēng)荷載的計(jì)算步驟是：

1）先按無風(fēng)情況算得導(dǎo)地線的縱向應(yīng)力，得到懸掛曲線方程；

2）沿線長(zhǎng)積分計(jì)算檔內(nèi)導(dǎo)地線所受風(fēng)荷載.利用式（1），采用梯形法進(jìn)行積分計(jì)算：先把檔距進(jìn)行n 等分，對(duì)每一等分進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算，將所有等分風(fēng)荷載求和；再將檔距進(jìn)行2n 等分，進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算，反復(fù)進(jìn)行.收斂條件是：n等分的風(fēng)荷載值與2n 等分的風(fēng)荷載值之差不大于預(yù)先設(shè)定值［2］；

3）進(jìn)行風(fēng)偏后風(fēng)荷載的修正.風(fēng)偏后，導(dǎo)地線變高，風(fēng)荷載將進(jìn)一步增大.將上步算得的風(fēng)荷載均布在導(dǎo)地線上，利用狀態(tài)方程式求得有風(fēng)時(shí)的縱向張力，得到風(fēng)偏后導(dǎo)地線的垂直平面投影，再?gòu)牟襟E2）反復(fù)進(jìn)行；

4）直至前后2次得到的導(dǎo)地線縱向張力差滿足要求.

為便于對(duì)導(dǎo)地線應(yīng)力的進(jìn)一步計(jì)算和處理，將精確計(jì)算得到的風(fēng)荷載P，按該檔線長(zhǎng)均布折算為風(fēng)壓比載.

1.3 各氣象組合下的張力精確計(jì)算

當(dāng)一種氣象狀態(tài)變到另一種氣象狀態(tài)時(shí)，由于溫度、比載等條件的改變，將引起各檔應(yīng)力改變，絕緣子串順線路方向偏斜，從而導(dǎo)致檔距和高差改變.由于絕緣子串偏斜對(duì)高差變化影響很小，在計(jì)算過程中，可忽略高差變化.絕緣子串偏斜后，在新的狀態(tài)下達(dá)到平衡時(shí)，耐張段各檔距之和仍應(yīng)不變，各檔檔距改變量之和應(yīng)為零［3］，據(jù)此，在全部運(yùn)用懸鏈線公式的基礎(chǔ)上，考慮架空線的熱脹冷縮和彈性伸長(zhǎng)，認(rèn)為年均氣象下懸垂串鉛垂，由精確計(jì)算方法求得各氣象組合下各檔的導(dǎo)地線張力［1］.

1.4 導(dǎo)地線的不均勻脫冰

根據(jù)設(shè)定的脫冰檔和脫冰系數(shù)，用冰重比載乘以脫冰系數(shù)，進(jìn)行脫冰檔不均勻脫冰計(jì)算，不脫冰檔覆冰情況不變.以年均氣象為第一狀態(tài)，由精確計(jì)算方法求取不均勻脫冰下各檔的導(dǎo)地線張力.

1.5 塔頭荷載計(jì)算

將塔頭荷載分解為垂直荷載、橫向水平荷載、縱向水平荷載.

塔頭垂直荷載包括導(dǎo)線、地線、絕緣子串和金具的重力荷載.塔頭橫向水平荷載包括導(dǎo)線、地線、絕緣子串和金具的風(fēng)壓，得到導(dǎo)地線各點(diǎn)風(fēng)荷載后，通過力矩平衡方程，計(jì)算該檔架空線作用于線夾處的風(fēng)荷載.正常運(yùn)行時(shí)跨越塔塔頭的縱向水平荷載為導(dǎo)線、地線的不平衡張力，根據(jù)張力的精確計(jì)算得到.

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)及開發(fā)工具

軟件總體結(jié)構(gòu)分為5個(gè)模塊：通用數(shù)據(jù)庫模塊、工程配置模塊、計(jì)算功能模塊、結(jié)果輸出功能模塊、幫助功能模塊.圖1為軟件的總體結(jié)構(gòu)圖，圖2為軟件的數(shù)據(jù)流圖.

Visual Basic 6.0（簡(jiǎn)稱VB）是一種面向?qū)ο蠛涂梢暬母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語言，主要具備效率高，功能強(qiáng)，簡(jiǎn)單易學(xué)的優(yōu)點(diǎn)；可以實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面的可視化開發(fā)；提供的與各數(shù)據(jù)庫連接接口，可快速對(duì)數(shù)據(jù)庫讀寫操作；提供的與Microsoft Office連接接口，數(shù)據(jù)傳遞方便，可直接生成Excel文檔；提供Active控件，程序員可根據(jù)需要采用該控件滿足程序特定要求［4］.因此，選用Visual Basic語言作為本軟件開發(fā)工具.

2.2 軟件功能模塊

2.2.1 通用數(shù)據(jù)庫模塊

該模塊共分氣象條件參數(shù)、導(dǎo)線型號(hào)參數(shù)、地線型號(hào)參數(shù)、電氣安全距離4個(gè)參數(shù)庫文件.在Access 2003中分別創(chuàng)建相應(yīng)的4 個(gè)數(shù)據(jù)表，輸入相應(yīng)的字段名，設(shè)置好字段的數(shù)據(jù)類型，輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)后保存退出［5］.如在創(chuàng)建“導(dǎo)線型號(hào)參數(shù)”數(shù)據(jù)表后，輸入“導(dǎo)線型號(hào)”、“計(jì)算截面（mm2）”、“外徑（mm）”、“計(jì)算拉斷力（N）”、“計(jì)算質(zhì)量（kg／km）”、“溫膨系數(shù)（1／℃）”、“彈性模量（N／mm2）”字段名，再將字段“導(dǎo)線型號(hào)”設(shè)置為文本格式，其他的字段設(shè)置為數(shù)字格式，輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)后保存退出即可.

在通用數(shù)據(jù)庫文件創(chuàng)建完成后，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)表，添加一個(gè)窗體，應(yīng)用ADO 控件和Datagrid數(shù)據(jù)表格控件實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的聯(lián)接，同時(shí)應(yīng)用addnew、delete增加添加、刪除、和更新功能［6］.編程時(shí)，首先需用Connection 對(duì)象與數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，然后用Recordset對(duì)象來操作、維護(hù)數(shù)據(jù)，利用Command對(duì)象實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)過程和參數(shù)的查詢.在使用過程中，用戶對(duì)參數(shù)的操作均通過界面進(jìn)行，不必直接操作數(shù)據(jù)庫.

2.2.2 工程配置模塊

為了使用戶輸入數(shù)據(jù)更加方便快捷，窗體中采用了VB內(nèi)部控件中的列表框，供用戶在其中選擇相應(yīng)參數(shù)，而不需手動(dòng)輸入數(shù)字.并通過if語句使不同的列表框?qū)崿F(xiàn)關(guān)聯(lián)，減少操作步驟，提高效率.如當(dāng)選擇的電壓等級(jí)顯示為500kV 時(shí)，導(dǎo)線分裂數(shù)自動(dòng)選擇并顯示為4，當(dāng)然用戶可以進(jìn)行修改.

工程配置模塊共分為4項(xiàng)設(shè)置：①線路配置，設(shè)置導(dǎo)地線型號(hào)及相應(yīng)參數(shù)、線路脫冰系數(shù)、計(jì)算降溫度數(shù)；②氣象設(shè)置，設(shè)置線路所在地區(qū)的氣象條件，如果是典型氣象區(qū)，可直接選擇，否則需要自行輸入相關(guān)參數(shù)；③跨越配置，設(shè)置大跨越的航道位置參數(shù)（跨越位置、航道位置、航道寬度）、桅桿及水位高程、安全距離要求、塔頭參數(shù)、塔位參數(shù)、絕緣子串參數(shù)；④跨越形式設(shè)置，設(shè)置大跨越耐張段的布置形式、回路數(shù)、導(dǎo)線的排列方式［7］.

2.2.3 計(jì)算功能模塊

計(jì)算功能模塊分為7 部分：①導(dǎo)線力學(xué)特性計(jì)算：計(jì)算導(dǎo)線各檔、各氣象條件下的比載、張力等；②地線力學(xué)特性計(jì)算：計(jì)算地線各檔、各氣象條件下的比載、張力等；③塔頭荷載計(jì)算：計(jì)算每基桿塔在各氣象條件下的縱向水平荷載、橫向水平荷載、垂直荷載［8］；④絕緣子強(qiáng)度選擇計(jì)算：計(jì)算正常運(yùn)行工況下所受到的最大荷載，最大斷線張力或不平衡張力、斷聯(lián)情況下所受到的最大荷載，常年荷載，以及稀有覆冰、稀有風(fēng)速等驗(yàn)算工況下的荷載；⑤懸垂串風(fēng)偏計(jì)算：計(jì)算懸垂串的橫向風(fēng)偏角和縱向張力偏角［9］；⑥不平衡張力計(jì)算：計(jì)算正常覆冰工況下，導(dǎo)、地線在某一檔全部或部分脫冰情況下，各檔的張力；⑦桿塔呼高優(yōu)化計(jì)算：根據(jù)實(shí)際的線路地形條件、塔基高程、安全運(yùn)行和通航要求，對(duì)跨越塔塔高進(jìn)行優(yōu)化，作為設(shè)計(jì)參考.

在計(jì)算時(shí)，用戶首先需新建工程，然后完成工程配置中相應(yīng)參數(shù)的輸入，再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算.運(yùn)用VB較易實(shí)現(xiàn)Excel數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)讀寫，軟件將工程所有計(jì)算結(jié)果都保存在相應(yīng)的Excel文件中.軟件具有記錄已計(jì)算工程結(jié)果數(shù)據(jù)的功能，若需查看或修改某些參數(shù)后重新進(jìn)行計(jì)算，只需在新建工程的列表框中選擇原有的工程名，修改相應(yīng)參數(shù)，然后依次進(jìn)行計(jì)算即可，程序會(huì)自動(dòng)讀取、替換原有計(jì)算結(jié)果.

2.2.4 結(jié)果輸出功能模塊

結(jié)果輸出功能模塊分為3 個(gè)部分：①計(jì)算說明書.在計(jì)算完成后，點(diǎn)擊“計(jì)算結(jié)果查詢”菜單下的“計(jì)算說明書”命令，軟件會(huì)自動(dòng)讀取存儲(chǔ)在Excel文件中相應(yīng)工程的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，并生成特定格式的Word 計(jì)算說明書，運(yùn)用CommonDialog 和 Web－Browser控件實(shí)現(xiàn)了將計(jì)算說明書文檔嵌入VB 窗體.②導(dǎo)地線應(yīng)力弧垂特性表.點(diǎn)擊“導(dǎo)線計(jì)算結(jié)果查詢”和“地線計(jì)算結(jié)果查詢”命令即可生成相應(yīng)的導(dǎo)、地線應(yīng)力特性表、架線弧垂表、百米弧垂表.③塔頭荷載圖.采用Image控件實(shí)現(xiàn)了預(yù)先繪制的塔頭圖形顯示在VB的窗體中，在塔頭的適當(dāng)位置用Textbox分別顯示計(jì)算的塔頭橫向水平荷載、縱向水平荷載、垂直荷載的數(shù)值.

2.2.5 幫助功能模塊

采用Visual CHM 編寫該軟件的幫助模塊，為用戶提供詳細(xì)的軟件操作方法、安裝指南.

3 算 例

以某220kV 線路大跨越耐張段為例，用軟件優(yōu)化跨越塔高并計(jì)算了上導(dǎo)線荷載、張力.該大跨越耐張段導(dǎo)、地線分別采用AACSR／EST－410、OPGW－210.檔距分布為：491m－1 260m－388m，采用耐－直－直－耐的跨越形式，跨越檔最高通航水位5.77m，大風(fēng)季節(jié)平均最低水位3m，四基塔塔基高程均為4m，導(dǎo)線的排列方式為雙回路，垂直排列.導(dǎo)線每相采用雙分裂布置.所用鐵塔的上、中橫擔(dān)和中、下橫擔(dān)間距均為10m.導(dǎo)線計(jì)算用的氣象條件見表1.

表1 計(jì)算氣象條件

在兩基錨塔呼高給定情況下，運(yùn)用軟件對(duì)兩跨越塔的呼高進(jìn)行了優(yōu)化，確定的四基塔的呼高分別為：30m，121m，121m，30m.控制氣象條件為年平均氣溫.上導(dǎo)線各工況各檔荷載見表2.上導(dǎo)線各工況各檔張力見表3.

表3 上導(dǎo)線各工況下各檔張力 （單位：N／根）

4 結(jié) 語

基于Visual Basic的大跨越輸電線路導(dǎo)地線力學(xué)計(jì)算軟件具有以下特點(diǎn)：

1）采用模塊化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)與程序相互獨(dú)立，界面友好，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單.

2）通過大量計(jì)算和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，計(jì)算機(jī)程序可直接生成計(jì)算說明書和導(dǎo)地線應(yīng)力弧垂特性表，并繪制出塔頭荷載簡(jiǎn)圖，使用戶可以清楚地查看計(jì)算結(jié)果，也提高了效率.

3）留有升級(jí)接口，具備擴(kuò)展到計(jì)算特高壓大跨越導(dǎo)、地線力學(xué)特性計(jì)算的功能.

4）用積分法和數(shù)值迭代計(jì)算法計(jì)算耐張段內(nèi)各檔風(fēng)荷載，與常規(guī)的平均高度計(jì)算法相比，更加符合導(dǎo)、地線的真實(shí)受風(fēng)情況，計(jì)算更準(zhǔn)確.

［1］ 孟遂民，孔 偉.架空輸電線路設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

［2］ Suimin Meng，Wenjing Liu，ZhenHong Jia.A Study on the Conductor Mechanical Calculations of the Long Span Transmission Line［C］.2012International Conference on Power Electronics Engineering and Computer Technology，Yichang，China，2012：492－495.

［3］ 李 翔，趙全江，秦 嶺.大跨越電線力學(xué)特性計(jì)算軟件的開發(fā)和應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2002，23（9）：33－35.

［4］ 李雁翎.Visual Basic程序設(shè)計(jì)［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［5］ 吳偉光，陳清江.架空輸電線路計(jì)算軟件的研究與開發(fā)［J］.電力建設(shè)，2002，23（10）：69－71.

［6］ 李 俊.架空輸電線路電線力學(xué)計(jì)算軟件的研究與開發(fā)［J］.湖北電力，2007，31（3）：46－50.

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［8］ 汪大海，李 杰，謝 強(qiáng).大跨越輸電線路風(fēng)振動(dòng)張力模型［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2009，29（28）：122－128.

［9］ 汪大海，李 杰.基于動(dòng)張力均方根反應(yīng)譜的大跨越輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)荷載計(jì)算方法［J］.振動(dòng)與沖擊，2012，31（9）：83－88.