輸電線路張力架線雙向防跑線裝置設(shè)計(jì)

馬鳳臣，袁廣宏，丁寶民，單 軍，呂 念

（山東送變電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

張力放線是指在架線全過程中，使被展放的導(dǎo)線保持一定的張力而脫離地面處于架空狀態(tài)的架設(shè)施工方法[1-2]。 按照《架線施工作業(yè)指導(dǎo)書》（SDXLZW-09）規(guī)定，330 kV以上電力線路工程必須采用張力放線，放線過程中光纜或?qū)Ь€不準(zhǔn)拖地[3-4]。因此，在放線過程中導(dǎo)線本身因施加在導(dǎo)線上的張力和自身重力會(huì)積蓄一定的能量[5-7]。在跨越架受力分析時(shí)，往往只考慮跨越架承受導(dǎo)線重力沖量的承受能力，而忽略了橫向張力沖量的因素，在跨越重要設(shè)施張力放線過程中一旦發(fā)生斷線事故，斷線處導(dǎo)線頭會(huì)出現(xiàn)甩尾鞭擊現(xiàn)象，而跨越架無法對(duì)重要設(shè)施進(jìn)行有效保護(hù)，可能造成重要設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞。因此，需要通過對(duì)斷線狀態(tài)、斷線位置及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，制定斷線事故的有效補(bǔ)救裝置或措施，即使事故發(fā)生時(shí)，能夠?qū)⒈豢缭降闹匾O(shè)施損失減至最低。

設(shè)計(jì)一種輸電線路張力架線雙向防跑線裝置，介紹該裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基本原理和工作流程。該裝置能夠在正常放線過程中使導(dǎo)線正常通過，一旦發(fā)生斷線又能及時(shí)將導(dǎo)線固定在滑車或者鐵塔上，大大提高了輸電線路架線施工的安全性。

1 裝置結(jié)構(gòu)

輸電線路張力架線雙向防跑線裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由控制部分、斷線檢測部分、夾緊部分構(gòu)成。其中，控制部分接收斷線檢測部分發(fā)來的導(dǎo)線狀態(tài)信號(hào)，并根據(jù)狀態(tài)信號(hào)控制夾緊部分，同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)檢測；斷線檢測部分負(fù)責(zé)檢測導(dǎo)線狀態(tài)，并將導(dǎo)線狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送至控制部分；夾緊部分負(fù)責(zé)接收到控制部分的夾緊命令后實(shí)施夾緊操作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

裝置機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。其中，單片機(jī)控制板構(gòu)成控制部分，兩編碼測速儀構(gòu)成斷線檢測部分，其他機(jī)構(gòu)構(gòu)成夾緊部分。FP為壓塊對(duì)導(dǎo)線形成的壓力。

圖2 裝置機(jī)構(gòu)

2 基本原理

2.1 導(dǎo)線斷裂分析

在架線施工過程中，導(dǎo)線上任何位置都可能發(fā)生斷線，因此可以在所有鐵塔上均放置該防跑線裝置，將導(dǎo)線斷裂位置歸類為裝置內(nèi)斷線和裝置外斷線兩類。

假設(shè)導(dǎo)線斷裂處位于裝置外側(cè)，由于牽引場和張力場都有張力，且張力機(jī)提供的張力和牽引力機(jī)提供的牽引力都大于導(dǎo)線總重力，導(dǎo)線會(huì)以斷裂處為起點(diǎn)，向兩側(cè)加速移動(dòng)，該加速度與兩種張力以及檔距內(nèi)導(dǎo)線長度有關(guān)，在加速度的作用下，若只考慮導(dǎo)線沿軸向速度，則導(dǎo)線會(huì)逐漸加速直至被阻止。同樣，若導(dǎo)線在裝置內(nèi)某處斷裂，由于相對(duì)于某個(gè)架線檔內(nèi)導(dǎo)線重量，裝置內(nèi)導(dǎo)線重量可以忽略不計(jì)，所以導(dǎo)線受重力和牽引機(jī)或者張力機(jī)之和影響以斷裂處為起點(diǎn)向兩側(cè)加速移動(dòng)，直至越出裝置，一旦導(dǎo)線越出裝置，則可歸于導(dǎo)線在裝置外斷裂來分析。由于施工時(shí)在每個(gè)塔上都設(shè)置的有本保護(hù)裝置，因此，本塔上無法阻止的導(dǎo)線可由相鄰兩個(gè)塔上的保護(hù)裝置檢測并阻止。

2.2 斷線檢測策略

導(dǎo)線斷線檢測和判斷的策略必須避免誤判，為此可采用極限區(qū)間速度策略。極限區(qū)間速度策略是指，在一段時(shí)間內(nèi)的平均速度及該時(shí)刻的實(shí)時(shí)速度均達(dá)到設(shè)定值時(shí)認(rèn)為斷線事故發(fā)生。在正常施工過程中，由于導(dǎo)線“爬行”現(xiàn)象的存在，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線在“加速—準(zhǔn)勻速—減速—準(zhǔn)勻速”之間循環(huán)。在該循環(huán)中，導(dǎo)線實(shí)時(shí)運(yùn)行速度和一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均速度都有限值，若采取某段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線的平均速度和實(shí)時(shí)速度同時(shí)作為參考量，當(dāng)把判據(jù)值設(shè)置為大于該參考量時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)將正常架線判斷為事故狀態(tài)的情況。而一旦斷線情況，導(dǎo)線速度會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)一直加速直至導(dǎo)線被阻止，即導(dǎo)線速度很快就會(huì)到達(dá)設(shè)定判據(jù)值，因此可以避免斷線事故的誤判。

綜上所述，采用極限區(qū)間速度策略能有效避免誤判，其中設(shè)定值需根據(jù)本行業(yè)內(nèi)專家意見并結(jié)合實(shí)驗(yàn)值確定。為支撐極限區(qū)間速度策略，建議導(dǎo)線速度測量采用編碼器進(jìn)行接觸式實(shí)時(shí)測量，并用單片機(jī)記錄實(shí)時(shí)速度和計(jì)算平均速度。

2.3 雙向自鎖方式分析

根據(jù)牛頓第一定理[8]、牛頓第二定理[9]、和動(dòng)能定理[10]，斷線事故發(fā)生后，斷裂的線纜產(chǎn)生的動(dòng)能的變化與時(shí)間的平方成正比，與線纜重量成正比。即

所以，

式中：F為加在導(dǎo)線軸向的力的總和；m為導(dǎo)線質(zhì)量；a為加速度，由于導(dǎo)線在自由下落時(shí)加速度a不會(huì)超過重力加速度 g，且隨時(shí)間變化，因此以 ng（n＜1）表示；v為導(dǎo)線實(shí)時(shí)速度；t為時(shí)間；E為動(dòng)能。

線纜重量是不可改變的，因此要減小事故造成損失，唯一的方法是減小斷線到夾緊線之間的時(shí)間間隔。該時(shí)間間隔主要由設(shè)備夾緊部件之間相互運(yùn)動(dòng)時(shí)間組成，為實(shí)現(xiàn)迅速夾緊，需要采用盡可能短的移動(dòng)距離，但是必須保證正常放線時(shí)線纜能順利通過夾緊部件。為實(shí)現(xiàn)迅速夾緊并保持夾緊狀態(tài)，需要采用自鎖結(jié)構(gòu)[11-12]實(shí)現(xiàn)夾緊，即利用導(dǎo)線上的拉力來提供夾緊力，一旦夾住就不會(huì)脫開。自鎖機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)自鎖，不需要外部提供鎖緊力，結(jié)構(gòu)可靠性高，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)自鎖過程中設(shè)備自鎖部件運(yùn)動(dòng)距離與夾緊部件運(yùn)動(dòng)距離的比值，正比于壓緊力，即越大的壓緊力需要越多的時(shí)間來完成。因此需要設(shè)計(jì)一種特殊的結(jié)構(gòu)以取得時(shí)間和提供足夠正壓力之間的平衡。為實(shí)現(xiàn)任一側(cè)導(dǎo)線斷裂均能夾緊，需設(shè)計(jì)為雙向夾緊方式。

為實(shí)現(xiàn)雙向夾緊，系統(tǒng)采用兩個(gè)對(duì)稱的鎖緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)線斷裂后，會(huì)向剩余導(dǎo)線較長（較重）的一側(cè)滑動(dòng)，該滑動(dòng)與放線過程不同，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到斷線后，觸發(fā)鎖緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，隨著導(dǎo)線在系統(tǒng)中滑動(dòng)，系統(tǒng)中的兩個(gè)對(duì)稱鎖緊機(jī)構(gòu)中的一個(gè)將趨于鎖死，另一個(gè)將趨于松開，鎖死的一個(gè)在導(dǎo)線滑動(dòng)方向上。

2.4 雙向自鎖實(shí)現(xiàn)方式

假設(shè)斷線位置在設(shè)備左側(cè)靠近設(shè)備處，并能被系統(tǒng)監(jiān)測到斷線狀態(tài)，則當(dāng)設(shè)備發(fā)出斷線保護(hù)命令后，鎖銷脫開，鉸鏈111和120將在導(dǎo)線重力和設(shè)備非固定部分的重力作用下向下運(yùn)行。設(shè)當(dāng)鉸鏈111和120到達(dá)T形槽的最上端時(shí)，上下滑塊剛好夾住導(dǎo)線，此時(shí)開始，導(dǎo)線的滑動(dòng)將帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)部分一起（向右）移動(dòng)。

2.4.1左側(cè)連桿機(jī)構(gòu)

摩擦力F1帶著連桿11移動(dòng)，可以將其簡化，如圖3所示。

圖3中，F(xiàn)1是導(dǎo)線移動(dòng)引起的摩擦力，F(xiàn)2為T形槽上壁提供的支撐力，由于連桿11除了兩個(gè)端點(diǎn)處于自由狀態(tài)，且兩個(gè)端點(diǎn)都是鉸接，F(xiàn)1和F2的合力必定沿著桿的徑向[11-12]，所以

設(shè)合力為F12，則有

圖3 左側(cè)的連桿機(jī)構(gòu)簡化受力圖

由于連桿11下側(cè)點(diǎn)浮置，所連桿上側(cè)點(diǎn)的受力情況通過連桿11傳遞給連桿11下側(cè)點(diǎn)，二點(diǎn)受力大小和方向始終相同。對(duì)于連桿10，由于其左側(cè)點(diǎn)固定在架體上，認(rèn)為其為固定點(diǎn)，則連桿10上形成了一個(gè)杠桿。杠杠上，連桿10左側(cè)點(diǎn)為支點(diǎn)，下壓塊與連桿10連接處形成阻力點(diǎn)21，連桿10右側(cè)點(diǎn)為動(dòng)力點(diǎn)，根據(jù)杠桿原理設(shè)21點(diǎn)處垂直于連桿10的力為 FP0，則有

壓塊對(duì)導(dǎo)線形成的壓力FP可表示為

方向豎直向下，因此，左側(cè)的連桿機(jī)構(gòu)接下來將會(huì)松開導(dǎo)線。

2.4.2 右側(cè)連桿機(jī)構(gòu)

摩擦力用F11表示，T形槽支撐力用F21表示，壓塊對(duì)導(dǎo)線正壓力用FP1表示，則F11帶著連桿12移動(dòng)，可以將其簡化，如圖4所示。

對(duì)圖4進(jìn)行力分析，連桿機(jī)構(gòu)由桿13和桿12構(gòu)成，F(xiàn)11和F21的合力提供主動(dòng)力，則主動(dòng)力F121可表示為

由于桿12除兩端的鉸鏈外沒有其他支撐，因此F121方向沿桿 12 的軸向[11-12]。 則 F21為

圖4 右側(cè)的連桿機(jī)構(gòu)受力簡化圖

由于121點(diǎn)浮置，所以D點(diǎn)受力情況通過連桿12傳遞給G點(diǎn)，則G點(diǎn)受力大小和方向與D點(diǎn)始終相同。

對(duì)于連13，其一端活動(dòng)一端鉸接方式固定在支架上，因此P點(diǎn)受力情況可以根據(jù)杠桿原理計(jì)算，設(shè)阻力臂長度為l、動(dòng)力臂長度為L，則根據(jù)杠桿原理公式[13]有

則動(dòng)壓塊上產(chǎn)生的壓力

力的方向沿FP方向。因此，右側(cè)的連桿機(jī)構(gòu)趨向于將導(dǎo)線施加正壓力。

2.4.3 壓塊對(duì)線的摩擦力

導(dǎo)線本身與壓塊接觸面為鋁，鋁對(duì)鋁的摩擦系數(shù)為 1.05～1.4（靜摩擦系數(shù)為 1.05～1.35，動(dòng)摩擦系數(shù)為1.4），鋁對(duì)鋼摩擦系數(shù)為 0.47～0.61（靜摩擦系數(shù)為 0.61，動(dòng)摩擦系數(shù)為 0.47）[14-15]。 因此，選取鋁材作為壓塊材質(zhì)比較合適。在材料確定情況下并保留2

倍安全系數(shù)時(shí)，只要

就能保證夾緊。由于設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定

所以要求

3 工作流程

設(shè)備工作流程如圖5所示。開機(jī)后，系統(tǒng)自檢，檢查各個(gè)部分是否能夠正常工作；自檢通過后，進(jìn)入導(dǎo)線狀態(tài)監(jiān)測狀態(tài)，由編碼測速儀實(shí)時(shí)測量導(dǎo)線運(yùn)行速度v，控制部分將導(dǎo)線速度與設(shè)定值斷線閾值vset進(jìn)行比較，若 v＜vset則導(dǎo)線運(yùn)行正常，若 v≥vset則導(dǎo)線已處于斷線狀態(tài)；控制部分發(fā)送夾緊命令給夾緊部分，夾緊部分收到命令后執(zhí)行夾緊動(dòng)作，將導(dǎo)線鎖死，阻止導(dǎo)線滑落。

4 結(jié)語

針對(duì)特高壓架線施工過程中導(dǎo)線斷裂問題，設(shè)計(jì)一種雙向防跑線裝置，該裝置由完全對(duì)稱的兩個(gè)自鎖機(jī)構(gòu)組成。結(jié)合斷線過程的理論推導(dǎo)，說明該裝置的工作原理，當(dāng)左側(cè)導(dǎo)線發(fā)生斷線后，左側(cè)的自鎖機(jī)構(gòu)將擴(kuò)開，右側(cè)的自鎖機(jī)構(gòu)將鎖緊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷線保護(hù)；同理若右側(cè)斷線，則右側(cè)的自鎖機(jī)構(gòu)將擴(kuò)開，左側(cè)的自鎖機(jī)構(gòu)將鎖緊，同樣實(shí)現(xiàn)斷線保護(hù)。該裝置為架線施工安全防護(hù)提供了一種新方法，對(duì)電力施工安全防護(hù)有重要意義。

所述裝置采用雙向自鎖式防跑線設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)體積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，下一步研究應(yīng)當(dāng)在完成雙向自鎖的基礎(chǔ)上簡化結(jié)構(gòu)，減小體積，更利于現(xiàn)場應(yīng)用。

圖5 工作流程圖