架空輸電線路絕緣子串機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算方法優(yōu)化

張尚云

國電龍?jiān)垂?jié)能技術(shù)有限公司上海分公司 上海 200333

引言

架空輸電線路主要由桿塔、導(dǎo)線、地線、絕緣子、和金具等組成。其中絕緣子是其主要構(gòu)件之一，其作用是在正常運(yùn)行和過電壓下承受各種荷載保證線路有足夠的電氣絕緣，架空輸電線路上的絕緣子，由于桿塔的結(jié)構(gòu)、絕緣子型式、導(dǎo)線型號、每相導(dǎo)線的根數(shù)及電壓等級不同，將有不同的組裝形式，總結(jié)起來可以分為懸垂組裝和耐張組裝兩大類。隨著架空線路輸電電壓等級提高，絕緣子的合理選用至關(guān)重要。本文結(jié)合實(shí)際案例數(shù)據(jù)對選擇絕緣子時(shí)，絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行分析，提出現(xiàn)有輸電線路設(shè)計(jì)手冊中計(jì)算方法的不足，對其進(jìn)行優(yōu)化，使得計(jì)算精度更高，以便更加精確的選擇絕緣子型號。

1 絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算

某66kV輸電線路，經(jīng)過山區(qū)，采用單導(dǎo)線LGJ-400/65，假定山區(qū)線路經(jīng)過地區(qū)覆冰厚度為10mm，山區(qū)風(fēng)速取32m/s，絕緣子重量取120kg，某塔水平檔距為800m，垂直檔距為600m。計(jì)算懸垂塔懸式絕緣子串的機(jī)械強(qiáng)度要求。絕緣子機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)[1]見表1，LGJ型鋼芯鋁絞線的常用數(shù)據(jù)[2]見表2。

表1 絕緣子機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)

表2 LGJ型鋼芯鋁絞線的廠用數(shù)據(jù)

1.1 絕緣子機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算[3]

K×F?Fu

其中:K為絕緣子機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)；F為最大設(shè)計(jì)使用荷載(N)；Fu為絕緣子機(jī)械強(qiáng)度破壞荷載(N)；

1.2 懸式絕緣子最大設(shè)計(jì)使用荷載F計(jì)算[3]

(1)覆冰工況

其中:F1為導(dǎo)線覆冰時(shí)綜合荷重(N)；P7為導(dǎo)線覆冰時(shí)的單位荷重(N/m)；lv為線路最大垂直檔距(m)；G1為覆冰時(shí)絕緣子荷重(N)。P3為自重力加冰重力荷載(N/m)，P5為覆冰時(shí)風(fēng)荷載(N/m)，其中覆冰時(shí)風(fēng)速取10m/s，覆冰工況電線風(fēng)壓不均勻系數(shù)α取1，電線體型系數(shù)μsc取1.2。

(2)大風(fēng)工況

其中:F2為導(dǎo)線大風(fēng)時(shí)綜合荷重(N)；P6為導(dǎo)線大風(fēng)時(shí)的單位荷重(N/m)；lh為線路最大垂直檔距(m)；G1為覆冰時(shí)絕緣子荷重(N)。P4為無冰時(shí)風(fēng)荷載(N/m)，P1自重力荷載(N/m)，其中無冰時(shí)風(fēng)速取32m/s，大風(fēng)工況電線風(fēng)壓不均勻系數(shù)α取0.75，電線體型系數(shù)μsc取1.1。

綜合覆冰工況和大風(fēng)工況絕緣子機(jī)械破壞荷重Fu，取大者49.92kN。所選擇絕緣子機(jī)械破壞荷重應(yīng)大于49.92kN，可選擇絕緣子串額定破壞荷重50kN產(chǎn)品。

2 絕緣子機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算過程優(yōu)化

電線橫向風(fēng)荷載通常近視認(rèn)為是電線單位長度上的風(fēng)壓與桿塔兩側(cè)檔距平均值(水平檔距)乘積。電線垂直荷載通常近似認(rèn)為是電線單位長度上的垂直荷載與桿塔兩側(cè)電線最低點(diǎn)間的水平距離之(垂直檔距)乘積[3]。

結(jié)合以上電線風(fēng)荷載和垂直荷載的定義分析懸式絕緣子覆冰工況公式:F=F1+G1，F(xiàn)1=P7×lv，也就是覆冰工況下荷重為覆冰時(shí)綜合荷重加上絕緣子串重，覆冰時(shí)綜合荷重為覆冰時(shí)綜合荷載與垂直檔距乘積。而綜合荷載是絕緣子垂直方向的垂直荷載和水平方向的風(fēng)荷載合成的荷載，合成荷載方向和垂直檔距方向不同，這樣直接相乘計(jì)算結(jié)果不精確。應(yīng)分別用垂直方向的垂直荷載與垂直檔距相乘后得垂直方向上的荷重，用水平方向的風(fēng)荷載與水平檔距相乘得水平荷重，然后兩個(gè)方向的荷重再合成為綜合荷重。另外其將綜合荷重直接與絕緣子串重相加得出覆冰工況荷重，這樣計(jì)算也過于粗略，應(yīng)該在上述計(jì)算垂直方向的垂直荷重和水平方向的風(fēng)荷重的過程中分別加上絕緣子串的重量，由于絕緣子串所受風(fēng)荷載很小此處忽略。大風(fēng)工況與此觀點(diǎn)雷同此處不做贅述，優(yōu)化后計(jì)算過程如下(其中部分正確數(shù)據(jù)直接取原計(jì)算結(jié)果):

(1)覆冰工況設(shè)計(jì)使用荷重:

覆冰工況絕緣子機(jī)械破壞荷重:

Fu?K×F=2.7×16046.6

=43325.9N=43.4kN

(2)大風(fēng)工況設(shè)計(jì)使用荷重:

大風(fēng)工況絕緣子機(jī)械破壞荷重:

Fu?K×F=2.7×15915.6

=42972.12N=42.98kN

綜合覆冰工況和大風(fēng)工況絕緣子機(jī)械破壞荷重Fu，取大者43.4kN。所選擇絕緣子機(jī)械破壞荷重應(yīng)大于43.4kN即可，可選擇絕緣子串額定破壞荷重45kN產(chǎn)品。

由此可見優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果小于原計(jì)算結(jié)果。這種差異在水平檔距和垂直檔距相差較大時(shí)尤為明顯。

3 結(jié)論

綜上所述優(yōu)化后絕緣子機(jī)械荷重計(jì)算更為精確，為設(shè)計(jì)過程中絕緣子串選擇提供更加精確的數(shù)據(jù)，便于更為合理的選擇絕緣子串。