借助VB編程實(shí)現(xiàn) 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線弧垂計算軟件設(shè)計與開發(fā)

田剛

摘 要：根據(jù)傳統(tǒng)的弧垂計算公式，結(jié)合線路運(yùn)行中的實(shí)際情況推導(dǎo)出了新的弧垂計算公式，即新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的弧垂計算公式。文章從多方面介紹了在碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線弧垂計算中引入數(shù)學(xué)模型的內(nèi)容;進(jìn)一步分析了借助VB編程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的應(yīng)力和弧垂計算的方法;總結(jié)并歸納了借助VB編程在碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線上應(yīng)用弧垂計算軟件的可行性。該軟件在計算機(jī)平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作、簡單易行，提高了工作效率和計算結(jié)果的精準(zhǔn)率。

關(guān)鍵詞：VB編程;復(fù)合芯導(dǎo)線;遷移點(diǎn);弧垂計算軟件

中圖分類號：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力工業(yè)也在快速增長，城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)需要改造來適應(yīng)時代的發(fā)展。弧垂是衡量高壓輸電線路鋪設(shè)安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，它的大小對線路的安全運(yùn)行至關(guān)重要。而傳統(tǒng)的弧垂計算公式數(shù)據(jù)多、較為復(fù)雜，在進(jìn)行操作時容易出現(xiàn)錯誤，而且計算周期很長。而碳纖維復(fù)合芯具有密度?。ㄌ祭w維復(fù)合芯的密度僅為普通鋼芯的1/4）、抗拉強(qiáng)度大（碳纖維復(fù)合芯的抗拉強(qiáng)度可達(dá)2400MPa，可達(dá)普通鋼芯的2倍）、耐熱性好（碳纖維復(fù)合芯高溫下的伸長率遠(yuǎn)小于普通鋼芯）等特性。因此，需要借助計算機(jī)來進(jìn)行弧垂計算軟件設(shè)計。傳統(tǒng)的導(dǎo)線只適用于普通的弧垂計算，并不適用于新的于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線[1]。借助VB編程實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線弧垂計算軟件設(shè)計與開發(fā)至關(guān)重要。

1 在碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線弧垂計算中引入數(shù)學(xué)模型

1.1 計算原理

保證導(dǎo)線的安全系數(shù)是架空導(dǎo)線應(yīng)力和弧垂的基礎(chǔ)要求，要在氣候條件完全達(dá)標(biāo)的條件下去利用導(dǎo)線的力學(xué)強(qiáng)度，并將其的應(yīng)力達(dá)到最大值，在這些條件基礎(chǔ)上再去求解導(dǎo)線的弧垂[2]。在應(yīng)力值的基礎(chǔ)上，利用輾轉(zhuǎn)法（迭代法）去求解應(yīng)力方程，再去計算線的弧垂，如公式（1）為架空線路的狀態(tài)方程：

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

公式（2）中，采用輾轉(zhuǎn)法求解，經(jīng)過多次計算得出，在求解出導(dǎo)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(fù)合芯導(dǎo)線是將碳纖維復(fù)合芯和導(dǎo)體經(jīng)特殊加工合制而成。在一定情況下，碳纖維復(fù)合芯與鋁合金導(dǎo)體相比，其膨脹系數(shù)不高可以被忽略，而此時鋁合金的應(yīng)力接近于零，這一溫度被稱為拐點(diǎn)溫度（遷移點(diǎn)溫度）。當(dāng)導(dǎo)線的溫度小于遷移點(diǎn)溫度時，碳纖維復(fù)合芯的應(yīng)力與普通導(dǎo)線一樣;當(dāng)導(dǎo)線溫度大于遷移點(diǎn)溫度時，此時復(fù)合芯會承載導(dǎo)線上的全部張力，因此，其計算方法與普通導(dǎo)線的計算方法不同。

1.2.1 計算遷移點(diǎn)溫度和應(yīng)力

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

J表示導(dǎo)線的伸長量;J1表示碳纖維復(fù)合芯的伸長量;J2表示導(dǎo)體的伸長量[4]。

在公式（4）的基礎(chǔ)上引入導(dǎo)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(dǎo)體在溫度到達(dá)遷移點(diǎn)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(diǎn)溫度，遷移點(diǎn)溫度下導(dǎo)線的張力為Uc。

當(dāng)導(dǎo)線=1時，其計算公式如下：

導(dǎo)線線長與伸長量在應(yīng)力最大時的關(guān)系如下：

在遷移點(diǎn)溫度下關(guān)系如下：

導(dǎo)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(guān)系可以由輾轉(zhuǎn)法計算出，再根據(jù)U01去就算Uc。得出公式（10）：

公式（10）中，表示應(yīng)力（溫度為15℃時、比載為bn=b1）

根據(jù)公式（7）可以得出遷移點(diǎn)的溫度公式，如下：

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

1.2.2 計算遷移點(diǎn)以上的導(dǎo)線應(yīng)力與弧垂

當(dāng)導(dǎo)線溫度大于拐點(diǎn)溫度時，此時導(dǎo)線的張力和溫度如公式（12）：

公式（12）中，。

公式（12）中U2表示拐點(diǎn)一下的張力;u2表示拐點(diǎn)以上的任意溫度。

由公式（12）可以計算出一定溫度范圍內(nèi)的弧垂值，如公式（13）所示：

2 借助VB編程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的應(yīng)力和弧垂計算

2.1 弧垂計算軟件的設(shè)計過程

借助VB編程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的應(yīng)力和弧垂計算，其設(shè)計過程如圖1所示。系統(tǒng)工作時需要首先建立一“新建工程文檔”，該文檔由系統(tǒng)進(jìn)行ID加密;其次，作業(yè)人員需根據(jù)新建工程的作業(yè)氣象條件、環(huán)境溫度、代表檔距等設(shè)計條件對文檔進(jìn)行約束，由系統(tǒng)計算出架空導(dǎo)線的應(yīng)力和弧垂以及運(yùn)行時的各項參數(shù)等;最后，系統(tǒng)自動給出項目設(shè)計結(jié)果，提供直觀的導(dǎo)線遷移點(diǎn)水平張力、溫度等參數(shù)。該軟件特別適合高溫等嚴(yán)苛作業(yè)環(huán)境下的導(dǎo)線應(yīng)力與弧垂計算，能夠大幅降低設(shè)計人員計算作業(yè)難度與工作強(qiáng)度。

2.2 弧垂軟件的參數(shù)設(shè)定

氣象條件是線路設(shè)計的基礎(chǔ)，要在氣象條件確定的情況下（最高/最低氣溫、雷電、有無風(fēng)等）進(jìn)行試驗(yàn)，而且導(dǎo)線的安全系數(shù)也需要確定[6]。根據(jù)相關(guān)規(guī)定對城市電力網(wǎng)安全系數(shù)的要求，引入該計算軟件，再根據(jù)氣象條件計算出弧垂和比載等數(shù)據(jù)。

2.3 軟件的實(shí)現(xiàn)

想要計算出導(dǎo)線的應(yīng)力和弧垂情況，需要先將導(dǎo)線的參數(shù)和相應(yīng)的氣候條件輸入計算軟件，再去進(jìn)行相對應(yīng)的計算。

2.3.1 參數(shù)的選擇

弧垂計算受多方面影響，其中氣象參數(shù)與導(dǎo)線參數(shù)較為主要。在氣象條件合適的情況下，拐點(diǎn)溫度以下的弧垂值計算只需要輸入導(dǎo)線參數(shù)即可，但是該計算的前提是計算出導(dǎo)線拐點(diǎn)溫度水平應(yīng)力，還可以進(jìn)一步計算出拐點(diǎn)上下個導(dǎo)線的參數(shù)值。

2.3.2 軟件的運(yùn)行環(huán)境

該弧垂計算軟件與普通軟件相比，比較適用于高溫環(huán)境下的導(dǎo)線應(yīng)力與弧垂計算，屬于新型的應(yīng)力和弧垂計算的軟件。該弧垂計算軟件的基礎(chǔ)是計算機(jī)操作平臺，相對簡單易學(xué)，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(jìn)行刪除，在重新輸入信息進(jìn)行計算[7]。而且該軟件非常智能具有記憶功能，可以節(jié)約用戶時間。

2.3.4 輸出結(jié)果

輸出結(jié)果在弧垂軟件計算結(jié)束后可以輕易的得出各種需要的計算結(jié)果，減少了其他數(shù)據(jù)的計算時間，提高了工作效率。

3 借助VB編程在碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線上應(yīng)用弧垂

計算軟件

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線選用The ACCC - 240/35 wire，質(zhì)量為757kg/km，截面積293m3，此時計算出的弧垂安全系數(shù)為3。將個參數(shù)輸入到弧垂計算軟件中計算機(jī)程序可以自動算出結(jié)果，節(jié)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(fù)輸入[8]。

如圖2所示為弧垂計算軟件所得出的結(jié)果而繪制的溫度變化圖，根據(jù)圖中曲線可以明顯發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合導(dǎo)線弧垂隨溫度變化的規(guī)律[9]。檔距為100m時，此時的遷移點(diǎn)溫度為80℃;當(dāng)檔距在遷移點(diǎn)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(dāng)檔距在遷移點(diǎn)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(jié)論

（1）文章借助VB編程推導(dǎo)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(diǎn)溫度以下和遷移點(diǎn)溫度以上的計算方式不同。遷移點(diǎn)溫度以下的和普通導(dǎo)線沒有區(qū)別，遷移點(diǎn)溫度以上的需要借助計算機(jī)編程應(yīng)用新的弧垂計算公式。

（2）新型弧垂計算公式是在計算機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其操作簡單、精準(zhǔn)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(fèi)，可以節(jié)約用戶時間[10]。

（3）碳纖維導(dǎo)線的弧垂數(shù)據(jù)值，準(zhǔn)確的表達(dá)了弧垂變化規(guī)律，同時也為線路設(shè)計提供保障。

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