架空輸電線路無跨越架封網計算方法研究

詹宗東，曾原弢

（四川電力設計咨詢有限責任公司，成都 610041）

0 引言

在輸電線路建設中經常需要跨越電力線，施工跨越時被跨電力線往往難以停電，必須實施帶電跨越［1］。傳統(tǒng)施工方式是搭設跨越架，但受制于現(xiàn)場跨越條件，有時無法搭設跨越架，或者跨越架太高難以實施［2-3］。近年來開始大量采用無跨越架不停電跨越架線施工工藝［4-5］，即使用絕緣迪尼瑪纖維編織繩架設在新建線路下方作為承力索，依附該承力索安裝絕緣網［6］，如果新建線路導地線放線時發(fā)生事故掉落下去，將落在該絕緣網上，避免接觸到下方帶電線路而出現(xiàn)事故，整個施工過程可以做到被跨線路保持帶電運行［7-9］。

上述施工工藝有一套嚴格的操作方法［10-11］，其中一項關鍵技術是要選取合適的迪尼瑪承力索，確定承力索合適的放線張力，確保在施工及事故狀態(tài)下承力索強度安全系數(shù)和相關交叉跨越距離滿足要求［11］。對此技術問題，已有文獻進行了探討［12-13］，但是目前最主要問題在于缺乏局部封網情況下，對承力索事故狀態(tài)下張力、弧垂的計算方法。

為了解決這個問題，本文根據(jù)懸鏈線模型與力學基本原理，提出了無跨越架帶電跨越承力索各工況下張力、弧垂的通用計算方法，用于選擇承力索型號、安全系數(shù)、安裝位置等技術參數(shù)，為架空輸電線路不停電跨越施工提供技術支持［14］。

本文各物理量使用國際SI單位制，具體如下：荷載類（張力、重力等）單位為N；長度類單位為m；導線直徑單位為mm；截面積單位為mm2；彈性模量單位為N/mm2；角度單位為（°）。

1 檔內一處封網，承力索張力算法

跨越檔內設置一處封網裝置時，依據(jù)架空線非均布荷載力學計算公式對其進行力學分析［15］，承力索受力分析見圖1。

圖1 檔內一處封網剪力圖Fig.1 One closed net in one span shear force figure

∑MA為所有荷載對A點力矩之和（不含封網端點荷載），∑MB為所有荷載對B點力矩之和（不含封網端點荷載），∑Mx為C點左側所有荷載對C點力矩之和（不含封網端點荷載）。

1.1 剪力計算

1.2 計算不同封網狀態(tài)張力的狀態(tài)方程式

To1為空載狀態(tài)時承力索初始張力（狀態(tài)1，僅架設了承力索），To2為其它狀態(tài)時承力索張力（狀態(tài)2，分別為安全放線、事故靜態(tài)、事故動態(tài)）。

式（1）中：

式（2）、式（3）中，E為承力索彈性模量，A為承力索截面積，Po1i為狀態(tài)1時各小段承受的均布荷載，Po2i為狀態(tài)2時各小段承受的均布荷載。

（1）計算To1。

式中，Tp為承力索破斷張力，N為初始安全系數(shù)，一般取N=50。

（2）計算Bo1。

對空載狀態(tài)時承力索初始狀態(tài)，網內只承受均布荷載W1，按1.1節(jié)剪力計算公式：

（3）計算Bo2、To2。

①計算封網后Bo2、To2。

此時已安裝封網裝置。按剪力計算公式，可以分別計算出Q1、Q′1、Q2、Q′2、Q3、Q′3。按式（1）、式（3）計算Bo2、To2。

此狀態(tài)計算時：

P1=0，P2=0，W2=W1+Wf，Po21=W1，Po22=W2，Po23=W1.

式中，Wf為封網裝置單位長度重量（已分到一根承力索的重量）。

②計算事故靜態(tài)時Bo2、To2。

此時導線已掉落在封網裝置中（不考慮沖擊動態(tài)）。

此狀態(tài)計算時：

式中，P1、P2為導線落在網上后網端承受的導線靜態(tài)重量，Wf為封網裝置單位長度重量（已分到一根承力索的重量），Wd為落網導線單位長度靜態(tài)重量（已分到一根承力索的重量）。

③計算事故動態(tài)時Bo2、To2。

此時導線已掉落在封網裝置中（考慮沖擊系數(shù)）。計算方法同上，僅需再考慮事故動態(tài)沖擊放大系數(shù)，《架空輸電線路無跨越架不停電跨越架線施工工藝導則》［14］中有明確規(guī)定，此處不再贅述。

本文W1、Wf、Wd均為原始數(shù)據(jù)的1/cosβ倍（考慮高差后的斜長增大系數(shù)）。

2 檔內兩處封網，承力索張力通用計算方法

當跨越檔內設置兩處封網裝置時，依據(jù)架空線非均布荷載力學計算公式對其進行力學分析，承力索受力分析如圖2所示。

圖2 檔內兩處封網剪力圖Fig.2 Two closed nets in one span shear force figure

2.1 剪力計算

2.2 計算不同封網張力的狀態(tài)方程式

To1為空載狀態(tài)時承力索初始張力（狀態(tài)1），To2為其它狀態(tài)時承力索張力（狀態(tài)2，分別為封網后、事故靜態(tài)、事故動態(tài)）。

式（4）中：

式（5）、式（6）中，E為承力索彈性模量，A為承力索截面積，Po1i為狀態(tài)1時各小段承受的均布荷載，Po2i為狀態(tài)2時各小段承受的均布荷載。

（1）計算To1。

式中，TP為承力索破斷張力，N為初始安全系數(shù)，一般取N=50。

（2）計算Bo1。

對空載狀態(tài)時承力索初始狀態(tài)，網內只承受均布荷載W1，按前述剪力計算公式：

（3）計算Bo2、To2。

①計算封網后Bo2、To2。

此狀態(tài)計算時：

P1=0，P2=0，P3=0，P4=0，W2=W1+Wf，Po21=W1，Po22=W2，Po23=W1，Po24=W2，Po25=W1.

式中，Wf為封網裝置單位長度重量（已分到一根承力索的重量）。

②計算事故靜態(tài)時Bo2、To2。

此時導線已掉落在封網裝置中（不考慮沖擊動態(tài)）。

此狀態(tài)計算時：

式中，P1、P2、P3、P4為導線落在網上后網端承受的導線靜態(tài)重量，Wf為封網裝置單位長度重量（已分到一根承力索的重量），Wd為落網導線單位長度靜態(tài)重量（已分到一根承力索的重量）。

③計算事故動態(tài)時Bo2、To2。

此時導線已掉落在封網裝置中（考慮沖擊系數(shù)）。計算方法同上，僅需再考慮事故動態(tài)沖擊放大系數(shù)，此處不再贅述。

3 任意點弧垂通用計算方法

任意點C的弧垂：

a）檔內一處封網時∑MB、∑Mx計算公式。

∑MB=P1·(l－m1)+P2·(l－m2)+W1·m1·(l－m1/2)+W1·(m2－m1)·(l－(m1+m2)/2)+W1·(l－m2)2/2.

當m1≤x≤m2時，∑Mx計算表達式為：

根據(jù)以上各式，只要知道水平張力To及相關參數(shù)，就可以計算任意點弧垂。

b）檔內兩處封網時∑MB、∑Mx計算公式。

∑MB=P1·(l-m1)+P2·(l-m2)+P3·(l-m3)+P4·(l-m4)+W1·m1·(l-m1/2)+W2·(m2-m1)·(l-(m1+m2)/2)+W1·(m3-m2)·(l-(m3+m2)/2)+W2·(m4－m3)·(l-(m4+m3)/2)+W1·(l－m4)2/2.

∑Mx按計算位置不同其計算表達式不同。

當m1≤x≤m2時，∑Mx計算表達式為：

當m3≤x≤m4時，∑Mx計算表達式為：

∑Mx=P1·(x－m1)+P2·(x－m2)+P3·(x－m3)+W1·m1·(x－m1/2)+W2·(m2－m1)·(x－(m1+m2)/2)+W1·(m3－m2)·(x－(m3+m2)/2)+W2·(x－m3)2/2.

根據(jù)以上各式，只要知道水平張力To及相關參數(shù)，就可以計算任意點弧垂。

4 有關交叉跨越凈空距離計算方法

結合圖1、圖2，根據(jù)電線力學理論及幾何關系可以推導出相關公式。

。

式中，Wd為一根子導線單位長度重量，Td為放線時一根子導線的張力，一般按14%破斷張力。

（4）放線時導線距封網承力索的凈空距離：Δh=hDx－h(huán)x。

（5）封網承力索距所跨線路的凈空距離：Δh=hx－h(huán)0，其中：x=l0。

需分別計算承力索空載時、安全放線、事故靜態(tài)、事故動態(tài)4種狀態(tài)時承力索距所跨線路的凈空距離。

上述交叉跨越凈空距離不滿足要求時，可調整參數(shù)重新計算，可調整的參數(shù)如：封網裝置懸掛點高程、初始安全系數(shù)等。

5 計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比驗證

5.1 檔內一處封網計算案例

四川電力設計咨詢有限責任公司EPC總承包的某省某220 kV輸變電工程項目，共有121處跨越檔采用不停電封網跨越，運用本文提出計算方法進行了設計和施工技術支持，已全部成功實施，解決了現(xiàn)場無法停電的障礙，降低了采用傳統(tǒng)跨越架的施工費用高或現(xiàn)場無法實施的問題，保證了工程的按期建成，成效十分顯著。

案例：某220 k V新建線路工程N31—N32檔采用2×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線（同塔雙回路），該檔跨越一處35 kV電力線路無法停電，需進行帶電跨越施工，計算有關數(shù)據(jù)見表1、表2、表3。

表1 跨越檔計算輸入數(shù)據(jù)Tab.1 Calculate input data of cross span

表2 計算結果Tab.2 Calculate results

表3 現(xiàn)場實測拉力弧垂Tab.3 Tension and sag measured on site

計算與實測結果比較：由于在現(xiàn)場無法模擬事故情況，因此無法驗證事故靜態(tài)與事故動態(tài)的情況。空載時，現(xiàn)場測得承力索拉力為6 573 N，弧垂為1.896 m，計算得到承力索拉力為6 574 N，弧垂為1.73 m；封網后，現(xiàn)場測得承力索拉力為8 286 N，弧垂為2.965 m，計算得到承力索拉力為8 341 N，弧垂為2.77 m?？梢钥闯霈F(xiàn)場實測拉力與軟件計算相差不到1%，弧垂相差不到10%，考慮到現(xiàn)場測量弧垂時可能存在儀器與測量人員原因造成誤差，該結果驗證了本文提出的計算方法結果的正確性。

5.2 檔內兩處封網計算案例

在上述廣西工程中，還有多處出現(xiàn)一檔中需要兩處局部封網的情況，運用本文提出的計算方法可以對檔內兩處封網進行計算，具體案例為：N1—N2檔內跨越兩處35 k V電力線（下文中以跨越點A和跨越點B表示），由于兩處跨越點相隔較遠，需要安裝兩處封網裝置，檔內導線采用2×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線（單回路），兩處封網長度分別為42 m和32 m，在下文中以封網C和封網D表示，計算輸入數(shù)據(jù)見表4所示。

表4 跨越檔計算輸入數(shù)據(jù)Tab.4 Calculate input data of cross span

經計算后，計算結果見表5所示，根據(jù)計算結果可以看出本次封網方案布置能夠滿足要求，本次跨越的封網方案簡圖如圖3所示。

圖3 N1—N2檔跨越封網簡圖Fig.3 Closed nets for N1—N2 span over-crossing sketch

表5 計算結果Tab.5 Calculate results

6 結語

（1）本文根據(jù)懸鏈線模型與力學基本原理，提出了封網承力索的張力、弧垂通用計算方法，解決了無跨越架不停電跨越架線施工工藝中需要解決的一個關鍵計算問題，可以計算全封網、檔內一處封網、檔內兩處封網在各種工況下承力索的張力、任意點的弧垂和交叉跨越距離，能夠為架空輸電線路不停電跨越施工提供技術支持，并為輸電線路跨越設計提供技術支撐。

（2）綜合考慮計算方法的準確性和適應性，并經實際施工應用檢驗，推薦采用本文提出的承力索張力、弧垂通用計算方法。