配網電桿主動安全防護技術研究*

蒙文富 代張音 陳有成 黃玉林 李賢賢

(貴州大學礦業(yè)學院 貴陽 550025)

0 引言

電桿作為配網系統(tǒng)中電能輸送的重要支柱，是支撐輸電線路的關鍵設施，確保其安全、可靠運行一直是電力系統(tǒng)工作的重中之重。配網系統(tǒng)由于電壓等級較低，電桿一般不高，多采用10、12 m兩種型號。當配網線路通道兩側為樅木、杉樹、竹林等生長速度快、較高且易斷的樹種時，在大風或冰雪災害天氣下，極易發(fā)生樹木折斷或彎曲壓覆在線路上，導致線路受力過大，最終造成電桿傾斜或斷桿。在我國西南山區(qū)，此種現(xiàn)象更為普遍。電桿傾斜或斷桿后，由于其運輸不便、施工難度大，相比其他類型電網故障，電桿受損的修復難度更大、停電時間更長、經濟損失更重。

針對上述問題，目前工程應用領域主要通過加大投資、提高設備強度[1]，以提高抗災能力。然而大規(guī)模、大范圍進行設備改造，投入成本巨大，且由于不同地區(qū)災害性環(huán)境差異，設備改造工程的普遍適用性受到限制。此外，學術研究領域雖然提出了超載荷下線路與電桿分離的電桿保護機械裝置，如廣州開能電氣實業(yè)有限公司研發(fā)的連接線夾方案[2]，廣東電網公司電力科學研究院研發(fā)的線路防臺風保桿保線及保桿棄線吸能脫離一體化裝置[3]、環(huán)形圈受力變形在“棄線保桿”裝置上的應用[4]，南方電網公司研發(fā)的剪切螺栓方案、彈簧掉脫線裝置和兩相載荷一體化裝置等，但這些裝置結構復雜、構件多、安裝技術要求高，且不易維護和更換、成本高、實用性差，電桿有效防護的問題仍未得到有效解決。

本文在進行配網電桿破壞受力分析的基礎上，設計電桿主動防護裝置，提出配網電桿主動防護安全技術，能更有效地保護電桿安全運行。

1 配網電桿受力分析

本文研究突遭強大外力對電桿的影響，因最常見的電桿為單柱混凝土電桿，以其為依據(jù)建立數(shù)學模型具有代表性。電桿所受荷載可分為垂直和水平兩類[5]，電桿荷載簡化模型如圖1所示。圖中垂直荷載由桿塔自重和電線自重等部分組成；水平荷載分為與電線方向垂直且沿橫擔長度方向的橫向水平荷載和與電線方向垂直且沿橫擔長度方向的縱向水平荷載。

圖1 電桿荷載簡化模型

(1)對圖1中三桿模型[6]的電桿O求垂直荷載得：

(1)

式中,G為電線、避雷線的垂直荷載，N；g1為自重比載，N/(m·mm2)；s為電線橫截面積，mm2；β1、β2為兩端高差角；l1、l2為兩端水平檔距，m；hA、hB為兩端高度差，m；σ為電線、避雷線應力;g為重力加速度。若兩邊電桿的電線依附點低于電桿O依附點，則式中取正號，反之取負號。

(2)求水平荷載，即求電線和避雷線所受到的風荷載得：

(2)

式中，P為電線、避雷線風荷載，N；g4為風壓比載；PJ為絕緣子串風壓，N。

(3)求角度荷載，即存在轉角的電桿[7]除承受水平荷載外，在橫向還承受由架空線張力引起的角度力，如圖2所示。

圖2 轉角桿角力

角度荷載計算式為：

(3)

式中，T1、T2為電桿兩側的張力，N。

電線的不平衡張力為：

(4)

其合力為：

(5)

(4)電桿載荷分布如圖3所示，圖中截面x-x所受彎矩檢驗電桿強度，計算式為：

圖3 電桿載荷分布

Mx=(1+m)[∑(G·a)+∑(P·h)+Ppx·hx·z]

(6)

式中，m為附加彎矩系數(shù)，取12%～15%；Ppx為主桿桿身單位長度風壓，N/m；hx為截面x-x以上的電桿高度，m；z為截面x-x風壓合力到截面處的力臂，m。

基于常態(tài)下電桿受力分析情況，查閱有關資料得，12 m的K級電桿[8]開裂檢驗彎矩約39 kN·m；而在20 m/s的風速環(huán)境下，電線為JL/G1A-150/25 時電桿所承受的彎矩為6.626 kN·m[9]。

(5)當電桿遭受巨大外力如樹木倒伏等情況而被破壞時，假設電線突遭強大外力荷載F，作用于電桿上分為水平方向的Fx和垂直方向的Fy，可得：

△M=Mx-M

(7)

△M=(1+m)[Fxh+Fya]

(8)

式中，△M為電桿斷裂彎矩差，kN·m；M為20 m/s風速下電桿受到的彎矩；m為常態(tài)下電桿所受彎矩系數(shù)；h為斷裂面距固定點距離，m。

經分析計算可得，取電桿斷裂面距離電線固定點為6 m，當電桿受到的強大外力達到4.48 kN時，電桿就會遭到破壞。發(fā)生樹木倒伏、強臺風、覆冰等情況時都可能達到該力值，使電桿遭到破壞，所以有必要進行配網電桿主動安全防護技術的研究。

2 主動安全防護裝置

上述配網電桿受力分析結果表明：電桿破壞的主要原因為各種外力產生在水平面內的分力通過電線張力作用到電桿上，當達到電桿的破壞閾值時，電桿便會斷裂。因此，進行配網電桿主動安全防護技術的研究非常有必要。

本文設計了一種新型配網電桿主動安全防護裝置，該裝置結構示意如圖4所示，裝置線路連接示意如圖5所示，裝置固定器示意如圖6所示，裝置絕緣保護外殼示意如圖7所示。

圖4 整體裝置示意

圖5 線路連接示意

圖6 固定器示意

圖7 絕緣保護外殼示意

該裝置由剪切螺栓連接上壓蓋和固定器，兩段線路分別向相反方向從上壓蓋和固定器之間穿過，繞過剪切螺栓拉回，再分別用線路箍扎緊；上壓蓋可沿剪切螺栓軸線方向調節(jié)，通過螺母固定位置，具體為向下旋轉螺母，使上壓蓋下降，直到兩段線路緊密接觸，即完成上壓蓋的固定調節(jié)。裝置主體結構套裝于絕緣保護外殼中。

固定器上設有螺紋孔和固鎖環(huán)，如圖6所示。螺紋孔可固定剪切螺栓，固鎖環(huán)將整個裝置固定在絕緣子上。線路箍設有逆止結構，用于扎緊繞回線路，捆扎方式如圖5所示。

3 配網電桿主動安全防護技術

配網電桿主動安全防護技術工作機理如下：將該裝置安裝固定在絕緣子[10]上，兩段線路通過本裝置連接；正常情況下，線路對剪切螺栓的作用力小于其自身剪切強度；當輸電線路受到樹木倒伏、極端天氣等強大外力作用，該外力的水平分力通過線路的張力作用在剪切螺栓上，若該水平分力達到剪切螺栓剪切強度閾值，則剪切螺栓被剪斷，發(fā)生斷裂破壞，隨即繞扎在剪切螺栓上的兩段線路脫離，使該強大外力得以釋放，避免發(fā)生電桿傾斜或斷桿事故。

該裝置適用于不同規(guī)格(直徑)線路，可滿足不同型號電桿需求。同時，還可根據(jù)不同線路的最大可承受外力，通過生產不同規(guī)格的剪切螺栓來改變其破壞閾值，以適應不同電桿的破壞極限，從而達到保護電桿的目的。當剪切螺栓損壞，線路從裝置中脫離后需要再次安裝時，只需更換剪切螺栓并將其固定在固定器上，繞扎壓緊線路即可完成修復，修復過程簡單高效。

作為該裝置受力部件的剪切螺栓，要滿足以下性質：首先由于其需要受到強大的外力，應滿足一定強度，以保證其在一般情況下可以正常運轉，避免出現(xiàn)未達到閾值就被破壞的情況；其次考慮其工作原理，要滿足在外力達到設定閾值范圍時立即作出反應，剪切螺栓及時斷裂，使電線脫離電桿，釋放超過閾值的強大外力，以保護電桿免受強大外力作用，從而避免電桿被破壞，而在外力未達到破壞閾值時，其不會做出如斷裂、變形等動作，提高工作準確度，降低因長時間工作而導致變形產生的誤差；最后要考慮生產成本的因素，要降低其生產成本就必須考慮使用較為廣泛的材料，并同時要滿足以上特點。

絕緣保護外殼可將裸露的電線和剪切螺栓部位包裹住，防止觸電等意外事故發(fā)生，也可有效保護本裝置，避免因雨淋日曬發(fā)生銹蝕朽化等現(xiàn)象而降低工作準確度。

4 結論

通過對電桿受力情況的分析得出，電桿的破壞主要是由電線的張力所引起的橫向荷載和縱向荷載過大，超出電桿破壞閾值，從而引起電桿的破壞，所以有必要進行配網電桿主動安全防護技術的研究。

在配網電桿安全主動防護裝置選擇剪切螺栓型號時，不同規(guī)格的線路、電桿分別使用不同規(guī)格的剪切螺栓，破壞閾值不同，螺栓直徑也不同。剪切螺栓要在即將達到電桿破壞閾值時及時、準確地斷裂釋放壓力，并且不出現(xiàn)彎曲或延伸等拉扯變形導致剪切螺栓工作精準度降低的狀況。螺栓的破壞閾值應小于電桿的破壞閾值，保證在外力達到電桿破壞閾值時剪切螺栓先一步做出反應斷裂，以保護電桿。

配網電桿安全主動防護技術可以適應不同的電桿型號，且安全可靠、結構簡潔、安裝簡單、維護更換便利、成本低廉，能更有效地保護電桿安全運行。