10 kV 架空避雷線安裝架結(jié)構(gòu)仿真分析

秦 忠 ，蔡 偉 ，江躍天 ，楊萬銳 ，徐文華 ，楊冷杉 ，羅?？?，胡 洋

（1.云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650214; 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江華坪供電局，云南 華坪 674800; 3.昆明理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，云南 昆明 650504）

架空配電線路是電力網(wǎng)的重要組成部分，其作用是輸送和分配電能；架空配電線路是采用電桿將導(dǎo)線懸空架設(shè)，直接向用戶供電[1]；架空配電線路具有架設(shè)簡單、造價(jià)低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

早期國內(nèi)配電線路在設(shè)計(jì)和建設(shè)期間均未考慮避雷線，隨著各地供電企業(yè)對供電可靠性要求不斷提高，10 kV 及以下電壓等級(jí)遭受雷害的事故事件愈發(fā)受到關(guān)注，尤其是部分中小城市的山區(qū)、雷暴區(qū)容易出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)、雷擊斷線等情況[2-5]，導(dǎo)致線路故障率長期居高不下，嚴(yán)重影響配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 避雷線安裝架概況

保證避雷線裝載的安全可靠是配網(wǎng)線路安全及一切生產(chǎn)工作的前提，提高避雷線的防雷性能是防雷工程的最終目標(biāo)[6-9]，例如文獻(xiàn)[10]中對鐵路接觸網(wǎng)的避雷線架設(shè)方式進(jìn)行防雷效果對比分析，結(jié)果表示不同方案下的防雷效果不同，根據(jù)現(xiàn)場雷害嚴(yán)重程度及投資進(jìn)行方案選擇。因而在配網(wǎng)輸電線路上有必要圍繞避雷線裝載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并繼續(xù)研究。

10 kV 架空配電線路加裝避雷線作為針對強(qiáng)雷區(qū)配網(wǎng)防雷的一種有效手段，雖然輸電線路架設(shè)避雷線與配電線路在線路尺寸、電壓等級(jí)、絕緣要求、機(jī)械性能等方面有很大差異[11-12]，但仍然在研究方法和研究內(nèi)容上對配網(wǎng)加裝避雷線有借鑒意義。本文將從機(jī)械安全面展開研究，對安裝架的力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。

2 仿真模型建立

2.1 三維模型及其受力分析

由設(shè)計(jì)要求，在頂部安裝件和B 相絕緣子處須安裝避雷線，安裝避雷線處承受避雷線重力。抱箍螺栓 1，中橫擔(dān)螺栓 2 加載預(yù)緊力。所以簡化模型后，應(yīng)力分析主要針對避雷線重力對頂部安裝件和中橫擔(dān)的影響。如圖2 所示。

圖2 門型電桿建模

避雷線質(zhì)量計(jì)算：根據(jù)資料顯示，1×7 鍍鋅鋼絞線質(zhì)量參數(shù)為1100 kg/km。在城鎮(zhèn)中一般電桿間距為40～60 m。選定距離為50 m。忽略風(fēng)力和避雷線的弧垂對線距的影響對力進(jìn)行大致計(jì)算。50 m 的避雷線總質(zhì)量為：50 m×1100 kg/km = 55 kg。

一段50 m鋼絞線質(zhì)量預(yù)估為55 kg，重力550 N，按500 N 進(jìn)行分析。平均每根電桿受50 m鋼絞線合力為500 N。

圖3 單桿電桿受力簡圖

圖4 門型電桿受力簡圖

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

電塔水泥桿高度12 m，避雷線采用25 mm2的鋼絞線。根據(jù)M20螺栓強(qiáng)度，可加載400 N的預(yù)緊力。水泥桿與鋼材的靜摩擦系數(shù)為 0.6。電塔水泥桿參數(shù)、橫擔(dān)等力學(xué)結(jié)構(gòu)為Q235鋼參數(shù)、絕緣子（陶瓷）參數(shù)如表1 所示。

表1 幾種材料的力學(xué)參數(shù)

3 單桿電桿應(yīng)力分析

3.1 頂部安裝件應(yīng)力分析

分析頂部安裝件受力，探究在該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力分布及微位移。如圖5 所示為頂部安裝件受力簡圖，如圖6 所示為頂部安裝件載荷圖。

圖5 （a）不同時(shí)刻電纜磁通密度分布圖

圖6 安裝件載荷圖

3.1.1 應(yīng)力分析

結(jié)果如圖7 所示，頂部安裝件應(yīng)力分布情況。頂部安裝件由螺栓連片螺栓和底座構(gòu)成。螺栓受鋼絞線重力載荷，在圖示藍(lán)色區(qū)域應(yīng)力較小在8×105 N/m2以下，螺栓受力處為青色，在螺栓連片與底座連接處為紅色表明此處應(yīng)力較大?？傮w顯示最大應(yīng)力為5.515×106 N/m2, 小于鋼材屈服力 6.204×108 N/m2。該結(jié)構(gòu)受力較為均勻，且滿足許用應(yīng)力。符合工程條件。

圖7 頂部安裝件應(yīng)力分布圖

3.1.2 應(yīng)變分析

通常來說，材料在外力的作用下，會(huì)發(fā)生一定量的變形。如圖8 所示，頂部安裝件的變形情況。藍(lán)色，青色部分位移較小，在0.0007 mm 以下。最高變形量為螺栓連接部分，紅色最高部分向下變形位移0.001 mm 及以下。

圖8 頂部安裝件位移變形

3.2 中橫擔(dān)應(yīng)力分析

如圖9 所示為中橫擔(dān)受力簡圖。在右側(cè)B 相絕緣子上加載500 N。

圖9 橫擔(dān)受力

3.2.1 應(yīng)力分析

結(jié)果如圖10 所示，中橫擔(dān)及其連接螺栓應(yīng)力分布情況。絕緣子受鋼絞線重力載荷，圖示藍(lán)色區(qū)域應(yīng)力較小在 2×107 N/m2以下，螺栓受力處為紅色，青色，表明此處應(yīng)力較大，結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)優(yōu)化。總體顯示最大應(yīng)力為8.347×107 N/m2，小于鋼材屈服力6.204×108 N/m2。該結(jié)構(gòu)受力較為均勻，且滿足許用應(yīng)力。符合工程條件。

圖1 單桿電桿建模

圖10 中橫擔(dān)應(yīng)力分布

3.2.2 應(yīng)變分析

如圖11（放大變形）和圖12所示，頂部安裝件的變形情況。藍(lán)色，青色部分位移較小，在0.7 mm以下。最高變形量為橫擔(dān)邊緣絕緣子處，紅色最高部分向下變形位移1 mm及以下。

圖11 中橫擔(dān)變形位移（放大變形）

圖12 中橫擔(dān)變形位移

4 門型電桿應(yīng)力分析

在設(shè)計(jì)中，頂部安裝件和A、B、C 相絕緣子處須安裝避雷線，簡化避雷線，即安裝避雷線處承受避雷線重力。

所以簡化模型后，應(yīng)力分析主要針對避雷線重力對頂部安裝件和橫擔(dān)的影響。如圖13、圖14 所示。

圖13 橫擔(dān)受力

圖14 安裝件受力圖

4.1 應(yīng)力分析

結(jié)果如圖15 所示，頂部安裝件應(yīng)力分布情況。頂部安裝件由螺栓連片螺栓和底座構(gòu)成。螺栓受鋼絞線重力載荷。在圖示藍(lán)色區(qū)域應(yīng)力較小在 2.16×106N/m2以下，螺栓受力處和橫擔(dān)絕緣子處為青色，在底座中間處為紅色，表明此處應(yīng)力較大?？傮w顯示最大應(yīng)力為1.297×107N/m2，小于鋼材屈服力6.204×108N/m2。該結(jié)構(gòu)受力較為均勻，且滿足許用應(yīng)力。符合工程條件。

圖15 安裝件應(yīng)力結(jié)果

4.2 位移分析

如圖16 所示，頂部安裝件的變形情況。藍(lán)色，青色部分位移較小，在0.16 mm 以下。最高變形量為頂部安裝架紅色處，紅色最高部分向下變形位移0.24 mm 及以下。

圖16 安裝件變形位移

5 結(jié)束語

本文對單桿電桿和門型電桿的受力情況進(jìn)行簡化分析，便于建模，針對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形量進(jìn)行分析，從而判斷是否能在實(shí)際中初步使用。

單桿電桿：基本符合應(yīng)力要求。大部分面積應(yīng)力較小，應(yīng)力較大有2 處：頂部安裝件承載鋼絞線的螺栓連片；中橫擔(dān)的絕緣子一側(cè)的連接螺栓。局部應(yīng)力顯著，但是仍低于鋼材屈服力，理論上可以使用。針對2 處可以更進(jìn)一步優(yōu)化，以便在實(shí)際中提高使用壽命。鋼材的極微小變形屬于正常，沒有出現(xiàn)部分變形過大的情況。

門型電桿：基本符合應(yīng)力要求。大部分面積應(yīng)力較小，應(yīng)力較大的有2 處：頂部安裝件中承載鋼絞線的連接螺栓連片；頂部安裝件底座。底座因使用門型電桿，鋼板距離過長，中間局部受力導(dǎo)致應(yīng)力集中，位移變形最大為0.2 mm。最高應(yīng)力小于鋼材屈服力，理論上可使用。針對于底座的應(yīng)力集中情況可在兩側(cè)進(jìn)行安裝三角形支架初步解決。