輸電線路張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統(tǒng)研究

安徽明生電力投資集團(tuán)有限公司 劉承志 孔露 程少華 國網(wǎng)安徽省電力有限公司 王鵬 馬路遙

國網(wǎng)安徽省電力有限公司物資分公司 宋永春

1 張力架線牽引用鋼絲繩斷線狀態(tài)分析

牽引繩斷線事故發(fā)生后，處于張力狀態(tài)的鋼絲繩分成兩截，因斷開處張力消失，鋼絲繩在斷開處單側(cè)失去張力造成受力不平衡，此時(shí)鋼絲繩會(huì)產(chǎn)生切于斷面朝向兩側(cè)的瞬時(shí)加速度，同時(shí)由于自身重力的原因還會(huì)有向下的加速度。斷線受力如圖1所示。

圖1 斷線受力

2 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統(tǒng)理論依據(jù)

2.1 抱緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

防跑線裝置的工作原理是在鋼絲繩回跑時(shí)，利用動(dòng)、靜摩擦板與鋼絲繩之間產(chǎn)生的摩擦力將鋼絲繩鎖定。牽引鋼絲繩受力如圖2所示。

圖2 中A 點(diǎn)為斷線后方塔架上安裝防跑線裝置所在的位置，B點(diǎn)為跨越段內(nèi)導(dǎo)線重心所在的位置。α 為B 點(diǎn)切線方向與水平線的夾角。顯然F1的大小與鋼絲繩角度α有關(guān)，隨著下落距離的增大，角度α增大，F(xiàn)1也增大[1]。

圖2 鋼絲繩受力

2.2 無線拉力傳感器的工作原理

2.2.1 應(yīng)變片原理

金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)如圖3所示。

圖3 金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)

應(yīng)變式傳感器也成為應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將測量物體的變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻將發(fā)生變化。

設(shè)有一根長度為L，橫截面積為S，電阻率為ρ的金屬絲，在未受力時(shí)，原始電阻為：

當(dāng)金屬電阻絲收到軸向拉力F 作用時(shí)，將伸長ΔL，橫截面積相應(yīng)減小ΔS，電阻值ΔR的變化引起電阻的相對(duì)變化為：

由材料力學(xué)可知，負(fù)號(hào)表示伸長時(shí)，半徑方向是縮小的。

式中，π為沿某徑向的壓阻系數(shù)，與材料及徑向有關(guān)；E為彈性模量；σ為材料所受應(yīng)力；μ為材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。

忽略壓阻效應(yīng)，并根據(jù)有關(guān)的力學(xué)應(yīng)變關(guān)系可得到式如下：

式中，k0成為金屬電阻的靈敏系數(shù)，受兩個(gè)因素影響。一是（1+2μ），主要是材料的尺寸變化引起；另一個(gè)是彈性模量E，主要由材料的電阻率隨應(yīng)變引起。

2.2.2 電橋電路原理

四臂電橋電路如圖4所示。

圖4 四臂電橋電路

因?yàn)閼?yīng)變片電阻值變化很小，可以認(rèn)為電源供電電流為常數(shù)，即加在電橋上的電壓也是定值，假定電源為電壓源，內(nèi)阻為零。當(dāng)電橋平衡時(shí)，即電橋輸出電壓U0為零的條件是R1R3=R2R4。

當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開路。若電橋不平衡時(shí)，即R1R3≠R2R4時(shí)，電橋輸出為：

恰好選擇各橋臂電阻，可消除電橋的恒定輸出，使輸出電壓只與應(yīng)變片輸出有關(guān)。

令R1=R2,R3=R4,在應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻R1變化ΔR，此時(shí)電橋的靈敏度為：

電壓輸出為：

2.2.3 網(wǎng)關(guān)端通信

網(wǎng)關(guān)端主要由2.4 自組網(wǎng)模塊組成，網(wǎng)關(guān)需要新開發(fā)網(wǎng)關(guān)底板，再結(jié)合通信模塊進(jìn)行使用。網(wǎng)關(guān)各自通過DC/DC 開關(guān)電源由外部電池進(jìn)行供電。為適用于戶外的使用環(huán)境，上述的組網(wǎng)模塊和開關(guān)電源等部件都應(yīng)安裝于防護(hù)等級(jí)IP65 的電氣控制箱內(nèi)。考慮到輸電線路現(xiàn)場無配電網(wǎng)絡(luò)的使用，電源的設(shè)計(jì)使用充電鋰電池進(jìn)行供電。無線拉力傳感器考慮安裝在牽引走板或聯(lián)結(jié)牽引工具中，工作時(shí)通過拉動(dòng)兩頭的結(jié)構(gòu)在軸向方向產(chǎn)生一個(gè)微小的機(jī)械形變，通過粘貼在軸向方向的應(yīng)變片，將拉力的大小轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再通過差動(dòng)全橋電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成毫伏信號(hào)，將毫伏信號(hào)傳輸?shù)诫娐钒迳线M(jìn)行放大、采樣后轉(zhuǎn)換成拉力值，并通過中繼器進(jìn)行拉力值傳輸，最后傳輸?shù)綘繌垯C(jī)端，作業(yè)人員可以隨時(shí)掌握動(dòng)態(tài)[2]。

3 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統(tǒng)研究

3.1 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統(tǒng)研究內(nèi)容

一是放線鋼絲繩斷線情況調(diào)查。收集防線鋼絲繩發(fā)生斷股斷線事件案例，做好事件原因歸類統(tǒng)計(jì)分析。

二是開展放線鋼絲繩力學(xué)試驗(yàn)研究。針對(duì)某種具體型號(hào)的對(duì)放線鋼絲繩進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果。

三是開展?fàn)恳娩摻z繩斷線抱緊裝置設(shè)計(jì)。根據(jù)牽引場牽引機(jī)牽引導(dǎo)線作業(yè)場景，設(shè)計(jì)出一旦鋼絲繩斷線時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)能夠快速鎖緊放線鋼絲繩，同時(shí)保證正常放線時(shí)走板、牽引頭正常通過，利用新材料等方式，使其整體結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，便于施工操作。

四是放線鋼絲繩在線監(jiān)測拉力傳感器研制。將拉力傳感器與放線走板、旋轉(zhuǎn)連接器有效結(jié)合是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。需要研制出滿足放線走板施工的測力傳感器，利用電阻應(yīng)變片及電橋電路原理，實(shí)現(xiàn)拉力值的測定，其中包括的難點(diǎn)有彈性元件的選擇，應(yīng)變片的粘貼方法等。

五是感知數(shù)據(jù)的采集和處理。所采用的傳感器多處于作業(yè)環(huán)境惡劣，承載情況復(fù)雜，有時(shí)處于高電壓、強(qiáng)電磁干擾等條件，因此需研究傳感器的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸性能，保證其適用性、抗電磁干擾等方面能滿足要求。

六是通信組網(wǎng)方式的研究。測力傳感器的信號(hào)傳輸方式需要采用LORA 網(wǎng)關(guān)、中繼器或4GTDU組成，近端傳送和遠(yuǎn)端傳送相結(jié)合的方式。測力傳感器采集的感知數(shù)據(jù)傳送到塔身LORA 網(wǎng)關(guān)，再從中繼器串聯(lián)或4GTDU 集中器傳送到控制端，需要綜合對(duì)比分析合理選擇通信傳輸方式[3]。LoRa 模塊和安裝于測力傳感器處，LoRa網(wǎng)關(guān)和中繼器安裝于放線中間的鐵塔上，各個(gè)敷設(shè)點(diǎn)可覆蓋大約2km距離范圍，采用鋰電池供電。

七是后臺(tái)控制軟件的功能實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用的研究。后臺(tái)控制軟件主要完成前端拉力測試的狀態(tài)展示與事件的應(yīng)用處理等功能。狀態(tài)展示包括控制管理、報(bào)警管理、系統(tǒng)配置管理等內(nèi)容的展示，應(yīng)用處理包括對(duì)參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)告警、系統(tǒng)設(shè)置、統(tǒng)計(jì)分析等內(nèi)容。后臺(tái)控制軟件不僅要實(shí)現(xiàn)上述功能，還要在操作界面上人性化，簡潔易用，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，因此需要對(duì)軟硬件結(jié)合進(jìn)行深入研究。

八是開展抱緊裝置模擬試驗(yàn)。通過模擬現(xiàn)場工況，對(duì)研制的抱緊裝置進(jìn)行模擬現(xiàn)場場景下的應(yīng)用測試，驗(yàn)證其工作的有效性，針對(duì)不足持續(xù)完善。

3.2 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統(tǒng)研究技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

一是放線鋼絲繩斷線情況調(diào)查。二是開展放線鋼絲繩力學(xué)試驗(yàn)研究。架線牽引鋼絲繩預(yù)防斷裂檢測及鎖緊裝置系統(tǒng)研究試驗(yàn)報(bào)告。三是開展?fàn)恳娩摻z繩斷線鎖緊裝置設(shè)計(jì)。架線牽引鋼絲繩預(yù)防斷裂檢測及鎖緊裝置系統(tǒng)樣機(jī)一套，包括鋼絲繩在線測力傳感器、鎖緊裝置樣機(jī)、控制應(yīng)用系統(tǒng)。四是放線鋼絲繩在線監(jiān)測拉力傳感器研制[4]。五是感知數(shù)據(jù)的采集和處理。六是通信組網(wǎng)方式的研究。七是后臺(tái)控制軟件的功能實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用的研究，研究出后臺(tái)預(yù)警、控制及應(yīng)用系統(tǒng)用戶軟件操作平臺(tái)。八是開展鎖緊裝置模擬試驗(yàn)。提供鎖緊裝置現(xiàn)場模擬試驗(yàn)方案，配合完成相關(guān)現(xiàn)場模擬試驗(yàn)。

3.3 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統(tǒng)研究有關(guān)的技術(shù)問題

一是放線滑車鋼絲繩輪在滑車中間處，與邊輪間距較小，一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，相關(guān)傳感器很難進(jìn)行設(shè)計(jì)布置安裝；二是鋼絲繩抱緊機(jī)構(gòu)在放線過程中需要在能夠通過鋼絲繩，當(dāng)出現(xiàn)連接器具或走板時(shí)，也要求能夠順利通過；三是鋼絲繩抱緊機(jī)構(gòu)需要在鋼絲繩斷裂后，能夠承載巨大的沖擊載荷，并鎖緊鋼絲繩；四是通過監(jiān)測放線滑車所受鋼絲繩的壓力大小及輪速，判斷鋼絲繩是否斷裂，需要進(jìn)行相關(guān)現(xiàn)場斷線試驗(yàn)驗(yàn)證；五是對(duì)抱緊機(jī)構(gòu)的控制執(zhí)行邏輯，需要進(jìn)行詳細(xì)梳理，防止出現(xiàn)未考慮到的情況，不能進(jìn)行鋼絲繩鎖緊或誤動(dòng)作[5]。

4 結(jié)語

按照我國架線施工規(guī)定，330kV 以上電力線路工程必須采用張力架線。采用張力架線不但大大提高了工效、加快了工程進(jìn)度，而且也顯著提高了工程質(zhì)量。隨著我國大截面導(dǎo)線的廣泛使用和特高壓工程跨越式發(fā)展，放線所需的牽引力也越來越大，已從500kV 線路的30kN 上升到300kN。牽引所用的鋼絲繩直徑從13mm 上升到24mm。我國張力放線技術(shù)水平已世界領(lǐng)先，其牽張?jiān)O(shè)備也已全部國產(chǎn)化。但是由于部分張力放線需要在山區(qū)進(jìn)行，此種環(huán)境下如果牽絲繩發(fā)生斷裂，很難確定其準(zhǔn)確的位置，雖然我國也有送變電公司開展對(duì)防止?fàn)拷z繩斷裂研究，但是還滿足不了目前張力放線普遍要求。因此，未來加強(qiáng)對(duì)輸電線路張力架線牽引用鋼絲繩斷線的抱緊系統(tǒng)研究至關(guān)重要。