輸電線路安裝航空標(biāo)志球后對(duì)地線弧垂影響的有關(guān)計(jì)算

摘 要：【目的】以河南省鄭州市港區(qū)東500 kV輸電工程為例，研究航空標(biāo)志球?qū)Φ鼐€弧垂的具體影響，為超高壓輸電線路設(shè)計(jì)提供參考?！痉椒ā坎捎美碚撚?jì)算與案例分析方法，將航空標(biāo)志球視為均布荷載，應(yīng)用架空輸電線路設(shè)計(jì)公式，綜合考慮重量、外徑及風(fēng)冰荷載等因素影響，對(duì)地線弧垂進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析?！窘Y(jié)果】結(jié)果顯示，航空標(biāo)志球顯著影響地線弧垂，但通過(guò)合理設(shè)計(jì)，影響可控且滿足安全規(guī)范。計(jì)算結(jié)果表明，即使安裝有標(biāo)志球，地線弧垂也在安全范圍內(nèi)，并滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)要求?！窘Y(jié)論】在合理的設(shè)計(jì)下，安裝航空標(biāo)志球的輸電線路能滿足安全規(guī)范，并確保運(yùn)行安全。外徑折算增加地線覆冰重量計(jì)算的保守性，可為桿塔荷載及整體安全提供額外的保障。研究結(jié)果為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)場(chǎng)；輸電線路；航空標(biāo)志球；地線弧垂；安全距離

中圖分類(lèi)號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）21-0009-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.002

The Calculation of the Influence on the Ground Wire Sag After the

Installation of Aerial Marker Ball

HUI Shengda1 SHAO Panyi1 WANG Qiang2

（1.Power China Construction Group Henan Electric Power Survey & Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450007，China; 2.State Grid Jibei Electric Power Co.， Ltd.， Tangshan Power Supply Company， Tangshan 063000， China）

Abstract：[Purposes] Taking the 500 kV transmission project in the east of Zhengzhou Airport Economy Zone of Henan Province as an example， the specific influence of Aerial marker balls on ground wire sag is studied， which provides reference for the design of ultra-high voltage transmission line. [Methods] Using theoretical calculation and case analysis method， the Aerial marker ball is regarded as uniform load， and the design formula of overhead transmission line is applied. Considering the influence of factors such as weight， outer diameter and wind ice load， the ground wire sag is calculated and analyzed in detail. [Findings] Aerial marker balls marker balls significantly influence ground wire sag， but with proper design， this impact is manageable and safe. The calculation results show that even if the marker ball is installed， the ground wire sag is within the safe range and meets the design safety factor requirements. [Conclusions] With thoughtful design， transmission lines with marker， balls meet safety standards and ensure secure operation. The conversion of outer diameter increases the conservatism of ground wire icing weight calculation， which can provide additional guarantee for tower load and overall safety. The research results provide a scientific basis for engineering design and have guiding significance for research in related fields.

Keywords： airport; transmission lines; aerial mark ball; ground wire sag; safe distance

0 引言

根據(jù)國(guó)際民航組織《國(guó)際民航公約-機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行》附件十四、《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（MH 5001-2021）［1］、《民用機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)域內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目?jī)艨諏徍斯芾磙k法》（民航規(guī)［2021］3號(hào)文）及2001年 8月國(guó)務(wù)院、中央軍委頒發(fā)的《軍用機(jī)場(chǎng)凈空規(guī)定》等，對(duì)于架空的輸電線，尤其是超高壓（500 kV）輸電纜線、跨江輸電纜線［2］，應(yīng)在線路上設(shè)置形狀醒目的航空標(biāo)志球（航空警示球），以提供警示標(biāo)志。

本研究以河南省鄭州市港區(qū)東500 kV輸變電工程配套的500 kV超高壓線路工程實(shí)際應(yīng)用情況為例，展開(kāi)航空標(biāo)志球的相關(guān)應(yīng)用計(jì)算分析。

1 工程應(yīng)用案例背景

2024年5月8日13時(shí)28分，鄭州市航空港區(qū)變電站4號(hào)主變一次充電成功，鄭州港區(qū)東500 kV輸變電工程全面建成投運(yùn)，標(biāo)志著河南省第51座500 kV變電站——500 kV航空變電站正式帶電運(yùn)行。工程投運(yùn)后，鄭州區(qū)域供電能力提高35萬(wàn) kW，進(jìn)一步優(yōu)化航空港區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為比亞迪工業(yè)園等重要企業(yè)提供可靠的供電保障。

此次投運(yùn)的鄭州港區(qū)東500 kV輸變電工程配套的500 kV超高壓線路，位于河南省鄭州市新鄭市國(guó)際機(jī)場(chǎng)東側(cè)，位于機(jī)場(chǎng)跑道端約13 km。根據(jù)相關(guān)要求及評(píng)估［1］，需要安裝航空警示燈、警示球等裝置。其中，警示燈主要安裝在桿塔的兩側(cè)橫擔(dān)及塔身上，警示球需要安裝在輸電線路的最上層地線上，即避雷器線。根據(jù)國(guó)際民航組織《國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)措施—機(jī)場(chǎng)》附件十四及國(guó)家有關(guān)規(guī)定，對(duì)于架空的輸電線，尤其是超高壓（500 kV）輸電纜線、跨江輸電纜線，應(yīng)在線路上設(shè)形狀醒目的航空標(biāo)志球（航空警示球），以供警示。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［1-3］，航空標(biāo)志球（航空警示球）直徑[Φ]=600 mm，重量不宜超過(guò)9 kg，球體外觀顏色可以為全白色、全橙色、全紅色、橙白雙色、橙紅雙色；球體材料為工程增強(qiáng)塑料，航空警示球與高壓線電纜的線夾為鑄鋁件，緊固件為不銹鋼。航空標(biāo)志球的構(gòu)造如圖1所示。

由于該工程線路位于新鄭國(guó)際機(jī)場(chǎng)的凈空保護(hù)區(qū)域內(nèi)，各檔地線均要加裝航空警示球，沿線路路徑每隔30 m安裝1個(gè)警示球，在兩根地線上相互交錯(cuò)安裝，安裝示意如圖2所示［1，4］。

距離桿塔側(cè)最近的航空警示球與所在地線的防振錘應(yīng)保持10 m以上間距，當(dāng)該間距小于10 m時(shí)，則直接將航空警示球安裝在距離地線防振錘10 m處［1-2］。

由于每個(gè)標(biāo)志球單重較重、外徑較大，對(duì)地線弧垂、風(fēng)荷載（特別是在覆冰情況下）的影響較大。如何計(jì)算安裝標(biāo)志球后的地線弧垂，不僅要確保地線在各種工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還要滿足規(guī)范中規(guī)定的導(dǎo)地線的距離要求，是本研究討論的重點(diǎn)。

2 工程基本情況概述

鄭州港區(qū)東500 kV輸變電工程配套500 kV線路工程為懷德-官渡Ⅱ回π入港區(qū)東變500 kV線路。該工程起于河南省鄭州市航空港區(qū)東500 kV變電站（航空變），止于懷官線07#、08#塔處附近，路徑長(zhǎng)為24.49 km；沿線海拔高度為35～85 m，地形為平地100 %；設(shè)計(jì)覆冰導(dǎo)線10 mm，地線15 mm，設(shè)計(jì)風(fēng)速27 m/s；線路導(dǎo)線均采用4×JL3/G1A-630/45型鋼芯鋁絞線，地線采用2根72芯OPGW-150光纜。氣象條件詳見(jiàn)表1，光纜主要參數(shù)見(jiàn)表2。

3 相關(guān)規(guī)范對(duì)地線的要求

根據(jù)規(guī)范［5-6］，導(dǎo)、地線在弧垂最低點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于 2.5、懸掛點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于 2.25，且地線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于導(dǎo)線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

為了符合防雷要求，導(dǎo)地線之間的距離要符合規(guī)范《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50064—2014）中的規(guī)定，有地線的線路應(yīng)防止雷擊檔距中央地線反擊導(dǎo)線，檔距中央導(dǎo)地線間距見(jiàn)式（1）。

[Si=0.015L+1] （1）

式中：Si表示在15 ℃無(wú)風(fēng)時(shí)導(dǎo)線與地線間的距離，m；L表示檔距長(zhǎng)度，m。

4 荷載分布

由于該工程距離新鄭國(guó)際機(jī)場(chǎng)較近，受機(jī)場(chǎng)限高的影響，新建的500 kV超高壓線路全高不得超過(guò)68 m，根據(jù)定位成果，線路桿塔平均檔距約為430 m，因在航空港區(qū)規(guī)劃區(qū)內(nèi)，線路全線設(shè)計(jì)對(duì)地按居民區(qū)控制。根據(jù)航空標(biāo)志球不超過(guò)30 m、等間距設(shè)置的原則，新建的超高壓線路有兩根地線，兩根地線應(yīng)遵循“每側(cè)地線不超過(guò)60 m、等間距設(shè)置、每側(cè)地線交錯(cuò)設(shè)置”的原則。根據(jù)430 m的平均檔距，每側(cè)地線要安裝約6個(gè)標(biāo)志球。

該工程采用的標(biāo)志球單重約為6.3 kg，安裝在地線上某個(gè)點(diǎn)均為集中荷載，但其按60 m一處固定在地線上，整體可視為均布荷載［6］，即相當(dāng)于約6.3×6=37.8 kg的荷載均勻分布在地線上。

5 相關(guān)荷載折算

5.1 重量折算

根據(jù)上述荷載分布分析可知，在計(jì)算安裝標(biāo)志球后地線弧垂時(shí)，可將標(biāo)志球視為均布荷載，這樣標(biāo)志球折算后的荷載為6.3/60×9.8=1.029 N/m。在計(jì)算地線弧垂時(shí)，可將該荷載視為地線重量的附加荷載參與計(jì)算。

5.2 冰荷載折算

該工程設(shè)計(jì)覆冰為10 mm，本研究采用兩種方法計(jì)算標(biāo)志球的覆冰折算。方法1：根據(jù)《架空輸電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》推薦［7］，在10 mm冰工況下，盤(pán)徑320 mm絕緣子單片覆冰3 kg折算，根據(jù)面積倍數(shù)關(guān)系，對(duì)于外徑600 mm的標(biāo)準(zhǔn)球，其覆冰重量計(jì)算為π×（600/2）2/[π×（320/2）2]×3=10.55 kg。方法2［8］：標(biāo)志球表面按10 mm覆冰厚度、冰密度按0.9 g/cm3計(jì)算，根據(jù)球體的計(jì)算公式可得，此時(shí)單個(gè)球的覆冰重量為10.53 kg。

同標(biāo)志球重量折算方法一樣，單個(gè)球覆冰重量也可視為均布荷載，即在計(jì)算地線覆冰弧垂時(shí)，其可視為地線冰重量的附加荷載參與計(jì)算。

5.3 風(fēng)荷載折算

導(dǎo)地線的風(fēng)荷載主要與其外徑有關(guān)［6］，即與導(dǎo)地線的徑向截面有關(guān)，對(duì)于標(biāo)志球?qū)Φ鼐€的影響，可考慮將其折算到地線外徑上［8］。對(duì)該工程采用的外徑為600 mm的標(biāo)志球，其折算過(guò)程如下。

①外徑600 mm標(biāo)志球受風(fēng)面積：S=π×（600/2）2=282 743.34 mm2；

②警示球60 m一個(gè)，平均到60 m，相當(dāng)于光纜每米增加受風(fēng)面積為4 712.39 mm2，相當(dāng)于外徑增加4.712 mm；

③對(duì)于該工程采用外徑16.6 mm的光纜，其外徑相當(dāng)于21.312 mm。

在計(jì)算地線弧垂前，要先計(jì)算出其對(duì)應(yīng)工況下的應(yīng)力，即地線最低點(diǎn)的水平應(yīng)力，再通過(guò)架空輸電線路檔內(nèi)的電線弧垂公式計(jì)算出其對(duì)應(yīng)工況下的弧垂［5，7］。其中，架空輸電線路應(yīng)力采用狀態(tài)方程計(jì)算，見(jiàn)式（2）。

[σm-γ2ml2Ecos3β24σ2m=σ-γ2l2Ecos2β24σ2-]

[αEcosβ（tm-t）] （2）

式中：[σm、σ]分別為已知和待求情況下的電線最低點(diǎn)的水平應(yīng)力，N/mm2；[γm、γ]分別為已知和待求情況下的電線比載，N/m·mm2；l為電線檔距，對(duì)具有懸垂絕緣子串的直線桿塔的連續(xù)檔，則為耐張段的代表檔距；E為電線的彈性系數(shù)，N/mm2；α為電線的溫度伸長(zhǎng)系數(shù)，1/℃。

在采用狀態(tài)方程計(jì)算時(shí)，一般選取最低氣溫、平均氣溫、最大風(fēng)和覆冰這四種工況作為控制工況。計(jì)算出電線應(yīng)力后，即可求出其對(duì)應(yīng)工況下的弧垂，其計(jì)算見(jiàn)式（3）［7］。

[f=σccosβrγcosβcoshγl2σccosβr-1] （3）

式中： l為計(jì)算弧垂檔的檔距，m；[β]為計(jì)算弧垂檔的高差角，°；[2σc]、[cosβr]分別為耐張段內(nèi)代表?yè)蹙嘀醒氲膽?yīng)力和代表高差角，°。

6 導(dǎo)地線配合計(jì)算

該工程導(dǎo)線采用JL/G3A-630/45高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線，地線采用兩根OPGW-150光纜。根據(jù)規(guī)范要求，導(dǎo)線安全系數(shù)為2.5，地線安全系數(shù)應(yīng)大于導(dǎo)線安全系數(shù)，同時(shí)要滿足在15 ℃無(wú)風(fēng)時(shí)導(dǎo)線與地線間的距離。根據(jù)式（1），通過(guò)試湊方法得到該工程地線安全系數(shù)為3.5。該工程平均檔距為430 m，但其最大檔距為600 m，所采用桿塔塔頭導(dǎo)地線間距離為7 m，通過(guò)上述所計(jì)算出的標(biāo)志球?qū)Φ鼐€所帶來(lái)的附加荷載，帶入式（2）、式（3）計(jì)算可得，在15 ℃無(wú)風(fēng)工況下，導(dǎo)線的弧垂為25.77 m，地線弧垂為19.74 m，布置在桿塔上的導(dǎo)地線間距為25.77+7-19.74=13.03 m，大于式（1）計(jì)算出的10 m。

7 結(jié)論

①作為單個(gè)集中荷載的航空標(biāo)志球，由于其等距均勻分布在地線上，因此在計(jì)算時(shí)，可將其視為均布荷載。即航空標(biāo)志球均勻地分布在地線上，在計(jì)算時(shí)將其視為地線的附加荷載折算到地線單重中。

②與將航空標(biāo)志球質(zhì)量視為均布荷載類(lèi)似，同樣可將其面積（外徑），在計(jì)算時(shí)將其視為地線的外徑附加外徑，折算到地線外徑中。

③由于將航空標(biāo)志球外徑折算到地線外徑后，對(duì)地線的覆冰會(huì)有影響。而氣象條件中地線覆冰15 mm是以其外徑為基準(zhǔn)的，航空標(biāo)志球外徑折算到地線外徑后，地線外徑“增加”，將導(dǎo)致15 mm覆冰的重量會(huì)增加。這種增加是偏保守的［8］，對(duì)桿塔荷載及安全是有利的。

綜上所述，根據(jù)本研究所采用的方法配合計(jì)算出的導(dǎo)地線弧垂，在鄭州港區(qū)東500 kV輸變電工程配套500 kV線路工程實(shí)際施工放線及運(yùn)維驗(yàn)收過(guò)程中，均滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。

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