架空輸電線路無跨越架封網(wǎng)計算方法研究

摘 要：首先，本文在封網(wǎng)參數(shù)的基礎上對封網(wǎng)承力索張力進行計算，并分析承力索最初的設置階段、正常工作階段以及承力索存在故障階段的張力。其次，確定封網(wǎng)狀態(tài)下承力索弧垂，計算交叉跨越凈空距離。最后，結果表明，算法2中空載狀態(tài)下承力索張力為4279.66N，安全系數(shù)仍為50，與施工方案規(guī)格的匹配度更理想。經(jīng)本文方法計算的承力索空載拉力值、承力索封網(wǎng)后拉力值、空載時承力索弧垂、封網(wǎng)后承力索弧垂值與測量結果相差的數(shù)值分別為26N、24N、0.075m、0.006m，最大誤差率不超過0.42%。由此可見，本文提出的計算方法更適合運用在實際架空輸電線路建設施工中。

關鍵詞：架空輸電線路；無跨越架封網(wǎng)；承力索張力；承力索弧垂；安全系數(shù)

中圖分類號：TL 098 " 文獻標志碼：A

隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，電網(wǎng)建設也在與時俱進，輸電線路建設作為電網(wǎng)建設的重要內(nèi)容，其建設過程中經(jīng)常會出現(xiàn)跨電力線的問題。由于工程現(xiàn)場的施工需求，無法對被跨越的電力線停電，因此要求在跨越電力線過程中不可以無電跨越[1]。隨著輸電線路建設方案優(yōu)化，以迪尼瑪繩索作為承力索，該繩索不僅絕緣且張力更佳，絕緣網(wǎng)的安裝離不開承力索的支撐[2]。在安裝導線的過程中發(fā)生故障導致導線突然掉落，絕緣網(wǎng)會接住導線，不會因?qū)Ь€直接掉落在其他電源線路而造成更大的事故，輸電線路施工過程需要保持帶電狀態(tài)。迪尼瑪繩索規(guī)格型號的選擇決定承力索的張力以及后續(xù)故障狀態(tài)時絕緣網(wǎng)的承接力，因此需要選擇符合施工要求的迪尼瑪繩索[3]。本文采用在塔上懸掛臨時橫擔，在臨時橫擔上懸掛滑車，在滑車里設置承力索，在承力索上封網(wǎng)保護高壓電力線的施工方法，該方法更簡單，安全風險也相對較小。但使用這種方法進行跨越封網(wǎng)需要合理選擇迪尼瑪承力索的規(guī)格，承力索的受力計算就顯得尤為重要，為架空輸電線路不停電跨越施工提供技術支持。

1 無跨越架封網(wǎng)計算

1.1 封網(wǎng)參數(shù)確定

表1為不同軸承在220kV電壓下的紅線Ⅰ和Ⅱ的參數(shù)情況，并結合工程中實際的跨越狀態(tài)，對220kV電壓下的紅線進行不停電封網(wǎng)，此時在工程線路的三相導線的部位設置單相封網(wǎng)成為主要的封網(wǎng)方法，而其具體的寬度C和單位長度的風壓W4（10）滿足的相關計算如公式（1）所示。

C≥2W4（10）[m（l-m）/（2H）+λ/ω]+b，W4（10）=0.0613kd

（1）

式中：m、l、H分別為現(xiàn)場線路附近的桿塔與跨越架之間的橫向長度、跨越檔之間的長度、導線水平張力；λ、ω、b、k、d分別為現(xiàn)場線路放線滑車的總長、定量導線質(zhì)量、面相橫向的同相子導線之間的長度、空氣動力系數(shù)、導線直徑，這里的空氣動力系數(shù)為1.1[4]。

此時，保護下面線路的絕緣網(wǎng)長度lW須滿足lW≥n/sinα+C/tanα+2lb[2]，其中n、α、lb分別為被跨越的紅線其兩端線路之間的長度、跨越過程中產(chǎn)生的角度、絕緣網(wǎng)的一端超過電力線的距離。一般會選擇一種絕緣桿作為封網(wǎng)工具，該工具通常為玻璃鋼材質(zhì)，長度為6.5m，絕緣桿數(shù)量為12根，間距固定為3.5m，且絕緣桿間通過長度為3.5m的繩子連接控制，并將絕緣桿橫吊在2條垂直向下的迪尼瑪繩子上，2條繩子（型號為?18）間的距離為6.5m，絕緣桿的橫吊工具通常為滑車或者環(huán)扣[5-6]。

要搭建一個臨時的橫擔，通常選擇鋼制的橫擔，尺寸為32.5m×0.55m×0.55m，鐵塔本身有一個橫擔，因此臨時的橫擔通常設置在原橫擔的下方，并距離原橫擔8.5m。

1.2 封網(wǎng)承力索張力計算

承力索的狀態(tài)分為2種，一種是正常的工作狀態(tài)，另外一種是存在故障時的工作狀態(tài)[7]。當正常工作時，承力索承受自身質(zhì)量和封網(wǎng)設備質(zhì)量2個方面的力，此時的荷載分布均勻，且只有1個荷載。但當承力索存在故障時，導線會從高處落下，掉落至保護網(wǎng)中，此時承力索除了承受自身封網(wǎng)設備的質(zhì)量外，還要承受落入保護網(wǎng)中導線的質(zhì)量，此時荷載分布均勻，但封網(wǎng)的兩側(cè)均要承受一個荷載，均勻分布的荷載以及聚集在一處的荷載，單根承力索承受質(zhì)量按封網(wǎng)后質(zhì)量疊加的一半計算，同時導線分裂成多個單位長度和單位質(zhì)量的導線，承力索存在故障時受力如圖1所示。封網(wǎng)承力索張力要根據(jù)承力索所處的階段來計算，承力索一般處于3種階段，最初的設置狀態(tài)階段、正常工作階段、承力索存在故障時的階段。因此，要根據(jù)不同階段分別對承力索的張力進行計算[8]。

上文獲取了承力索在最初的設置狀態(tài)階段的張力，需要通過承力索狀態(tài)公式獲取封網(wǎng)狀態(tài)下的承力索張力H1，如公式（2）所示。

（2）

式中：K0為第一階段承力索張力；l為跨越檔之間的長度；ω0為承載索單位長度質(zhì)量；S為承力索截面積；E為承力索彈性模量；K1為封網(wǎng)狀態(tài)下的承力索張力；h為承載索懸掛點之間垂直高度差。

其中，滿足ωt=ω0+ωf（ω1、K1、β分別為封網(wǎng)狀態(tài)下的承力索單位長度質(zhì)量、對承力索加長的系數(shù)以及跨越檔長度差距，跨越檔長度差距滿足tanβ=h/l）。

如果封網(wǎng)位置與跨越檔位置出現(xiàn)交集時，跨越檔長度差距滿足K1=K12-K11，此時跨越檔內(nèi)部封網(wǎng)的起點和終點的長度差距如公式（3）所示。

（3）

式中：ω0為承載索單位長度質(zhì)量；ω1為封網(wǎng)狀態(tài)下的承力索單位長度質(zhì)量；ai為承力索上的力點與封網(wǎng)之間的直線距離，且滿足i=1或2，此時 i表示封網(wǎng)的始末點。

當承力索處于故障時，分為靜態(tài)和動態(tài)2個階段。當處于故障的靜態(tài)階段時，導線落入封網(wǎng)內(nèi)，承力索張力增加，此時承力索張力為H2，如公式（4）所示。

（4）

式中：K3為導線掉落封網(wǎng)內(nèi)因重力而造成封網(wǎng)長度增加的系數(shù)；K4為導線掉落在封網(wǎng)內(nèi)，因封網(wǎng)兩側(cè)的荷載增加而導致承力索長度增加的系數(shù)。

同時K3=K32-K31，ω2=ω1+ωd。此時跨越檔內(nèi)部封網(wǎng)的起點和終點的長度差距如公式（5）所示。

（5）

式中：ω2為封網(wǎng)設備質(zhì)量和導線單位質(zhì)量的總和；ωd為封網(wǎng)過程中導線單位質(zhì)量，且K4=K42+K41。

此時跨越檔內(nèi)部封網(wǎng)的起點和終點的長度差距如公式（6）所示。

（6）

式中：Pi為封網(wǎng)兩側(cè)的荷載。

同時滿足，。

當處于故障的動態(tài)階段時，導線落入封網(wǎng)內(nèi)，承力索張力增加，此時承力索張力為H3，而承力索單位長度質(zhì)量滿足 ω3=ω1+KdKhωd，且導線從高處掉落至封網(wǎng)中，因為自身重力造成一瞬間的沖力，該沖力系數(shù)用Kd 表示，在單回路時沖力系數(shù)為1.56，雙回路時沖力系數(shù)為2.78。Kh表示導線掉落后的不均衡系數(shù)，該系數(shù)為1.16。承力索故障時其動態(tài)安全系數(shù)滿足Ks=Tp/K3，且Ksgt;6。

1.3 封網(wǎng)狀態(tài)下承力索弧垂

當承力索存在故障時，跨越物上方的封網(wǎng)最低點與被跨越物之間的垂直距離需要滿足安全規(guī)則的要求，計算跨越點封網(wǎng)最低處的弧垂，如公式（7）所示。

fx=hA+x×tgβ-s-hx （7）

式中：s、x、hx、hA、β分別為故障時封網(wǎng)凹點與被跨越物之間的長度、被跨越物上方封網(wǎng)的最凹點與桿塔之間的距離、被跨越物最高點的高程、塔桿A點的承力索高程、AB兩點的承力索跨越過程中產(chǎn)生的角度。

1.4 交叉跨越凈空距離計算方法

結合上文獲取的封網(wǎng)承力索張力相關計算，根據(jù)電線力學理論及幾何關系可以推導出相關公式。

在導線的布置過程中，導線上任何一個點的弧垂如公式（8）所示。

（8）

式中：Wd、Td分別為子導線質(zhì)量以及子導線的張力，通常會選擇12%的破斷張力。

導線點的高程如公式（9）所示。

（9）

封網(wǎng)承力索點的高程如公式（10）所示。

（10）

導線設置時，與封網(wǎng)承力索間的凈空距離如公式（11）所示。

Δh=hDx-hx （11）

封網(wǎng)承力索距所跨線路的凈空距離如公式（12）所示。

Δh=hx-h0，x=l0 （12）

獲取承力索空載、正常運行、靜態(tài)故障、動態(tài)故障4種情況下凈空距離。當交叉跨越凈空距離不符合要求時，需要對封網(wǎng)裝置點高程、初始安全系數(shù)等進行調(diào)整。

2 架空輸電線路計算方法驗證

2.1 承力索張力對比

以某地區(qū)電力設計有限公司所承包的工程項目為例，該項目中存在110處封網(wǎng)跨越區(qū)域，均為不停電操作，通過本文方法在不停電的情況下完成項目設計及布置。該項目整體電壓為220kV，將線路設計成同塔雙回路，選擇鋼芯鋁材質(zhì)的導線，該導線型號通常為2×JL/G1A-630/45，試驗中需要進行不停電施工。采用3種算法對該項目的相關數(shù)據(jù)進行計算。

算法1：將各工況下單根承力索受力視作均布荷載，各工況下單根承力索單位質(zhì)量以檔距為折算距離。

算法2：均勻分布的荷載以及聚集于一處的荷載，單根承力索承受質(zhì)量按封網(wǎng)后質(zhì)量疊加的一半計算，同時導線分裂成多個單位長度和單位質(zhì)量的導線，算法2為本文采用的計算方法。

算法3：故障發(fā)生前的承力索受力看成一個均勻分布的荷載，故障發(fā)生時看成2種均勻分布的荷載和聚集于兩側(cè)的荷載，封網(wǎng)后單位質(zhì)量通過絕緣繩長度獲取。

通過3種算法計算承力索張力，見表2。算法1與算法2計算出的承力索張力數(shù)據(jù)更接近，算法3因數(shù)據(jù)不符被排除。對比算法1和算法2可知，算法1中，空載狀態(tài)下承力索張力為2492.39N，安全系數(shù)為50。而算法2中空載狀態(tài)下承力索張力為4279.66N，安全系數(shù)仍為50。因此算法2中的承力索張力值及安全系數(shù)與其規(guī)格的匹配度更理想，本文計算方法更適合運用在實際的輸電線路建設中。

2.2 計算結果與實測數(shù)據(jù)對比

通過本文算法計算承力索空載拉力、空載時承力索弧垂、承力索封網(wǎng)后拉力、封網(wǎng)后承力索弧垂，同時通過儀器實測各個數(shù)據(jù)，2種數(shù)據(jù)如圖2所示?，F(xiàn)場測量的承力索空載拉力值為6462N，本文計算值為6436N，錯誤率0.4%；現(xiàn)場測量的承力索封網(wǎng)后拉力值為8175N，本文計算值為8199N，錯誤率只有0.29%；現(xiàn)場測量的空載時承力索弧垂值為1.785m，本文計算值為1.71m，錯誤率0.42%；現(xiàn)場測量的封網(wǎng)后承力索弧垂值為2.854m，本文計算值為2.86m，錯誤率0.21%；由此可見，通過本文研究的計算方法計算出的相關數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)很接近，且錯誤率最大不超過0.42%，因此本文研究的計算方法所計算出的數(shù)據(jù)準確率極高。

3 結語

在本文對架空輸電線路無跨越架封網(wǎng)算法的研究中，進行了封網(wǎng)承力索張力、封網(wǎng)狀態(tài)下承力索弧垂、交叉跨越凈空距離的計算。因為封網(wǎng)承力索張力的計算過程中，施工狀態(tài)存在多樣性，所以對不同階段的承力索張力進行計算。試驗結果表明，與其他算法相比，本文計算空載狀態(tài)下承力索張力為4279.66N，安全系數(shù)為50，與工程方案要求的規(guī)格匹配度更理想；現(xiàn)場測量的承力索空載拉力值、承力索封網(wǎng)后拉力值、空載時承力索弧垂值、封網(wǎng)后承力索弧垂值分別為6462N、8175N、1.78m、2.85m，而本文算法得出值分別為6436N、8199N、1.71m、2.86m，計算值錯誤率最大不超過0.42%，因此本文研究的計算方法所計算出的數(shù)據(jù)準確率極高，且更適合運用在實際的輸電線路建設施工方案中。

參考文獻

[1]陳亦，曾遠，李曉斌，等.超高分子聚乙烯繩索在封網(wǎng)跨越施工中的應用[J].機械設計與制造，2023（4）：152-157.

[2]夏擁軍，賈寧，萬建成，等.懸索式跨越架用纖維繩索非線性本構關系試驗研究[J].機械設計與制造，2021（2）：58-61.

[3]孟凡豪，夏擁軍，馬勇，等.懸索式跨越架用吸能裝置吸能效果試驗分析[J].振動與沖擊，2022，41（8）：11.

[4]黃力，唐嘉暉，唐波，等.基于特征模理論的輸電線路鐵塔無源干擾研究[J].高電壓技術，2023，49（6）：2598-2606.

[5]吳田，付道睿，彭勇，等.1000kV輸電線路耐張塔帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電流脈沖波形特征參數(shù)研究[J].電網(wǎng)技術，2022（46）：33-36.

[6]鄒丹旦，余霜鴻，邵戎，等.考慮復雜山地風加速的架空線路風偏閃絡故障分析[J].電瓷避雷器，2022（4）：9.

[7]楊剛，傅中，程洋，等.同塔雙回輸電線路相參數(shù)新測量計算方法[J].電網(wǎng)技術，2023，47（6）：2522-2529.

[8]周偉績，李鳳婷，解超，等.基于準兩相跳閘的同桿雙回輸電線路跨線故障跳閘策略[J].南方電網(wǎng)技術，2023，17（11）：130-137.