500kV輸電線路放線應力弧垂設計校核

歐陽克儉，劉純，陳軍君，謝億

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙410007)

500kV 輸電線路作為重要的生命線工程，其電線(導、地線)線徑大、大檔距多，跨越區域地形、氣候復雜〔1－2〕。桿塔結構受力由電線傳遞，正確的電線放線應力關系到桿塔運行安全。設計校核作為施工前的最后一道技術工序，可校核檢驗設計誤差，確保工程施工安全和質量〔3－4〕。文中基于電線力學基本理論，采用數值迭代計算法，編寫了電線放線應力弧垂設計校核計算程序，并以某500 kV 線路為案例，開展了校核計算。至今，已對不同電壓等級的多條輸電線路進行了放線應力弧垂校核計算，計算結論正確，程序運行穩定。

1 放線應力弧垂計算規程要求

在進行電線放線應力弧垂設計時，首先應選取氣象條件和安全系數計算，一般情況下，從工程設計角度分析，作為控制的氣象條件有4 種〔5〕:1)周圍環境氣溫最低、無冰、無風;2)有最大的風速與相應的氣溫、無冰;3)覆冰，氣溫t =－5 ℃、有相應的風速;4)按當地的年平均氣溫，而且認為可能發生振動，無冰、無風、電線應力按電線破壞應力的25%計算。

文獻〔6〕規定:電線在弧垂最低點的最大應力，是以安全系數K 除電線的破壞應力σp，得到用公式表示為

式中 σmax為電線在弧垂最低點最大應力;σP為導線或地線的瞬時破壞應力;K 為導、地線安全系數。

導線的設計安全系數選取不應小于2.5;地線安全系數宜大于導線;在有防振措施的情況下，導地線的平均運行應力不得超過破壞應力的25%。

2 放線應力弧垂計算

從一種確定狀態下的電線應力推求某一未知狀態下的電線應力時，基本原理是基于2 種狀態下電線長度之間的關系建立對應的應力關系。即當電線懸掛點之間的距離固定時，計算出2 種不同氣象條件下的幾何線長，可以通過線長相等原則換算另一狀態的導線應力，電線狀態方程表述為:

當已知1，2，…，n 個應力限定條件時，其相應的參數為γmx，tmx，σmx，將它們分別代入狀態方程，則式(2)可寫為

從式(2)可知，電線放線應力計算首先需要獲得不同檔距下的已知條件，這個已知條件稱為“控制條件”，對應的檔距稱為“臨界檔距”。

在式(3)中若令系數

則其中的Fm最大者為推求應力的“控制條件”，那么只需將上式中的檔距為變量，通過對比各限定條件的Fm值即可選出控制條件和有效臨界檔距。

根據式(2)，將控制氣象情況下的比載、氣溫和許用應力作為已知數據，將待求電線應力的氣象條件的比載、氣溫作為另一種氣象情況下的數據代入狀態方程，即可得到各種待求狀態下的電線應力。

則式(3)可寫為如下的一元三次方程

采用數值計算方法可以求解式(5)并得到滿意的結果。

在計算得到放線應力之后，可以通過式(6)求得弧垂:

式中 φ 為懸掛點的高差角。

3 校核計算程序開發

通過文獻〔6－7〕，可以查得待計算電線的物理特性參數(直徑、單位重量、面積、彈性模量、溫度膨脹系數等)。通過輸入最大覆冰厚度、設計風速程序可以自動求得電線的體型系數和風壓不均勻系數。根據常規電線應力值，輸入電線水平應力初始值，程序即可計算得出電線的放線應力和弧垂(百米弧垂)，在求得放線應力的基礎上，通過安全系數計算放線應力取值區間，進而判別校核計算結果的正誤。設計校核計算程序將放線應力和弧垂自動輸出在同一張圖上，便于對比分析。具體程序流程如圖1 所示。

圖1 校核計算程序流程框圖

4 設計校核計算工程案例

4.1 工程概況

根據相關標準要求，參考相關資料，某500 kV 試驗線路設計大風為27 m/s ，設計覆冰厚度為50 mm，導、地線特性參數見表1，輸電線路耐張段如圖2 所示。

表1 電線特性參數

圖2 線路三維圖形

4.2 校核計算結果

地線(XGJ－180)設計校核值與錯誤設計值的對比見表2。限于篇幅，文中只給出5 個典型代表檔距和對應4 個氣溫值的放線應力。正確的放線應力在不同溫度、不同代表檔距的應力值在45 MPa左右，其中溫度為5 ℃，代表檔距350 m 時，放線應力值為45.03 MPa，對應弧垂為4.286 m。設計院給出的地線放線應力表中對應條件下的放線應力值僅為5.22 MPa，對應的弧垂值為36.975 m。兩者進行對比分析，差值接近一個數量級(85%左右)，說明放線應力弧垂設計錯誤。

導線(JLHA1/G1A－460/60)放線應力在不同溫度、不同代表檔距的應力值在18 MPa 左右，其中溫度為－5 ℃，代表檔距350 m 時，放線應力值為18.22 MPa。導線放線應力設計值與校核計算結果吻合，設計無誤。

表2 地線放線應力設計校核值與錯誤設計值對比

5 結論

文中開發了輸電線路放線應力弧垂設計校核程序，并對某500 kV 試驗線路進行了導地線放線應力弧垂設計校核。

地線型號XGJ－180 放線應力表數據計算錯誤，給出的350 m 代表檔距在溫度為5 ℃的放線應力值僅為5.22 MPa，而相對應的正確值應為45.03 MPa。對比分析確定，如采用錯誤放線應力值，最終將導致施工放線弧垂錯誤，要求設計方進行了重新設計和出圖，確保了工程安全和順利竣工。

〔1〕歐陽克儉，胡波濤，陳軍君，等． 特高壓輸電導線斷線沖擊效應研究〔J〕． 中國電力，2013，46(7):53-57．

〔2〕歐陽克儉，劉純，陳紅冬，等． 500 kV 輸電線路子導線斷裂原因分析〔J〕． 電力建設，2012，33(11):74-78．

〔3〕邵天曉． 架空送電線路的電線力學計算〔M〕． 北京:中國電力出版社，2003．

〔4〕孔偉，代曉光，楊振偉，等． 架空線應力弧垂曲線的Matlab實現〔J〕． 中國電力，2009，42(7):46-49．

〔5〕張殿生． 電力工程高壓送電線路設計手冊〔M〕． 北京:中國電力出版社，2002．

〔6〕國家經濟貿易委員會． DL/T5092—1999 110～500 kV 架空送電線路設計技術規程〔S〕． 北京:中國電力出版社，1999．

〔7〕中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會． GB 3428—2012 架空絞線用鍍鋅鋼線〔S〕． 北京:中國標準出版社，2013．