架空輸電線路絕緣子串機械強度計算方法優化

張尚云

國電龍源節能技術有限公司上海分公司 上海 200333

引言

架空輸電線路主要由桿塔、導線、地線、絕緣子、和金具等組成。其中絕緣子是其主要構件之一，其作用是在正常運行和過電壓下承受各種荷載保證線路有足夠的電氣絕緣，架空輸電線路上的絕緣子，由于桿塔的結構、絕緣子型式、導線型號、每相導線的根數及電壓等級不同，將有不同的組裝形式，總結起來可以分為懸垂組裝和耐張組裝兩大類。隨著架空線路輸電電壓等級提高，絕緣子的合理選用至關重要。本文結合實際案例數據對選擇絕緣子時，絕緣子的機械強度計算方法進行分析，提出現有輸電線路設計手冊中計算方法的不足，對其進行優化，使得計算精度更高，以便更加精確的選擇絕緣子型號。

1 絕緣子的機械強度計算

某66kV輸電線路，經過山區，采用單導線LGJ-400/65，假定山區線路經過地區覆冰厚度為10mm，山區風速取32m/s，絕緣子重量取120kg，某塔水平檔距為800m，垂直檔距為600m。計算懸垂塔懸式絕緣子串的機械強度要求。絕緣子機械強度安全系數[1]見表1，LGJ型鋼芯鋁絞線的常用數據[2]見表2。

表1 絕緣子機械強度安全系數

表2 LGJ型鋼芯鋁絞線的廠用數據

1.1 絕緣子機械強度計算[3]

K×F?Fu

其中:K為絕緣子機械強度安全系數；F為最大設計使用荷載(N)；Fu為絕緣子機械強度破壞荷載(N)；

1.2 懸式絕緣子最大設計使用荷載F計算[3]

(1)覆冰工況

其中:F1為導線覆冰時綜合荷重(N)；P7為導線覆冰時的單位荷重(N/m)；lv為線路最大垂直檔距(m)；G1為覆冰時絕緣子荷重(N)。P3為自重力加冰重力荷載(N/m)，P5為覆冰時風荷載(N/m)，其中覆冰時風速取10m/s，覆冰工況電線風壓不均勻系數α取1，電線體型系數μsc取1.2。

(2)大風工況

其中:F2為導線大風時綜合荷重(N)；P6為導線大風時的單位荷重(N/m)；lh為線路最大垂直檔距(m)；G1為覆冰時絕緣子荷重(N)。P4為無冰時風荷載(N/m)，P1自重力荷載(N/m)，其中無冰時風速取32m/s，大風工況電線風壓不均勻系數α取0.75，電線體型系數μsc取1.1。

綜合覆冰工況和大風工況絕緣子機械破壞荷重Fu，取大者49.92kN。所選擇絕緣子機械破壞荷重應大于49.92kN，可選擇絕緣子串額定破壞荷重50kN產品。

2 絕緣子機械強度計算過程優化

電線橫向風荷載通常近視認為是電線單位長度上的風壓與桿塔兩側檔距平均值(水平檔距)乘積。電線垂直荷載通常近似認為是電線單位長度上的垂直荷載與桿塔兩側電線最低點間的水平距離之(垂直檔距)乘積[3]。

結合以上電線風荷載和垂直荷載的定義分析懸式絕緣子覆冰工況公式:F=F1+G1，F1=P7×lv，也就是覆冰工況下荷重為覆冰時綜合荷重加上絕緣子串重，覆冰時綜合荷重為覆冰時綜合荷載與垂直檔距乘積。而綜合荷載是絕緣子垂直方向的垂直荷載和水平方向的風荷載合成的荷載，合成荷載方向和垂直檔距方向不同，這樣直接相乘計算結果不精確。應分別用垂直方向的垂直荷載與垂直檔距相乘后得垂直方向上的荷重，用水平方向的風荷載與水平檔距相乘得水平荷重，然后兩個方向的荷重再合成為綜合荷重。另外其將綜合荷重直接與絕緣子串重相加得出覆冰工況荷重，這樣計算也過于粗略，應該在上述計算垂直方向的垂直荷重和水平方向的風荷重的過程中分別加上絕緣子串的重量，由于絕緣子串所受風荷載很小此處忽略。大風工況與此觀點雷同此處不做贅述，優化后計算過程如下(其中部分正確數據直接取原計算結果):

(1)覆冰工況設計使用荷重:

覆冰工況絕緣子機械破壞荷重:

Fu?K×F=2.7×16046.6

=43325.9N=43.4kN

(2)大風工況設計使用荷重:

大風工況絕緣子機械破壞荷重:

Fu?K×F=2.7×15915.6

=42972.12N=42.98kN

綜合覆冰工況和大風工況絕緣子機械破壞荷重Fu，取大者43.4kN。所選擇絕緣子機械破壞荷重應大于43.4kN即可，可選擇絕緣子串額定破壞荷重45kN產品。

由此可見優化后計算結果小于原計算結果。這種差異在水平檔距和垂直檔距相差較大時尤為明顯。

3 結論

綜上所述優化后絕緣子機械荷重計算更為精確，為設計過程中絕緣子串選擇提供更加精確的數據，便于更為合理的選擇絕緣子串。