基于VB的高壓架空送電線路的導(dǎo)線力學(xué)計(jì)算

許煥學(xué) 邵文錄

（淶水供電公司，河北 保定 074100）

面對(duì)日益增長(zhǎng)的電力建設(shè)任務(wù)，迫切需要解決架空送電線路中最基礎(chǔ)的力學(xué)計(jì)算，為合理規(guī)劃工程項(xiàng)目、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

高壓架空送電線路的導(dǎo)線力學(xué)計(jì)算是采計(jì)算機(jī)為操作平臺(tái)。由于利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，使得計(jì)算結(jié)果的精度和速度達(dá)到了令人滿意的效果。本文介紹了軟件采用的設(shè)計(jì)原理、數(shù)據(jù)庫的設(shè)紹了軟件紹了軟件采用的設(shè)計(jì)原理、數(shù)據(jù)庫的設(shè)置和及結(jié)果的輸出格式，以及在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

1 數(shù)學(xué)模型的確定

1.1 導(dǎo)線應(yīng)力、弧垂概念的引入

對(duì)運(yùn)行中的架空送電線路常年受到各種自然環(huán)境及氣象條件的影響。導(dǎo)線經(jīng)常受到自重、覆冰，大風(fēng)等氣象條件的作用，處這些外力的作用下的任意一檔導(dǎo)線，其導(dǎo)線橫截面上均有內(nèi)力存在。我們將作用于單位截面上的作用力稱為應(yīng)力。對(duì)于某一檔導(dǎo)線來講各截面的應(yīng)力均不相等，其方向?yàn)樵擖c(diǎn)的切線方向。在應(yīng)力作用下沿導(dǎo)線分布的個(gè)點(diǎn)與兩懸掛點(diǎn)間連線出現(xiàn)了距離，我們將導(dǎo)線某點(diǎn)與兩懸掛點(diǎn)間連線的垂直距離成為該點(diǎn)的弧垂。本文的論述中導(dǎo)線應(yīng)力均指該檔中導(dǎo)線最低點(diǎn)的水平應(yīng)力，弧垂指導(dǎo)線最低點(diǎn)的弧垂，在導(dǎo)線型號(hào)確定的一檔導(dǎo)線中，在同一氣象條件控制下應(yīng)力和弧垂的成反比關(guān)系。

綜合考慮導(dǎo)線的安全運(yùn)行和工程的本體造價(jià)，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，就要在導(dǎo)線機(jī)械強(qiáng)度允許的前提下，盡量減小導(dǎo)線弧垂，以降低工程造價(jià)。在一條線路架設(shè)竣工后，導(dǎo)線的應(yīng)力隨著氣象條件的變化而變化，但線路設(shè)計(jì)要求，在任何可能的危險(xiǎn)氣象條件下，導(dǎo)線的應(yīng)力都不超過導(dǎo)線所允許的應(yīng)力，即導(dǎo)線的最大使用應(yīng)力，用公式表示為

式中，σmax為導(dǎo)線或地線在弧垂最低點(diǎn)的最大使用應(yīng)力，N/mm2；σp為導(dǎo)線或地線的瞬時(shí)破壞應(yīng)力，Mpa；K為導(dǎo)線或地線設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

DL/T5092設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程規(guī)定：一般地區(qū)，設(shè)計(jì)安全系數(shù)取不應(yīng)小于2.5。在《城市電力規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)指出：對(duì)于大中城市的電力網(wǎng)，可把安全系數(shù)提高到3.0～5.0，最大可增至5以上。

1.2 臨界檔距的計(jì)算及控制氣象條件的判別方法

對(duì)于某一確定型號(hào)的導(dǎo)線來說，導(dǎo)線上的應(yīng)力受到不同氣象條件的影響。如果指定其最大應(yīng)力為某一確定值時(shí)，各種氣象條件可能在不同的檔距范圍內(nèi)起控制作用，一般情況下，從工程設(shè)計(jì)角度上分析，可能作為控制條件的氣象條件有四種，顯然，存在這樣一個(gè)檔距（用lJ表示），在此檔距時(shí)這兩個(gè)控制條件同時(shí)起作用，當(dāng)實(shí)際檔距l(xiāng)＞lJ時(shí)一種氣象條件起控制作用，當(dāng)l＜lJ另一種氣象條件起控制作用，這樣的檔距稱為臨界檔距，其計(jì)算公式如下。

連續(xù)檔臨界檔距計(jì)算公式

孤立檔的臨界檔距計(jì)算公式

在式（2）、式（3）中，lJ為臨界檔距，m；σm，nσ，為兩種可能控制氣象條件所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線最大使用應(yīng)力，N/mm2；tm，tn為兩種控制氣象條件所對(duì)應(yīng)的氣溫，℃；gm，gn分別為兩種控制氣象條件所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線比載，N/m·mm2；a為導(dǎo)線的溫度線膨脹系數(shù)，1/℃；E為導(dǎo)線的彈性系數(shù)，N/mm2；?為桿塔高差角，（°）；K2m，K2n分別為兩種控制氣象條件對(duì)應(yīng)的絕緣子串的比載增大系數(shù)，其中

式中，l為實(shí)際檔距，m；gJm、gJn分別為兩種控制氣象條件所對(duì)應(yīng)的絕緣子串的比載，N/m·mm2，

其中

式中，gJm、gJn分別為兩種控制氣象條件所對(duì)應(yīng)的絕緣子串重力，N；S為導(dǎo)線截面積，mm2；λ為耐張串長(zhǎng)度，m。

工程設(shè)計(jì)中將周圍環(huán)境氣溫最低、最大風(fēng)速、覆冰3種氣象條件組合列為可能的控制氣象條件，但出于導(dǎo)線防振的角度考慮，提出年平均氣溫也作為控制氣象條件。上述的四種條件采用哪一種組合氣象條件作為控制條件。首先計(jì)算出各種氣象條件下的g/σk值，并按其各自的大小，由小到大排序分別用以a、b、c、d表示。假如其中有兩種氣象條件的g/σk值相等，則需計(jì)算這兩種氣象條件的（σk+aEt）值，取其中較小者，直接舍去較大者。排序后的表格見表1。

表1 臨界檔距排列表

按照式（2）或式（3）計(jì)算出臨界檔距填入表1中，先從g/σk值最小的a欄值內(nèi)開始判別，取該欄中最小的一個(gè)臨界檔距（注意：不是虛數(shù)或零），如果該檔距值為正數(shù)，則此檔距即為第一個(gè)有效臨界檔距。

根據(jù)上述原則，以此類推判別到最后一欄（d欄）。但是要注意不論哪一欄內(nèi)，如果其中有一個(gè)臨界檔距值為虛數(shù)或零值時(shí)，則該欄所有檔距都要舍去，即該欄內(nèi)無有效臨界檔距。

當(dāng)a、b、c欄臨界檔距值均為零或虛數(shù)時(shí)，此時(shí)整條線路沒有臨界檔距，則全部以d欄所在的氣象條件為控制氣象條件。

1.3 適合程序計(jì)算的導(dǎo)線應(yīng)力、弧垂公式

通常在程序中采用忽略一些微小量簡(jiǎn)化后的近似公式

式（8）稱為狀態(tài)方程，可根據(jù)m氣象條件下的σm、tm、gm求出新氣象條件下的σn、tn、gn的值，反之亦然。

狀態(tài)方程中的應(yīng)力σn(κ+1)式（9），是一個(gè)三次代數(shù)方程，采用適合計(jì)算機(jī)運(yùn)算的牛頓法求解。

狀態(tài)方程中應(yīng)力的求解方法同上，推導(dǎo)出的應(yīng)力公式同式（9）。式中

2 借助VB編程實(shí)現(xiàn)架空導(dǎo)線力學(xué)運(yùn)算

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先收集工程沿線的氣象資料，如沿線的氣象與DL/T5092設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程規(guī)附錄A（標(biāo)準(zhǔn)的附錄）典型氣象區(qū)接近，宜采用典型氣象區(qū)所列數(shù)值。但仍需參考國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程中所列的典型氣象區(qū)數(shù)值，綜合確實(shí)計(jì)算用的氣象條件組合。通常經(jīng)常用到的氣象條件為：最溫度50℃ 、外過電壓、內(nèi)過電壓等氣象條件。此外再確定導(dǎo)線的最大用用應(yīng)力及年平均運(yùn)行應(yīng)力值，計(jì)算各種氣象條件下的比載。根據(jù)臨界檔距計(jì)算公式及控制氣象條件的判別方法，確定有效臨界檔距，判別控制氣象條件，根據(jù)臨界檔和控制氣象條件計(jì)算所需要的各種氣象條件下的弧垂和應(yīng)力。

1）導(dǎo)線、地線材料參數(shù)的處理

架空導(dǎo)線、地線按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分類，型號(hào)多，而這部分內(nèi)容重復(fù)使用，為簡(jiǎn)化計(jì)算且保證原始數(shù)據(jù)輸入的正確性，故采用數(shù)據(jù)庫的形式輸入，在實(shí)際的使用中只需在下拉菜單中選擇所需的導(dǎo)線型號(hào)，其所需參數(shù)就會(huì)自動(dòng)調(diào)出。為了便于對(duì)導(dǎo)線、地線數(shù)據(jù)庫的維護(hù)，采取人機(jī)交互界面進(jìn)行維護(hù)。

2）氣象條件參數(shù)的處理

根據(jù)DL/T5092設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程規(guī)對(duì)我國(guó)不同地區(qū)搜劃分的九個(gè)典型氣象區(qū)，本設(shè)計(jì)采用典型氣象區(qū)所列數(shù)值。處理方法同上。當(dāng)線路沿線的實(shí)際氣象情況與典型區(qū)中的某一個(gè)相近時(shí)，即可在下拉菜單中選擇所需要的氣象區(qū)。但考率到實(shí)際工程的特殊性，可對(duì)該典型氣象區(qū)中的的某個(gè)值進(jìn)行調(diào)整。

3）結(jié)果輸出

將所需氣象條件下導(dǎo)線應(yīng)力和弧垂計(jì)算結(jié)果形成表或曲線，結(jié)果可以按使用者的需要選擇輸出到Excle或auto CAD中。

3 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軟件計(jì)算數(shù)據(jù)的正確性，筆者進(jìn)行了各種氣象條件下的嚴(yán)格比對(duì)，即將各種氣象條件下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程中使用過的圖紙數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果數(shù)據(jù)完全吻合。

現(xiàn)將軟件的運(yùn)算的輸出結(jié)果舉一例如下：設(shè)某架空線路所用導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-300/40，氣象條件為Ⅳ氣象區(qū)，最大使用應(yīng)力為10kgf/mm2，導(dǎo)線設(shè)計(jì)強(qiáng)度安全系數(shù)為2.6，導(dǎo)線特性曲線計(jì)算結(jié)果如表2所示（采用非國(guó)際單位制計(jì)算）。

表2 導(dǎo)線應(yīng)力和弧垂表

表2中數(shù)據(jù)為工程沿線處于Ⅳ氣象區(qū)時(shí)的導(dǎo)線特性曲線。在線路工程初步設(shè)計(jì)中需要用到各種氣象條件組合下的應(yīng)力和弧垂值來計(jì)算和校驗(yàn)各種電氣距離，此表簡(jiǎn)單、清晰，為工程設(shè)計(jì)提供了必要的技術(shù)支持。

4 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際工程要求，充分考慮工程中遇到的各種因素，編制出可以向工程實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算軟件，采用比較先進(jìn)的可視化編程工具，提高了計(jì)算結(jié)果的精度，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，且操作方便，適合目前電力建設(shè)中使用。自2004年投入工程中應(yīng)用以來，實(shí)踐證明完全能夠滿足工程設(shè)計(jì)及施工需要。

[1]張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)電力出版社.2002∶166-232.

[2]DL/T 5092-1999110～500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].中國(guó)電力出版社,1999∶7-11.

[3]GB 50061-97.66kV及以下架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社,1998∶4-8.

[4]周振山. 高壓架空送電線路機(jī)械計(jì)算[M].北京∶水利電力出版社,1984∶17-131.

[5]郭喜慶. 架空送電線路設(shè)計(jì)原理[M].北京∶中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1997.

[6]邵天曉. 架空送電線路的電線力學(xué)計(jì)算[M].北京∶中國(guó)電力出版社,2003.

[7]邢春茂.架空送電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)[M]. 東北電力科學(xué)研究院,1996.

[8]許建安.35～110kV輸電線路設(shè)計(jì)[M].北京∶中國(guó)水利水電出版社,2003.

[9]鄒天曉.架空送電線路的電線力學(xué)計(jì)算[M].北京∶水利水電出版社,1987.

[10]李偉斌,儒鐘.架空送電線路臨界檔距及其判別[J].北京∶湖南電力,2004(2)∶49-51.

[11]李博之.壓架空輸電線路架線施工計(jì)算原理[M].北京∶中國(guó)電力出版社,2002.