10 kV配電線路架空避雷線結構應力分析

陳匡迪

（華北電力大學，河北 保定 071003）

0 引 言

在架設避雷線的設計中，不同氣象條件下避雷線的弧垂、應力和線長計算占有十分重要的位置，是配電線路力學研究的主要內(nèi)容[1-3]。

本文針對10 kV架空配電線路均布載荷下避雷線的弧垂、線長、應力以及懸鏈線方程建立考慮桿塔類型、氣象環(huán)境等因素的計算模型，并通過改變檔距、線長對10 kV架空配電線路架設避雷線進行結構應力分析和仿真。

1 計算仿真參數(shù)設置

10 kV架空配電線路示意模型圖，如圖1所示。水泥桿高度為10 m，加上腳架的避雷線總高度為11.3 m。避雷線采用35 mm2的鋼絞線，結構參數(shù)如表1所示。主要設置避雷線的密度為8.565 3 kg/mm3和彈性系數(shù)（楊氏模量）為181.4 kN/mm2，避雷線的模型如圖2所示。

圖1 10 kV配電線路示意模型圖

圖2 七股GJ避雷線示意圖模型

表1 GJ避雷線的結構參數(shù)

避雷線的許用應力是指避雷線弧垂最低點所允許使用的最大應力，工程中稱之為最大使用應力，其值由式（1）確定：

式中，[σm]為避雷線最低點的最大允許應力，單位N/mm2；σP為避雷線的抗拉強度，單位N/mm2；K為避雷線安全系數(shù)，一般規(guī)定架空線路導線的涉及安全系數(shù)不應小于2.5，避雷線的安全系數(shù)宜大于導線的安全系數(shù)。

影響安全系數(shù)的因素很多，如懸掛點的應力大于弧垂最低點的應力，補償初伸長需增大應力，振動時產(chǎn)生附加應力，斷股后架空線強度降低，因腐蝕、擠壓損傷造成強度降低，設計、施工中的誤差等。

即使不考慮懸掛點附加彎曲應力和振動時的附加動應力影響，最小安全系數(shù)也要求達到1.86。若加上上述兩個因素，則要求安全系數(shù)為2.0～2.5。為保證架空配電線路的安全運行，設計規(guī)范規(guī)定避雷線最大應力下的設計安全系數(shù)不應小于2.5?？紤]到地線多采用鋼絞線，易腐蝕，設計安全系數(shù)宜大于避雷線的設計安全系數(shù)。

控制微風振動的年均氣溫條件下的年均運行應力，在采取防振措施的情況下，不應超過避雷線抗拉強度的25%，即此時的設計安全系數(shù)不應小于4.0。在最大應力情況下，懸掛點的設計安全系數(shù)不應小于2.25。在校驗稀有風速或稀有敷冰氣象條件時，弧垂最低點的最大使用張力不應超過綜合拉斷力的70%，懸掛點的最大使用張力不應超過綜合拉斷力的77%。

2 結構應力分析

在檔距選取50 m、80 m的前提下，通過改變桿塔之間架設的避雷線長，能得到不同避雷線形變云圖和應力云圖。在避雷線架設安全系數(shù)K為8的情況下，根據(jù)理論計算得到避雷線最低點的應力最大值為135.2 MPa。

2.1 50 m檔距

為探究避雷線長對避雷線最低點應力和弧垂的影響，找到最接近臨界安全應力，在49.8～50.1 m中選取了12組線長分別建模，得到對應的應力云圖和形變云圖如圖3所示，相關數(shù)據(jù)如表2所示。對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，用Matlab軟件擬合數(shù)據(jù)后分別得到最低點應力隨線長變化的關系圖和弧垂隨避雷線線長變化關系圖，如圖4和圖5所示?？梢姡w上最低點應力隨線長的增長而減小，且最初下降速度較快，在臨界線長附近下降速度放緩，最后趨于平坦；弧垂隨線長增長而增大，且最初上升速度很慢，在臨界點附近上升速度加快。線長為59.959 m的情況，為最大安全應力的臨界點。

圖3 線長為50.0 m時的應力云圖和形變云圖

表2 50 m檔距時不同避雷線長的最低點應力及形變

2.2 檔距為80 m

為得到不同線長下的應力和形變情況，分別取線長為79.8 m、79.9 m、80.0 m、80.1 m進行建模，得到4組形變云圖和應力云圖。線長為79.8 m時，最低點應力為455.791 MPa，最低點在豎直方向上形變量（弧垂）為147.482 mm；線長為79.9 m時，最低點應力為233.201 MPa，最低點在豎直方向上形變量（弧垂）為288.256 mm；線長為80.0 m時，最低點應力為69.689 9 MPa，最低點在豎直方向上形變量（弧垂）為964.768 mm；線長為80.1 m時，最低點應力為35.890 3 MPa，最低點在豎直方向上形變量（弧垂）為1 874.42 mm。其中，80 m檔距情況下，形變云圖和應力云圖如圖6所示。

為探究避雷線長對避雷線最低點應力和弧垂的影響，找到最接近臨界安全應力，在79.8～80.1 m中選取12組線長分別建模計算形變和應力，數(shù)據(jù)如表3所示。對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，用Matlab軟件擬合數(shù)據(jù)后，分別得到最低點應力隨線長變化關系圖和弧垂隨避雷線線長變化關系，如圖7和圖8所示?？梢钥闯?，整體上最低點應力隨線長的增長而減小，且最初下降速度較快，在臨界線長附近下降速度放緩，最后趨于平坦；弧垂隨線長增長而增大，且最初上升速度很慢，在臨界點附近上升速度加快。線長為79.949 m的情況，為最大安全應力的臨界點。

圖4 50 m檔距最低點應力隨避雷線線長變化關系圖

圖5 50 m檔距弧垂隨避雷線線長變化關系圖

圖6 線長為80.0 m時的應力云圖和形變云圖

3 結 論

在架空避雷線不同檔距情況下，架空避雷線最低點應力都隨線長的增長而減小，且最初下降速度較快，在臨界線長附近下降速度放緩，最后趨于平坦；架空避雷線弧垂隨線長增長而增大，且最初上升速度很慢，在臨界點附近上升速度加快。在50 m檔距的情況下，線長為59.959 m的情況為最大安全應力的臨界點；在80 m檔距的情況下，線長為79.949 m的情況為最大安全應力的臨界點。

圖7 80 m檔距最低點應力隨避雷線線長變化關系圖

圖8 80 m檔距弧垂隨避雷線線長變化關系圖

表3 80 m檔距時不同避雷線長的最低點應力及形變