0引言

架空線路因其經(jīng)濟(jì)性與施工便捷性,在輸配電網(wǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。作為架空線路建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),緊線施工質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和供電可靠性[1-2]。其中,緊線施工對(duì)導(dǎo)線弧垂的影響最為直接,架空導(dǎo)線的弧垂不僅反映了自身所處的力學(xué)狀態(tài),還直接影響著電氣絕緣安全距離,因而一直是輸配電線路設(shè)計(jì)研究的焦點(diǎn)[3]。弧垂過大,可能導(dǎo)致對(duì)地或交叉跨越距離不足,引發(fā)放電跳閘甚至人身安全事故;弧垂過小,則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線應(yīng)力過大,降低其機(jī)械強(qiáng)度冗余,在惡劣氣象條件下易發(fā)生斷線事故。緊線施工是確定導(dǎo)線最終弧垂的關(guān)鍵工序,其核心在于對(duì)導(dǎo)線張力的精確控制。施工張力的大小直接決定了導(dǎo)線在自重及其他荷載作用下的平衡形態(tài),即弧垂值。然而,在實(shí)際施工中,受觀測(cè)手段、設(shè)備精度、環(huán)境因素(風(fēng)速、溫度)及人為操作水平的影響,張力控制往往存在一定誤差。這種張力控制的精度偏差,將不可避免地傳遞至最終的導(dǎo)線弧垂,進(jìn)而影響線路的安全距離,構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此,系統(tǒng)研究張力控制精度對(duì)導(dǎo)線弧垂及安全距離的影響,對(duì)提升施工質(zhì)量、保障線路長期安全運(yùn)行具有重要的工程實(shí)踐意義。

1導(dǎo)線張力-弧垂敏感性分析

1.1 導(dǎo)線弧垂的基本計(jì)算方式

以具有普遍意義的不等高懸點(diǎn)架空線路為研究對(duì)象,其示意圖如圖1所示,A、B為懸點(diǎn),兩點(diǎn)連線與水平面夾角為β,檔距為l,高差為Δh。

為簡化計(jì)算,假設(shè)架空線比載沿著線長呈均勻分布,在此前提下,其弧垂、線長和應(yīng)力等有關(guān)公式具有懸鏈線的特點(diǎn),在工程實(shí)際中,架空線的線長與斜檔距(兩懸點(diǎn)間的距離)非常接近,前者比后者長千分之幾,因而假定架空線的比載沿斜檔距均布自然不會(huì)產(chǎn)生大的誤差,在這種假設(shè)下導(dǎo)出的架空線弧垂、線長和應(yīng)力的有關(guān)公式稱為斜拋物線公式[4]。任一點(diǎn)弧垂?x、檔距中央弧垂?1/2 由公式(1)(2)計(jì)算:

式中:γ為導(dǎo)線單位長度自重荷載;σx為任一點(diǎn)導(dǎo)線水平張力。

令式(1)對(duì)x的導(dǎo)數(shù)為零,求得最大弧垂發(fā)生在檔距中央,其最大弧垂與檔距中央弧垂重合,即:

由式(1)~(3)可知,導(dǎo)線的弧垂與懸點(diǎn)的高差無直接關(guān)系,因此對(duì)同樣檔距的架空線路,當(dāng)檔距中央弧垂相等時(shí),等高懸點(diǎn)(β=0,Δh=0)與不等高懸點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的弧垂相等。

1.2 導(dǎo)線弧垂對(duì)張力偏差的敏感性分析

由弧垂公式可知,在檔距l(xiāng)和導(dǎo)線單位長度自重γ確定的情況下,導(dǎo)線弧垂?m與水平張力σx成反比關(guān)系,意味著張力偏大(σx實(shí)際 >σx設(shè)計(jì))會(huì)導(dǎo)致實(shí)際弧垂小于設(shè)計(jì)弧垂(?x實(shí)際<?x設(shè)計(jì)),張力偏小(σx實(shí)際<σx設(shè)計(jì))時(shí)實(shí)際弧垂大于設(shè)計(jì)弧垂(?x實(shí)際>?x設(shè)計(jì)),從而影響導(dǎo)線的平衡形態(tài)?；〈蛊盍喀?span>?x與導(dǎo)線水平張力偏差量Δσx的關(guān)系可由弧垂公式微分推導(dǎo)得出:

即:

即張力偏差5%就會(huì)導(dǎo)致約5%的弧垂偏差,所以,導(dǎo)線張力控制的精度一定程度決定了導(dǎo)線弧垂的偏差值,從而影響安全距離。

1.3 多條件耦合影響機(jī)制

導(dǎo)線的張力不單單取決于材料本身性質(zhì),還受多種環(huán)境條件的影響,例如溫度、風(fēng)荷載、覆冰等,其影響機(jī)制存在復(fù)雜的非線性耦合特點(diǎn)。溫度的影響主要源于材料的熱脹冷縮,溫度變化改變導(dǎo)線長度,從而改變導(dǎo)線張力:

式中:ΔL、α、L、Δt、Δσ、E、A分別為導(dǎo)線自由伸縮量、導(dǎo)線線膨脹系數(shù)、導(dǎo)線原長度、溫度變化、張力變化、導(dǎo)線彈性系數(shù)、導(dǎo)線截面積。

其影響機(jī)制為:溫度上升→導(dǎo)線膨脹→水平張力下降→弧垂增大;溫度下降→導(dǎo)線收縮→水平張力增大→弧垂減小。如式(7)所示,水平張力變化與溫度變化呈近似線性關(guān)系。

風(fēng)荷載的影響可由伯努利方程解釋:

式中:P風(fēng)為風(fēng)荷載;cd為圓柱體阻力系數(shù);pa為空氣密度;0為風(fēng)速。

為方便分析,通過導(dǎo)線直徑d和截面積A將風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓比載γ風(fēng) :

覆冰的影響主要是增加導(dǎo)線的單位長度荷載:

式中:m冰、p冰分別為冰的質(zhì)量、密度;r、t分別為導(dǎo)線直徑及覆冰厚度。

類似地,將覆冰荷載轉(zhuǎn)化為覆冰比載γ冰 :

式中:g為冰的重力加速度;A'表示導(dǎo)線覆冰荷載的作用截面積。

綜上所述,環(huán)境條件通過影響導(dǎo)線自由伸長量、風(fēng)荷載和覆冰厚度影響比載,從而影響導(dǎo)線張力和弧垂。

1.4 多條件耦合影響量化分析

為量化分析各條件及其耦合作用對(duì)導(dǎo)線弧垂的影響,本文采用道亨軟件推薦的應(yīng)力弧垂計(jì)算程序進(jìn)行典型案例計(jì)算。導(dǎo)線型號(hào)JL/G1A-70/10,基準(zhǔn)工況為等高懸點(diǎn),檔距50 m,風(fēng)速5 m/s,覆冰厚度5 mm,氣溫T=-5℃ ,然后單一改變某個(gè)指標(biāo)(+20%、+40%、+60%、+80%、+100%),觀察弧垂的變化,結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知,對(duì)于特定型號(hào)導(dǎo)線,相同變化幅度情況下,各指標(biāo)對(duì)張力及弧垂的影響程度排序?yàn)?檔距>覆冰>氣溫≈風(fēng)速。為進(jìn)一步分析各指標(biāo)變化對(duì)導(dǎo)線弧垂的影響,在基準(zhǔn)工況基礎(chǔ)上加大單一指標(biāo)的變化幅度,計(jì)算弧垂變化率(基準(zhǔn)工況時(shí),弧垂0.2 m),結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù),各指標(biāo)對(duì)導(dǎo)線弧垂的影響程度差異顯著。其中檔距變化的影響最為突出,當(dāng)檔距增加50 m時(shí),弧垂變化率高達(dá)285%,且隨著檔距進(jìn)一步增大,弧垂變化率呈指數(shù)級(jí)上升 (+200m時(shí)達(dá)2150%),表明檔距是弧垂變化的最敏感因素。覆冰厚度的影響次之,覆冰每增加5 mm,弧垂變化率在65%~390%,其影響雖不及檔距,但仍較為顯著。氣溫和風(fēng)速的影響相對(duì)較小,氣溫升高5℃ ,弧垂僅增加5%,即使氣溫上升20℃ ,變化率也僅為35%;風(fēng)速的影響稍強(qiáng)于氣溫,風(fēng)速增加20 m/s時(shí)弧垂變化率為80%,但仍遠(yuǎn)低于檔距和覆冰的影響?？傮w來看,弧垂對(duì)檔距變化的敏感性最高,覆冰次之,而氣溫和風(fēng)速的影響相對(duì)有限。

在架空線路工程設(shè)計(jì)和安全校核中,導(dǎo)線張力的控制精度對(duì)弧垂穩(wěn)定性至關(guān)重要,需綜合考慮材料特性和環(huán)境因素的影響,其中檔距增大對(duì)弧垂的影響最為顯著,如檔距增加200 m可導(dǎo)致弧垂變化率高達(dá)2150%,因此必須嚴(yán)格控制最大檔距并優(yōu)化桿塔布局;同時(shí),覆冰疊加低溫的極端工況會(huì)大幅增加導(dǎo)線張力,如覆冰增厚20 mm可使弧垂增加390%,需作為關(guān)鍵校核條件以防止斷線或倒塔事故;高溫工況雖僅使弧垂溫和上升(如氣溫升高20℃時(shí)弧垂增加35%),但仍需校核對(duì)地安全距離;此外,風(fēng)速變化、覆冰與溫度耦合效應(yīng)等因素也需納入動(dòng)態(tài)分析,通過多工況耦合評(píng)估確保導(dǎo)線在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性,最終實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線張力及弧垂的精準(zhǔn)控制,確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

2 安全距離校驗(yàn)及導(dǎo)線張力控制流程

安全距離是指導(dǎo)線與地面、建筑物、樹木、鐵路、道路、河流、管道、索道及各種架空線路的距離,有關(guān)架空輸配電線路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)架空導(dǎo)線的安全距離作了詳細(xì)規(guī)定[5]。實(shí)際安全距離D實(shí)際與設(shè)計(jì)弧垂?x設(shè)計(jì)的關(guān)系可由下式表述:

式中:H為導(dǎo)線懸點(diǎn)對(duì)地高度;Δh為懸點(diǎn)高差。

當(dāng)導(dǎo)線張力控制精度不夠,實(shí)際弧垂偏離設(shè)計(jì)弧垂過大時(shí),實(shí)際安全距離會(huì)出現(xiàn)較大浮動(dòng),當(dāng)弧垂正向偏差(Δ?x >0)使得D實(shí)際=D設(shè)計(jì)—Δ?x <Dmin ,即認(rèn)為安全距離不滿足要求。

為避免安全距離校核不滿足最低安全距離要求的情形,設(shè)計(jì)了架空線路施工的張力—弧垂閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖3所示,該系統(tǒng)分為桿塔結(jié)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)和液壓伺服機(jī)構(gòu)三個(gè)部分,核心 目標(biāo)是精確控制架設(shè)過程中導(dǎo)線的弧垂和張力,確保其符合設(shè)計(jì)要求,保障線路的安全運(yùn)行性能(如對(duì)地距離、電氣間隙)并優(yōu)化導(dǎo)線的機(jī)械應(yīng)力狀態(tài)。

系統(tǒng)核心流程始于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè):安裝在桿塔橫擔(dān)下方的激光測(cè)距儀持續(xù)測(cè)量導(dǎo)線形態(tài)并提供弧垂計(jì)算實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),同時(shí)張力傳感器直接監(jiān)測(cè)導(dǎo)線張力,這兩項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至控制柜?？刂乒駜?nèi)的算法將實(shí)測(cè)值與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行比對(duì),一旦檢測(cè)到偏差(如弧垂過大意味著張力不足,張力過大則導(dǎo)致弧垂過小),立即計(jì)算出精確的液壓指令。該指令驅(qū)動(dòng)液壓伺服機(jī)構(gòu)(含伺服閥和油缸),產(chǎn)生強(qiáng)大的可控液壓動(dòng)力作用于張力機(jī)的核心部件牽引繩盤:當(dāng)需增大張力(減小弧垂)時(shí),液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)繩盤制動(dòng)收緊導(dǎo)線;當(dāng)需減小張力(增大弧垂)時(shí),則控制繩盤釋放導(dǎo)線。牽引繩盤的調(diào)整動(dòng)作直接改變導(dǎo)線張力,張力變化隨即引起導(dǎo)線弧垂形態(tài)的同步改變;新的弧垂和張力數(shù)據(jù)立刻被激光測(cè)距儀和張力傳感器再次捕獲,并反饋回控制柜,從而形成一個(gè)持續(xù)循環(huán)的“測(cè)量(弧垂、張力)→比較決策(控制柜)→執(zhí)行(液壓指令→伺服機(jī)構(gòu)→牽引繩盤調(diào)整)→效果反饋”閉環(huán)。高度自動(dòng)化的閉環(huán)機(jī)制能有效動(dòng)態(tài)抵抗風(fēng)速變化、溫度升降等干擾,將弧垂和張力穩(wěn)定在目標(biāo)值附近,大幅提升架線精度、效率和安全性,尤其適用于高標(biāo)準(zhǔn)工程,克服了人工調(diào)整的誤差和滯后問題。

3 結(jié)論

1)作為輸配電網(wǎng)架空線路建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),緊線施工是確定導(dǎo)線最終弧垂的關(guān)鍵工序,其核心在于對(duì)導(dǎo)線張力的精確控制,張力控制偏差與導(dǎo)線弧垂偏差呈線性相關(guān)關(guān)系,張力控制的精度一定程度上決定了導(dǎo)線弧垂的精度,從而影響安全距離。

2)導(dǎo)線的張力控制除受設(shè)備精度、人為操作水平影響外,還受檔距及多種環(huán)境條件的影響,例如溫度、風(fēng)荷載、覆冰等,其影響機(jī)制存在復(fù)雜的非線性耦合特點(diǎn),溫度通過改變導(dǎo)線自由伸長量影響其張力和弧垂,而風(fēng)荷載和覆冰厚度則通過改變導(dǎo)線比載影響其張力和弧垂。量化分析結(jié)果表明,張力及弧垂對(duì)各指標(biāo)變化的敏感性差異顯著,其中檔距變化的影響最為突出,隨檔距增大,弧垂變化率呈指數(shù)級(jí)上升,覆冰厚度的影響次之,而氣溫和風(fēng)速的影響相對(duì)有限。

3)為避免安全距離校核不滿足最低安全距離要求的情形,設(shè)計(jì)由桿塔結(jié)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)和液壓伺服機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成的張力-弧垂閉環(huán)控制系統(tǒng),通過“測(cè)量(弧垂、張力)→比較決策(控制柜)→執(zhí)行(液壓指令→伺服機(jī)構(gòu)→牽引繩盤調(diào)整)→效果反饋”閉環(huán),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線張力的精確控制。

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《機(jī)電信息》2025年第20期第1篇