引言

隨著社會建設(shè)的快速發(fā)展,架空輸電線路的遷改工程日益增多,新、舊線路相接時需對接舊檔重新緊線,接舊檔的架線設(shè)計將對現(xiàn)狀桿塔及基礎(chǔ)的強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響,直接關(guān)系到線路的安全運行。但在工程實踐中,由于部分線路投運年代久遠(yuǎn)、資料存檔不全等因素,導(dǎo)、地線應(yīng)力資料往往難以獲得,給設(shè)計工作帶來了困難。

1傳統(tǒng)設(shè)計方法存在的問題

在工程實踐中,當(dāng)現(xiàn)狀線路導(dǎo)、地線應(yīng)力資料無法獲取時,為滿足現(xiàn)狀桿塔和基礎(chǔ)的強(qiáng)度要求,針對接舊檔一般采取經(jīng)驗設(shè)計法:當(dāng)條件受限時,采取實測弧垂反推應(yīng)力法,但二者均存在不同程度的局限性。

1.1經(jīng)驗設(shè)計法

方案設(shè)計時,將新建桿塔立在現(xiàn)狀桿塔附近,以保證現(xiàn)狀桿塔的檔距及張力不發(fā)生較大變化:施工圖設(shè)計時,接舊檔按原運行張力架線,不再出具接舊檔的架線弧垂表,要求竣工后現(xiàn)狀直線塔的懸垂串處于豎直向下狀態(tài)即可。

該做法實質(zhì)上是放棄了接舊檔導(dǎo)、地線應(yīng)力的計算,轉(zhuǎn)而依賴設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行主觀判斷,容易誤判造成設(shè)計缺陷,同時也限制了遷改方案的靈活性。

接舊塔為耐張塔時,因接舊檔導(dǎo)、地線張力荷載未知,無法判斷接舊塔的張力差情況,為保證強(qiáng)度滿足要求,接舊耐張塔一律使用終端塔的做法,造成極大的浪費。而當(dāng)接舊檔為孤立檔時,無法通過觀察現(xiàn)狀懸垂串的豎直狀態(tài)來判斷導(dǎo)、地線是否達(dá)到原運行張力,如參考原運行弧垂架線,則因遷改前后檔距的變化而存在

較大誤差,留有極大的設(shè)計隱患。

1.2實測弧垂反推應(yīng)力法

為補(bǔ)充經(jīng)驗設(shè)計法的不足,部分設(shè)計人員通過現(xiàn)場實測弧垂,反推運行應(yīng)力,但常常以環(huán)境溫度代替導(dǎo)、地線實際線溫。此種做法僅適用于負(fù)荷較小或處于冷備用狀態(tài)的輸電線路,當(dāng)負(fù)荷較大時,電流的熱效應(yīng)使得導(dǎo)線溫度明顯高于環(huán)境溫度,導(dǎo)線溫升將不可忽略。加之作業(yè)過程操作不規(guī)范,經(jīng)常導(dǎo)致計算結(jié)果偏差太大,失去參考價值,甚至誤導(dǎo)設(shè)計。

2計及導(dǎo)線溫升的應(yīng)力計算

隨著高分辨率紅外測溫技術(shù)的成熟與普及,通過該技術(shù)測量導(dǎo)線溫度,并結(jié)合運行單位提供的線路負(fù)荷臺賬進(jìn)行線溫驗證,可大大提高導(dǎo)、地線運行應(yīng)力計算的精度。

2.1測量準(zhǔn)備

為減小誤差,測量時需注意以下事項:

(1)為減小偶然誤差,需對觀測檔內(nèi)多個點的弧垂進(jìn)行測量,然后根據(jù)各點的弧垂反推出同一工況下的應(yīng)力值,取平均值后,再以此作為已知工況計算其他工況的應(yīng)力值。

(2)對于連續(xù)檔,不宜選取與代表檔距相差極大的檔距作為觀測檔,且觀測檔導(dǎo)線對地距離不宜太高,否則不便測量線溫。

(3)受測溫設(shè)備鏡頭分辨率限制,線溫測量點盡量選在導(dǎo)線正下方,并且距離系數(shù)K(K=s/D,指測溫設(shè)備到導(dǎo)線的距離s與導(dǎo)線直徑D的比值)滿足測溫設(shè)備分辨率要求。

(4)在無風(fēng)、無冰天氣下展開測量工作,如遇陣風(fēng)需停止測量工作:導(dǎo)線弧垂和線溫的測量工作同時進(jìn)行,并記錄測量時的環(huán)境溫度、測量時間。

以某待遷改的220kV老舊線路為例,查詢運維臺賬得知,線路投運于2003年,遷改段所用導(dǎo)線型號為2×LGJ-400/35,地線為JLB4-120,原線路設(shè)計的主要氣象條件:高溫40℃,低溫-20℃,年平均10℃,覆冰5mm,最大風(fēng)速25m/s(依據(jù)舊版規(guī)范,對地距離15m高)。現(xiàn)狀線路導(dǎo)、地線參數(shù)如表1所示。

主要設(shè)計氣象條件如表2所示。

2.2測量記錄

綜合考慮工期安排、疫情管控以及當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r,定于2021年5月初完成測量,記錄現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)如表3所示。

2.3線溫復(fù)核

因地線中僅有微弱的感應(yīng)電流,溫升可忽略不計,故可認(rèn)為地線線溫與環(huán)境溫度相同,根據(jù)表3記錄數(shù)據(jù),導(dǎo)線因電流熱效應(yīng)溫升數(shù)值在20~25℃,最大溫升發(fā)生在8#觀測點,達(dá)到25.1℃。

經(jīng)向電力公司相關(guān)人員了解,實測期間本線路所帶負(fù)荷為208.97~325.67MVA(對應(yīng)子導(dǎo)線電流為274.21~427.35A)。

根據(jù)《110kV~750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB50545一2010)條文說明第5.0.6章節(jié)的相關(guān)公式,可推算出導(dǎo)線溫升為18~29℃,與實測線溫基本相符,證明了線溫測量數(shù)據(jù)的可靠性。

2.4應(yīng)力計算

2.4.1連續(xù)檔

以某觀測檔一端電線懸掛點作為坐標(biāo)0點,測得距離坐標(biāo)0點水平距離x處的弧垂為/x,將觀測檔距下的弧垂折算至代表檔距下的弧垂:

式中:/px為觀測點折算至代表檔距下的電線弧垂(m):/x為觀測點觀測檔的電線弧垂(m):1為觀測檔檔距(m):1p為代表檔距(m):/p為代表檔距下的最大弧垂(m):8為觀測檔的高差角,tan8=,Ah為掛點高差。

然后求出不同觀測點的最低點的應(yīng)力:

式中:r0為測量時弧垂最低點的應(yīng)力值(N/mm2):x為弧垂觀測點至坐標(biāo)0點的水平距離(m):y0為實測時電線的比載[N/(m·mm2)],取電線自重比載。

根據(jù)公式(1)(2),通過檔內(nèi)各點的觀測弧垂反推觀測檔的應(yīng)力值。需要注意的是,由于測量不同觀測點時線溫有所差異,故需將反推的應(yīng)力值統(tǒng)一折算至同一工況下,所用公式如下:

式中:rm、r分別為已知工況、待求工況弧垂最低點的電線應(yīng)力值(N/mm2):ym、y分別為已知工況、待求工況電線的比載[N/(m·mm2)]:E為電線的彈性模量(N/mm2):a為電線的膨脹系數(shù)(1/℃):lm、l分別為已知工況、待求工況電線的溫度(℃)。

本文以折算至年平工況為例,計算結(jié)果如表4所示

根據(jù)表4可知,導(dǎo)、地線的年平均運行應(yīng)力分別取48.45N/mm2、107.30N/mm2,然后根據(jù)公式(3),計算出觀測檔在其他工況下的應(yīng)力,如表5所示。

由表5可知,導(dǎo)線的最大運行應(yīng)力為覆冰工況,等效安全系數(shù)為3.51,年平工況運行應(yīng)力值為保證拉斷力的20.87%:地線的最大運行應(yīng)力為大風(fēng)工況,等效安全系數(shù)為4.03,年平工況的運行應(yīng)力值為保證拉斷力的17.54%。

低溫工況和年平工況的比載相同,溫度相差30℃,根據(jù)表5算得二者導(dǎo)線應(yīng)力相差12%,實測期間導(dǎo)線平均溫升23.0℃,粗略推算,如忽略導(dǎo)線溫升將造成導(dǎo)線應(yīng)力計算誤差約9%,會給設(shè)計工作帶來較大干擾。

2.4.2孤立檔

以電線懸掛點作為坐標(biāo)0點,弧垂最低點的應(yīng)力為:

式中:ys為絕緣子串比載[N/(m·mm2)]:入0為絕緣子串水平投影長度(m)。

已知工況和待求其他工況應(yīng)力關(guān)系為:

式中:rn為待求工況下應(yīng)力(N/mm2):ln為待求工況下溫度(℃):Km、Kn分別為已知工況和待求工況線長參數(shù),可用公式(6)計算。

式中:11為扣除兩側(cè)絕緣子串的檔距長度(m):G為絕緣子串荷載(N):A為電線截面(mm2):W1為電線單位截面上的荷載(N/mm2):yβ為電線水平投影比載[N/(m·mm2)]。

經(jīng)現(xiàn)場觀察,該孤立檔導(dǎo)線為雙聯(lián)耐張串,每聯(lián)采用18片,參考近似串型,預(yù)估導(dǎo)線耐張串串重330kg,串長4.0m,地線耐張串按串重6.5kg,串長0.38m計算。

將實測數(shù)據(jù)代入公式(4),計算實測溫度下的導(dǎo)、地線應(yīng)力值,并根據(jù)公式(5)(6)將計算結(jié)果統(tǒng)一折算至年平工況下,如表6所示。

然后再根據(jù)公式(5)(6),計算觀測檔在其他工況下的應(yīng)力,如表7所示。

由表7可知,導(dǎo)線最大運行應(yīng)力為覆冰工況,等效安全系數(shù)為3.63,年平工況運行應(yīng)力值為保證拉斷力的20.53%:地線最大運行應(yīng)力為大風(fēng)工況,等效安全系數(shù)為4.65,年平工況運行應(yīng)力值為保證拉斷力的15.67%。

低溫工況和年平工況的比載相同,溫度相差30℃,根據(jù)表7算得二者導(dǎo)線應(yīng)力相差17%,實測期間導(dǎo)線平均溫升23.4℃,粗略推算,如忽略導(dǎo)線溫升將造成導(dǎo)線應(yīng)力計算誤差約13%,達(dá)到不可接受的程度。

3結(jié)語

本文給出了通過測量導(dǎo)、地線線溫及弧垂,反推各工況運行應(yīng)力的詳細(xì)過程,為接舊檔的架線設(shè)計、現(xiàn)狀桿塔校驗提供了重要依據(jù)。根據(jù)推算,如忽略導(dǎo)線溫升,反推的導(dǎo)線應(yīng)力計算誤差可達(dá)10%以上,超過可接受的誤差范圍。本文引入紅外測溫技術(shù)測量導(dǎo)、地線的實際線溫,大大提高了反推應(yīng)力的計算精度,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)計算以環(huán)境溫度代替導(dǎo)線溫度的不足。

值得注意的是,本文所述通過查詢實測期間負(fù)荷,推算電流熱效應(yīng)引起導(dǎo)線溫升的方法具有一定的局限性:一方面,不同測量時刻日光對導(dǎo)線的日照強(qiáng)度、垂直于導(dǎo)線的風(fēng)速等計算參數(shù)有所區(qū)別,且對計算結(jié)果的影響較大:另一方面,導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)過程有一定的遲滯性,線路所帶負(fù)荷與實測線溫在時間上不是嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系,在本文中僅用作線溫測量的佐證數(shù)據(jù)。