基于VB的高压架空送电线路的导线力学计算

2011-06-23许焕学邵文录

电气技术 2011年9期

许焕学邵文录

（涞水供电公司，河北保定 074100）

面对日益增长的电力建设任务，迫切需要解决架空送电线路中最基础的力学计算，为合理规划工程项目、优化设计方案，提供基础数据。

高压架空送电线路的导线力学计算是采计算机为操作平台。由于利用计算机处理数据，使得计算结果的精度和速度达到了令人满意的效果。本文介绍了软件采用的设计原理、数据库的设绍了软件绍了软件采用的设计原理、数据库的设置和及结果的输出格式，以及在工程实际中的应用。

1 数学模型的确定

1.1 导线应力、弧垂概念的引入

对运行中的架空送电线路常年受到各种自然环境及气象条件的影响。导线经常受到自重、覆冰，大风等气象条件的作用，处这些外力的作用下的任意一档导线，其导线横截面上均有内力存在。我们将作用于单位截面上的作用力称为应力。对于某一档导线来讲各截面的应力均不相等，其方向为该点的切线方向。在应力作用下沿导线分布的个点与两悬挂点间连线出现了距离，我们将导线某点与两悬挂点间连线的垂直距离成为该点的弧垂。本文的论述中导线应力均指该档中导线最低点的水平应力，弧垂指导线最低点的弧垂，在导线型号确定的一档导线中，在同一气象条件控制下应力和弧垂的成反比关系。

综合考虑导线的安全运行和工程的本体造价，在实际的工程设计中，就要在导线机械强度允许的前提下，尽量减小导线弧垂，以降低工程造价。在一条线路架设竣工后，导线的应力随着气象条件的变化而变化，但线路设计要求，在任何可能的危险气象条件下，导线的应力都不超过导线所允许的应力，即导线的最大使用应力，用公式表示为

式中，σmax为导线或地线在弧垂最低点的最大使用应力，N/mm2；σp为导线或地线的瞬时破坏应力，Mpa；K为导线或地线设计安全系数。

DL/T5092设计技术规程规定：一般地区，设计安全系数取不应小于2.5。在《城市电力规划设计导则》中进一步强调指出：对于大中城市的电力网，可把安全系数提高到3.0～5.0，最大可增至5以上。

1.2 临界档距的计算及控制气象条件的判别方法

对于某一确定型号的导线来说，导线上的应力受到不同气象条件的影响。如果指定其最大应力为某一确定值时，各种气象条件可能在不同的档距范围内起控制作用，一般情况下，从工程设计角度上分析，可能作为控制条件的气象条件有四种，显然，存在这样一个档距（用lJ表示），在此档距时这两个控制条件同时起作用，当实际档距l＞lJ时一种气象条件起控制作用，当l＜lJ另一种气象条件起控制作用，这样的档距称为临界档距，其计算公式如下。

连续档临界档距计算公式

孤立档的临界档距计算公式

在式（2）、式（3）中，lJ为临界档距，m；σm，nσ，为两种可能控制气象条件所对应的导线最大使用应力，N/mm2；tm，tn为两种控制气象条件所对应的气温，℃；gm，gn分别为两种控制气象条件所对应的导线比载，N/m·mm2；a为导线的温度线膨胀系数，1/℃；E为导线的弹性系数，N/mm2；ϕ为杆塔高差角，（°）；K2m，K2n分别为两种控制气象条件对应的绝缘子串的比载增大系数，其中

式中，l为实际档距，m；gJm、gJn分别为两种控制气象条件所对应的绝缘子串的比载，N/m·mm2，

其中

式中，gJm、gJn分别为两种控制气象条件所对应的绝缘子串重力，N；S为导线截面积，mm2；λ为耐张串长度，m。

工程设计中将周围环境气温最低、最大风速、覆冰3种气象条件组合列为可能的控制气象条件，但出于导线防振的角度考虑，提出年平均气温也作为控制气象条件。上述的四种条件采用哪一种组合气象条件作为控制条件。首先计算出各种气象条件下的g/σk值，并按其各自的大小，由小到大排序分别用以a、b、c、d表示。假如其中有两种气象条件的g/σk值相等，则需计算这两种气象条件的（σk+aEt）值，取其中较小者，直接舍去较大者。排序后的表格见表1。

表1 临界档距排列表

按照式（2）或式（3）计算出临界档距填入表1中，先从g/σk值最小的a栏值内开始判别，取该栏中最小的一个临界档距（注意：不是虚数或零），如果该档距值为正数，则此档距即为第一个有效临界档距。

根据上述原则，以此类推判别到最后一栏（d栏）。但是要注意不论哪一栏内，如果其中有一个临界档距值为虚数或零值时，则该栏所有档距都要舍去，即该栏内无有效临界档距。

当a、b、c栏临界档距值均为零或虚数时，此时整条线路没有临界档距，则全部以d栏所在的气象条件为控制气象条件。

1.3 适合程序计算的导线应力、弧垂公式

通常在程序中采用忽略一些微小量简化后的近似公式

式（8）称为状态方程，可根据m气象条件下的σm、tm、gm求出新气象条件下的σn、tn、gn的值，反之亦然。

状态方程中的应力σn(κ+1)式（9），是一个三次代数方程，采用适合计算机运算的牛顿法求解。

状态方程中应力的求解方法同上，推导出的应力公式同式（9）。式中

2 借助VB编程实现架空导线力学运算

在实际工程设计时，首先收集工程沿线的气象资料，如沿线的气象与DL/T5092设计技术规程规附录A（标准的附录）典型气象区接近，宜采用典型气象区所列数值。但仍需参考国家电网公司输变电工程中所列的典型气象区数值，综合确实计算用的气象条件组合。通常经常用到的气象条件为：最温度50℃ 、外过电压、内过电压等气象条件。此外再确定导线的最大用用应力及年平均运行应力值，计算各种气象条件下的比载。根据临界档距计算公式及控制气象条件的判别方法，确定有效临界档距，判别控制气象条件，根据临界档和控制气象条件计算所需要的各种气象条件下的弧垂和应力。

1）导线、地线材料参数的处理

架空导线、地线按照国家标准分类，型号多，而这部分内容重复使用，为简化计算且保证原始数据输入的正确性，故采用数据库的形式输入，在实际的使用中只需在下拉菜单中选择所需的导线型号，其所需参数就会自动调出。为了便于对导线、地线数据库的维护，采取人机交互界面进行维护。

2）气象条件参数的处理

根据DL/T5092设计技术规程规对我国不同地区搜划分的九个典型气象区，本设计采用典型气象区所列数值。处理方法同上。当线路沿线的实际气象情况与典型区中的某一个相近时，即可在下拉菜单中选择所需要的气象区。但考率到实际工程的特殊性，可对该典型气象区中的的某个值进行调整。

3）结果输出

将所需气象条件下导线应力和弧垂计算结果形成表或曲线，结果可以按使用者的需要选择输出到Excle或auto CAD中。