架空输电线路导线在极端气候下的承载能力探讨

黄世钊　赵斌

摘 要：文章讨论了不同气象条件下判定导线水平应力是否超过设计值的方法。该方法从输电线路的状态方程式出发，讨论了导线水平应力达到设计极限时覆冰厚度、风速、温度三者之间的关系，绘制其关系图以便在运行过程中即时判断导线应力是否处于安全范围，并讨论了不同条件下导线的抗覆冰、抗大风和抗低温能力。

关键词：架空线路；设计；导线应力；极端气候

中图分类号：TM752 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）29-0117-03

1 概 述

架空线路导线的应力计算一直是架空线路设计、施工和运行非常关注的问题。在线路设计中，通常是根据设计的气象条件、导线型号等信息，计算出线路的控制条件。以控制条件作为导线最大应力的气象条件，通过状态方程式换算到其他气象条件下，从而实现对导线应力的控制。最低气温、最大风速、最厚覆冰这三种气象条件均可能导致导线最大应力的出现，而控制气象条件为最低气温、最大风速、最厚覆冰、年均气温这四种气象组合中的一种。，通过控制条件求解各温度下无风无冰情况下的应力和弧垂，制作放线曲线图，通过放线曲线图进行施工紧线。当紧线完成后，架空输电线路的导线应力则由风速、覆冰厚度、温度这三者共同决定。

理想情况下，运行中导线的最大应力气象条件为控制条件，但实际运行中气象条件千变万化，极有可能出现超出设计范围的气象条件。

由此可以判断：一方面，非控制气象条件下导线的应力必然低于控制气象条件下的应力，也就是说非控制气象条件下导线的抗拉水平留有裕度；另一方面，即使某单独气象条件达到或超过设计值（比如单独的覆冰厚度高于设计值），导线应力也不一定会相应达到或超过设计值，但某些气象组合下，单独的气象条件均并未超过设计值，导线应力却有可能超出其承载极限。由此可见，寻求一种方法，迅速確定导线在各极端气候下的承载能力，显得非常有意义。

2 极限状态下导线的受力分析

2.1 极限状态下导线温度与比载的关系

1.4 导线应力是否处于设计范围的判定

1.4.1 计算法

把实际运行时的覆冰厚度b、风速v代入式（8），得出t2值。把当前温度t与t2相比较，有如下关系：

①t>t2，导线处于安全范围内，其最低点应力的安全系数大于设计值。

②t=t2，导线处于极限状态，其最低点应力的安全系数等于设计值。

③t

1.4.2 作图法

为避免计算，可间隔一定数值取风速v为固定值，在平面上绘制出b和t2的关系，现场直接查阅。

现场测出风速v（并经过修正）、覆冰厚度b、温度t后，可使用如下方法判定：

①判定风速：b和t2（t2取现场温度t的值）在平面图中的点落在值为v的曲线上方，则说明导线应力处于安全范围内；如果该点正好落入某曲线，则该曲线所代表的风速值为当前（覆冰厚度和温度不变）导线所能承载的最大风速。

②判定温度：选取风速v对应的曲线，并找出对应当前覆冰厚度的点，该点所对应的温度即为当前（风速和覆冰厚度不变）导线所能承载的温度下限。

③判定覆冰：选取风速v对应的曲线，找出对应当前温度的点，该点所对应的覆冰厚度即为当前（风速和温度不变）导线所能承载的覆冰厚度极限。

2 计算举例

某500 kV线路的一个耐张段里，其代表档距为lr=460 m，代表高差角余弦值为cos？茁r =0.95，设计气象区为第一气象区，导线型号为LGJ-400/35。试分析导线在极端天气下的承载能力。查阅设计文档，可知该线路在代表档距460 m下的控制条件为最大风速。控制条件下的比载？酌1=0.05748 MPa/m，温度t1=10 ℃，最低点应力？滓c =92.85 MP。导线每千米质量为1 349 kg，直径26.82 mm，截面积为425.24 mm2。把相关参数代入式（8），计算得出：

可以看出，式（10）的函数图象为一个三维曲面，t2随着b和v的单调增长，并且b和v较大时增长比较剧烈，其图象如图1所示。

间隔5 m/s取风速v为固定值，在平面上绘制出b和t2的关系，如图2所示。

观察此图象，对该耐张段，可有如下结论：

①当风速较低时，曲线几乎挨在一起，说明风速较低时风速的变化对应力影响较小；而风速较高时，曲线拉开的间距较大，说明高风速下风速对应力影响比较大。

②尽管此耐张段设计覆冰为0 mm，但只要风速和温度满足一定条件，此耐张段同样具备一定的抗覆冰能力，其抗覆冰能力为温度轴上某温度的直线与对应的风速曲线的交点，所往下对应的覆冰值。比如温度0 ℃、风速0 m/s的情况下，导线的抗覆冰能力为10.1 mm。

③线路设计风速为35 m/s，但同样的，对大于35 m/s的风速，只要b和v满足一定条件，导线应力并不会超过其安全设计值。判断的方法是，图象中b和v所确定的点在某风速曲线上方，则说明导线在该风速的受力情况处于安全状态。v值为修正后的值。本例中，当风速达到40 m/s时，只要导线温度为80 ℃就可保证导线应力处于安全范围内；但导线运行温度一般不会那么高，所以可以看出，此耐张段抗大风能力较低，应当予以重点关注。

④线路设计最低气温为-5 ℃，但从图象上可以看出，风速和覆冰厚度都比较低的情况下，该档线路的抗低温能力非常强，无风无冰情况下可以承受低达-90 ℃的低温。由此也可以看出此耐张段比载对应力的影响高于温度对应力的影响。

值得一提的是，最低点应力满足设计条件并不代表悬挂点应力满足设计条件，悬挂点应力影响杆塔和基础的受力情况，导线水平应力、导线悬挂点应力、杆塔及基础受力这三者共同确定线路的承载能力，本文仅讨论水平应力下导线的承载力，实际线路综合承载能力应统筹以上三方面分析。

3 结 语

从以上分析我们得到了一种即时判断当前极端环境下，导线水平应力是否达到安全控制极限的方法。该方法以耐张段为基本单元，避免了状态方程式的繁琐求解，无需计算，直接看图直观地给出了判断结果，为极端气候下线路是否能安全运行提供了判断依据。

参考文献：

[1] 孟遂民，孔伟.架空输电线路设计[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2] 邵天晓.架空送电线路的电线力学计算[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3] 蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京：中国电力出版社，2002.