恶劣天气下基于张力反馈的紧线方法研究

2017-04-03方权胡军峰黄汉生侯金华李小来

电气自动化 2017年6期

方权，胡军峰，黄汉生，侯金华，李小来

(1.国网湖北省电力公司检修公司，湖北宜昌　443002；2.三峡大学，湖北宜昌　443002)

0　引　言

恶劣天气主要指大雾、大雪等天气，根据输电线路施工规程[1]，这类恶劣天气在一般情况下是不允许施工的。但由于部分输电线路处于常常发生恶劣天气的地区，在这些输电线路需要抢修和改造等紧急特殊情况时，则需要一种较为简便的方法进行紧线施工。

电压等级在220 kV及以上时，一般采取张力架线工程对输电线路进行紧线施工[2]。在紧线过程中，一般采取光学仪器，如经纬仪或全站仪等设备对弧垂进行观测，当弧垂达到设计值时才可以进行导线压接等后续操作。然而，由于恶劣天气会对光产生遮挡等现象，因此，在恶劣天气下进行紧线施工时，无法采用传统的方法进行紧线操作。

为提高紧线的施工效率和确保弧垂的准确性，部分地区采取了装配式架线技术[3]。该技术通过精确测量与计算导线的长度，来确保弧垂的准确性。但档距等参数难以精确测量，因此，该技术一般适用于孤立档。

除了通过光学仪器直接测量弧垂的大小，文献[4]提出通过测量导线的张力来反推弧垂的大小。但该方法在施工时，对张力的计算较为粗糙，而且需要采用光学仪器粗测弧垂的大小，通过调整张力的大小来调整弧垂，因此，该方法不适用于恶劣天气。随着科技的迅速发展，文献[5-7]陆续提出采用无线网络、张力传感器、GPS系统和激光雷达等方法对弧垂进行观测。显然，这些设备在紧急情况时，使用都较为困难。

本文根据恶劣天气下输电线路紧线施工的特点，提出了张力的精确计算方法与基于张力值反馈的紧线施工方法及其应用范围，为抢修等紧急情况下的紧线施工提供理论基础。

1　恶劣天气下紧线施工存在的问题

输电线路常用张力紧线施工，其施工流程主要包括紧线操作、过轮临锚、弧垂的观测与调整和划印等。其中，弧垂的观测和调整是紧线施工中较为重要的部分。当前，如平视法等弧垂观测方法在实际输电线路工程中已较为成熟，具有操作简单和精度高等特点。但这些方法均采用光学仪器，要求在光线通视程度较好或地理位置较好的情况下才能使用。

如今，输电线路绵延上千公里，所经地区的气象千变万化，尤其是高山和临近湖泊的内陆地区，常常出现大雾等恶劣天气。在如图1所示的这种恶劣天气下进行抢修或线路改造等较为紧急的施工时，将不能采取常规弧垂观测方法进行紧线施工，这会导致窝工等现象，并对电网运行造成较大的隐患。

图1　恶劣天气下输电线路施工图

由于在恶劣天气下，无法采用光学仪器对线路弧垂进行观测，因此基于张力反推弧垂的思想，提出基于张力反馈的紧线方法。但根据传统的张力紧线施工工艺，该紧线方法仍存在一些问题，主要包括张力的精确求解、张力测量方法以及施工工艺3个方面：

1)张力的精确求解。传统施工计算时，主要是为了对张力机的性能和型号进行选取，因此在计算时较为粗糙，均忽略了悬垂绝缘子串偏斜对张力造成的影响。而输电线路在施工时，由于滑轮两侧的架空线轴向张力相等，而两边的档距一般不相等，因而不论是平原地区，还是连续倾斜档等山区情况，其水平应力均不相等。这会造成悬垂绝缘子串偏斜，而绝缘子偏斜后会改变张力的大小。当输电线路等级较高时，悬垂绝缘子串也较长，因而其偏斜对张力造成的影响更大。

2)张力测量方法。由于主要是因为抢修等紧急情况，所以才在恶劣天气下进行输电线路施工。因此，张力测量的仪器和方法都应该较为简捷。当前存在类似张力传感器这类装置较为先进的装置，虽然测量精度较高，但存在操作复杂和成本高等特点。因此，可以选择拉力计等装置。这些装置操作简单且成本低，但在使用时，两端必须都要固定，具有一定的局限性；部分装置还存在精度不够的问题。

3)施工工艺。紧线施工一般分为粗调和微调。尽管可以通过张力判断弧垂的大小，但在粗调阶段，通过测量张力的方式判断弧垂仍较为复杂。在微调阶段，通常采用手办葫芦对架空线进行调整，因此，测力装置要和这类装置配合使用。但手扳葫芦的调节范围较小，因此难以判断架空线进入微调的时机。

2　架空线张力的精确求解

输电线路中间档的荷载在施工时，可看做均布荷载，因此其张力一般可直接由水平应力求得。而耐张塔相邻档需要考虑耐张绝缘子串的影响，此时不仅要计算水平应力，还要计算非均布荷载对张力的影响。

2.1　均布荷载情况下水平应力的精确求解

在输电线路设计阶段，对导线的水平应力进行精确求解时，通常需要考虑悬垂绝缘子串偏斜的影响[8-9]。但在输电线路施工阶段，为了便于计算，常采用简化之后的计算公式进行求解，或者直接采用百米弧垂图等直接读取[10]22-27，这样显然不够精确。为了对张力进行精确求解，施工计算时必须考虑悬垂绝缘子串偏斜造成的影响。

竣工后，导线被线夹固定，悬垂绝缘子串处于中垂状态，根据档距等已知参数，可以通过悬链线计算公式求得个耐张段的架空线总线长。而竣工前，导线处于滑轮中，悬垂绝缘子串处于偏斜状态，因此各档档距和高差与已知参数不同，但竣工前总线长L1和竣工后总线长L2是相等的：

(1)

(2)

L1=L2

(3)

式中:n为耐张段的档距数，li和li0分别为竣工前后的档距，hi和hi0分别为竣工前后的高差，σ0和σi0分别为竣工前后的水平应力，γ为架空线的自重比载，E为架空线的弹性模量，yi1为竣工前第i档最低点相对于第1档最低点的高度差，根据悬链线计算公式可求得该参数：

(4)

(5)

施工时，滑轮两侧架空线的轴向张力相等，此时第i档水平应力可通过第1档水平应力求得:

σi0=σ10+γyi1

(6)

此时可以看出，式(3)中还剩下竣工前的档距li和高差hi未知，将悬垂绝缘子串偏斜的影响考虑在内，可得到以下关系:

li=li0+Δli≈li0+δi-δi-1

(7)

(8)

图2　悬垂绝缘子串的受力图

式中:Δhi和Δli分别为档距变化量与高差变化量，λi为悬垂绝缘子串的长度，δi为悬垂绝缘子串的偏斜量。而悬垂绝缘子串的受力如图2所示，其中，滑轮的垂向荷载为F，导线作用于滑轮上的垂向荷载为Pi，除滑轮外的垂向荷载为GJ，滑轮的半径为R，导线的截面积为A，偏斜角为φi。若将其视为刚性直棒，则可根据悬挂点的受力列出力矩平衡方程:

(9)

通过该式可求得偏斜量δi为:

(10)

(11)

由以上公式可知，根据(3)式列出的方程仍含有3个未知数，此时可采用计算机迭代的方法进行求解，即将档距改变量Δhi和高差改变量Δli的初值设为零，求得σ10，然后通过σ10求得Δhi和Δli，再将新的Δhi和Δli作为已经量带入式(3)中，反复循环迭代，只到σ10前后两项的差值达到设定的精度。之后便可求得任意档水平应力的精确值。

2.2　非均布荷载情况下张力的精确求解

水平张力的求解与2.1节相同，主要区别在于垂向张力不能直接采用悬链线曲线方程进行求解，但求解的思想类似，即先求出悬挂曲线方程，然后求解张力。

图3为耐张塔相邻档受力图，ω为导线的自重比载，ω0为耐张绝缘子串的自重比载，l为档距，h为高差，耐张串悬挂点为A点，导线悬挂点为C点和B点，P为导线上任一点，此时可根据P点列力矩平衡方程获得该档悬挂曲线方程[10]56-62：

图3　耐张塔相邻档受力图

(12)

对该方程求导，得到相应点的斜率，水平张力可通过2.1节的方法求得，通过水平张力和斜率就可得到任一点轴向张力。

3　紧线施工工艺设计

3.1　测力装置及其张力计算

考虑到抢修等紧急情况，施工现场必须采用较为简便的工器具，因此选择拉力计作为测力工具。由于拉力计需要两端固定，因此可将拉力计放在耐张绝缘子串处，此时的连接关系如图4所示。

图4　拉力计连接图

导线的轴向张力可对式(12)进行求导，将连接点C点的坐标带入式中可得:

(13)

最终的轴向张力为TC=T0/cosθC，其中T0为C点的水平张力，T0=σ0·A，σ0为设计水平应力，A为导线截面积。

3.2　工艺流程

与常规张力紧线施工工艺相比，本方法主要对弧垂的观测与调整进行了改进，即弧垂的粗调和微调两个部分。

1)弧垂的粗调。和常规紧线方法一样，采用绞磨收紧导线，但在收紧的过程中，无法采用光学仪器对弧垂进行观测。此时可采用人工带皮尺走线的方式对弧垂进行测量，这种测量方式虽然有一定误差，但在粗调情况下，其误差不超过2 m，这样一般不会超过手扳葫芦的调节范围，因此采用该方法进行测量是可行的。

2)弧垂的微调。带粗测完毕，便可进入弧垂微调的阶段。按照图4所示的连接关系，将拉力计与其他部分连接起来。根据第2节的公式推导过程可以看出，在计算过程中，只要能保证张力准确即可，不必再将张力转换为弧垂重复计算。因此，对比现场拉力计的读数和计算出来的张力，适当的调节手扳葫芦，将读数调整到计算值即可。

若在上述调整过程中，出现问题，则可能局部导线出现故障，需排除故障后继续操作。待弧垂调整完毕，便可对导线进行划印，压接等其他操作。图5为所设计的施工工艺流程图。

图5　施工工艺流程图

4　工程实例

4.1　工程背景

2016年12月，国网湖北检修公司所辖500 kV万恩输电线路#114～#117杆塔由于气象原因导致对地安全距离不够，需要抢修。由于该条线路较为重要，若不能尽快完成抢修，则会使电网存在较大的安全隐患。但在抢修过程中，多次出现如图6所示的恶劣天气，这对紧线施工造成了较大的影响。为了保证抢修能够顺利的完成，采用了基于张力值反馈的紧线方法。

图6　施工现场图片

4.2　张力的求解与分析

相关设计参数：导线型号为LGJ-630/50，悬垂绝缘子串长λ=1 732 mm，重438.7 N，滑车型号为WQH-822，水平设计应力为87.38 N/mm2，α=19.6×10-61/℃，E=76 400 MPa，#114～#117之间的档号、档距和高差如表1所示，计算结果如表2所示，其中观测弧垂指未考虑绝缘子串偏斜计算出的弧垂，计算弧垂为考虑了绝缘子串偏斜后的弧垂。