配网电杆主动安全防护技术研究*

蒙文富 代张音 陈有成 黄玉林 李贤贤

(贵州大学矿业学院 贵阳 550025)

0 引言

电杆作为配网系统中电能输送的重要支柱，是支撑输电线路的关键设施，确保其安全、可靠运行一直是电力系统工作的重中之重。配网系统由于电压等级较低，电杆一般不高，多采用10、12 m两种型号。当配网线路通道两侧为枞木、杉树、竹林等生长速度快、较高且易断的树种时，在大风或冰雪灾害天气下，极易发生树木折断或弯曲压覆在线路上，导致线路受力过大，最终造成电杆倾斜或断杆。在我国西南山区，此种现象更为普遍。电杆倾斜或断杆后，由于其运输不便、施工难度大，相比其他类型电网故障，电杆受损的修复难度更大、停电时间更长、经济损失更重。

针对上述问题，目前工程应用领域主要通过加大投资、提高设备强度[1]，以提高抗灾能力。然而大规模、大范围进行设备改造，投入成本巨大，且由于不同地区灾害性环境差异，设备改造工程的普遍适用性受到限制。此外，学术研究领域虽然提出了超载荷下线路与电杆分离的电杆保护机械装置，如广州开能电气实业有限公司研发的连接线夹方案[2]，广东电网公司电力科学研究院研发的线路防台风保杆保线及保杆弃线吸能脱离一体化装置[3]、环形圈受力变形在“弃线保杆”装置上的应用[4]，南方电网公司研发的剪切螺栓方案、弹簧掉脱线装置和两相载荷一体化装置等，但这些装置结构复杂、构件多、安装技术要求高，且不易维护和更换、成本高、实用性差，电杆有效防护的问题仍未得到有效解决。

本文在进行配网电杆破坏受力分析的基础上，设计电杆主动防护装置，提出配网电杆主动防护安全技术，能更有效地保护电杆安全运行。

1 配网电杆受力分析

本文研究突遭强大外力对电杆的影响，因最常见的电杆为单柱混凝土电杆，以其为依据建立数学模型具有代表性。电杆所受荷载可分为垂直和水平两类[5]，电杆荷载简化模型如图1所示。图中垂直荷载由杆塔自重和电线自重等部分组成；水平荷载分为与电线方向垂直且沿横担长度方向的横向水平荷载和与电线方向垂直且沿横担长度方向的纵向水平荷载。

图1 电杆荷载简化模型

(1)对图1中三杆模型[6]的电杆O求垂直荷载得：

(1)

式中,G为电线、避雷线的垂直荷载，N；g1为自重比载，N/(m·mm2)；s为电线横截面积，mm2；β1、β2为两端高差角；l1、l2为两端水平档距，m；hA、hB为两端高度差，m；σ为电线、避雷线应力;g为重力加速度。若两边电杆的电线依附点低于电杆O依附点，则式中取正号，反之取负号。

(2)求水平荷载，即求电线和避雷线所受到的风荷载得：

(2)

式中，P为电线、避雷线风荷载，N；g4为风压比载；PJ为绝缘子串风压，N。

(3)求角度荷载，即存在转角的电杆[7]除承受水平荷载外，在横向还承受由架空线张力引起的角度力，如图2所示。

图2 转角杆角力

角度荷载计算式为：

(3)

式中，T1、T2为电杆两侧的张力，N。

电线的不平衡张力为：

(4)

其合力为：

(5)

(4)电杆载荷分布如图3所示，图中截面x-x所受弯矩检验电杆强度，计算式为：

图3 电杆载荷分布

Mx=(1+m)[∑(G·a)+∑(P·h)+Ppx·hx·z]

(6)

式中，m为附加弯矩系数，取12%～15%；Ppx为主杆杆身单位长度风压，N/m；hx为截面x-x以上的电杆高度，m；z为截面x-x风压合力到截面处的力臂，m。

基于常态下电杆受力分析情况，查阅有关资料得，12 m的K级电杆[8]开裂检验弯矩约39 kN·m；而在20 m/s的风速环境下，电线为JL/G1A-150/25 时电杆所承受的弯矩为6.626 kN·m[9]。

(5)当电杆遭受巨大外力如树木倒伏等情况而被破坏时，假设电线突遭强大外力荷载F，作用于电杆上分为水平方向的Fx和垂直方向的Fy，可得：

△M=Mx-M

(7)

△M=(1+m)[Fxh+Fya]

(8)

式中，△M为电杆断裂弯矩差，kN·m；M为20 m/s风速下电杆受到的弯矩；m为常态下电杆所受弯矩系数；h为断裂面距固定点距离，m。

经分析计算可得，取电杆断裂面距离电线固定点为6 m，当电杆受到的强大外力达到4.48 kN时，电杆就会遭到破坏。发生树木倒伏、强台风、覆冰等情况时都可能达到该力值，使电杆遭到破坏，所以有必要进行配网电杆主动安全防护技术的研究。

2 主动安全防护装置

上述配网电杆受力分析结果表明：电杆破坏的主要原因为各种外力产生在水平面内的分力通过电线张力作用到电杆上，当达到电杆的破坏阈值时，电杆便会断裂。因此，进行配网电杆主动安全防护技术的研究非常有必要。

本文设计了一种新型配网电杆主动安全防护装置，该装置结构示意如图4所示，装置线路连接示意如图5所示，装置固定器示意如图6所示，装置绝缘保护外壳示意如图7所示。

图4 整体装置示意

图5 线路连接示意

图6 固定器示意

图7 绝缘保护外壳示意

该装置由剪切螺栓连接上压盖和固定器，两段线路分别向相反方向从上压盖和固定器之间穿过，绕过剪切螺栓拉回，再分别用线路箍扎紧；上压盖可沿剪切螺栓轴线方向调节，通过螺母固定位置，具体为向下旋转螺母，使上压盖下降，直到两段线路紧密接触，即完成上压盖的固定调节。装置主体结构套装于绝缘保护外壳中。

固定器上设有螺纹孔和固锁环，如图6所示。螺纹孔可固定剪切螺栓，固锁环将整个装置固定在绝缘子上。线路箍设有逆止结构，用于扎紧绕回线路，捆扎方式如图5所示。

3 配网电杆主动安全防护技术

配网电杆主动安全防护技术工作机理如下：将该装置安装固定在绝缘子[10]上，两段线路通过本装置连接；正常情况下，线路对剪切螺栓的作用力小于其自身剪切强度；当输电线路受到树木倒伏、极端天气等强大外力作用，该外力的水平分力通过线路的张力作用在剪切螺栓上，若该水平分力达到剪切螺栓剪切强度阈值，则剪切螺栓被剪断，发生断裂破坏，随即绕扎在剪切螺栓上的两段线路脱离，使该强大外力得以释放，避免发生电杆倾斜或断杆事故。

该装置适用于不同规格(直径)线路，可满足不同型号电杆需求。同时，还可根据不同线路的最大可承受外力，通过生产不同规格的剪切螺栓来改变其破坏阈值，以适应不同电杆的破坏极限，从而达到保护电杆的目的。当剪切螺栓损坏，线路从装置中脱离后需要再次安装时，只需更换剪切螺栓并将其固定在固定器上，绕扎压紧线路即可完成修复，修复过程简单高效。

作为该装置受力部件的剪切螺栓，要满足以下性质：首先由于其需要受到强大的外力，应满足一定强度，以保证其在一般情况下可以正常运转，避免出现未达到阈值就被破坏的情况；其次考虑其工作原理，要满足在外力达到设定阈值范围时立即作出反应，剪切螺栓及时断裂，使电线脱离电杆，释放超过阈值的强大外力，以保护电杆免受强大外力作用，从而避免电杆被破坏，而在外力未达到破坏阈值时，其不会做出如断裂、变形等动作，提高工作准确度，降低因长时间工作而导致变形产生的误差；最后要考虑生产成本的因素，要降低其生产成本就必须考虑使用较为广泛的材料，并同时要满足以上特点。

绝缘保护外壳可将裸露的电线和剪切螺栓部位包裹住，防止触电等意外事故发生，也可有效保护本装置，避免因雨淋日晒发生锈蚀朽化等现象而降低工作准确度。

4 结论

通过对电杆受力情况的分析得出，电杆的破坏主要是由电线的张力所引起的横向荷载和纵向荷载过大，超出电杆破坏阈值，从而引起电杆的破坏，所以有必要进行配网电杆主动安全防护技术的研究。

在配网电杆安全主动防护装置选择剪切螺栓型号时，不同规格的线路、电杆分别使用不同规格的剪切螺栓，破坏阈值不同，螺栓直径也不同。剪切螺栓要在即将达到电杆破坏阈值时及时、准确地断裂释放压力，并且不出现弯曲或延伸等拉扯变形导致剪切螺栓工作精准度降低的状况。螺栓的破坏阈值应小于电杆的破坏阈值，保证在外力达到电杆破坏阈值时剪切螺栓先一步做出反应断裂，以保护电杆。

配网电杆安全主动防护技术可以适应不同的电杆型号，且安全可靠、结构简洁、安装简单、维护更换便利、成本低廉，能更有效地保护电杆安全运行。