输电线路张力架线牵引用钢丝绳断线抱紧系统研究

安徽明生电力投资集团有限公司 刘承志 孔露 程少华 国网安徽省电力有限公司 王鹏 马路遥

国网安徽省电力有限公司物资分公司 宋永春

1 张力架线牵引用钢丝绳断线状态分析

牵引绳断线事故发生后，处于张力状态的钢丝绳分成两截，因断开处张力消失，钢丝绳在断开处单侧失去张力造成受力不平衡，此时钢丝绳会产生切于断面朝向两侧的瞬时加速度，同时由于自身重力的原因还会有向下的加速度。断线受力如图1所示。

图1 断线受力

2 张力架线牵引用钢丝绳断线抱紧系统理论依据

2.1 抱紧机构设计

防跑线装置的工作原理是在钢丝绳回跑时，利用动、静摩擦板与钢丝绳之间产生的摩擦力将钢丝绳锁定。牵引钢丝绳受力如图2所示。

图2 中A 点为断线后方塔架上安装防跑线装置所在的位置，B点为跨越段内导线重心所在的位置。α 为B 点切线方向与水平线的夹角。显然F1的大小与钢丝绳角度α有关，随着下落距离的增大，角度α增大，F1也增大[1]。

图2 钢丝绳受力

2.2 无线拉力传感器的工作原理

2.2.1 应变片原理

金属电阻应变效应如图3所示。

图3 金属电阻应变效应

应变式传感器也成为应变片。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应，将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化。

设有一根长度为L，横截面积为S，电阻率为ρ的金属丝，在未受力时，原始电阻为：

当金属电阻丝收到轴向拉力F 作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为：

由材料力学可知，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。

式中，π为沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关；E为弹性模量；σ为材料所受应力；μ为材料横向效应泊松系数。

忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到式如下：

式中，k0成为金属电阻的灵敏系数，受两个因素影响。一是（1+2μ），主要是材料的尺寸变化引起；另一个是弹性模量E，主要由材料的电阻率随应变引起。

2.2.2 电桥电路原理

四臂电桥电路如图4所示。

图4 四臂电桥电路

因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压U0为零的条件是R1R3=R2R4。

当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即R1R3≠R2R4时，电桥输出为：

恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出有关。

令R1=R2,R3=R4,在应变片工作时，其电阻R1变化ΔR，此时电桥的灵敏度为：

电压输出为：

2.2.3 网关端通信

网关端主要由2.4 自组网模块组成，网关需要新开发网关底板，再结合通信模块进行使用。网关各自通过DC/DC 开关电源由外部电池进行供电。为适用于户外的使用环境，上述的组网模块和开关电源等部件都应安装于防护等级IP65 的电气控制箱内。考虑到输电线路现场无配电网络的使用，电源的设计使用充电锂电池进行供电。无线拉力传感器考虑安装在牵引走板或联结牵引工具中，工作时通过拉动两头的结构在轴向方向产生一个微小的机械形变，通过粘贴在轴向方向的应变片，将拉力的大小转换成电阻值的变化，再通过差动全桥电路将电阻值的变化转换成毫伏信号，将毫伏信号传输到电路板上进行放大、采样后转换成拉力值，并通过中继器进行拉力值传输，最后传输到牵张机端，作业人员可以随时掌握动态[2]。

3 张力架线牵引用钢丝绳断线抱紧系统研究

3.1 张力架线牵引用钢丝绳断线抱紧系统研究内容

一是放线钢丝绳断线情况调查。收集防线钢丝绳发生断股断线事件案例，做好事件原因归类统计分析。

二是开展放线钢丝绳力学试验研究。针对某种具体型号的对放线钢丝绳进行力学试验，总结试验结果。

三是开展牵引用钢丝绳断线抱紧装置设计。根据牵引场牵引机牵引导线作业场景，设计出一旦钢丝绳断线时，锁紧机构能够快速锁紧放线钢丝绳，同时保证正常放线时走板、牵引头正常通过，利用新材料等方式，使其整体结构简单，重量较轻，便于施工操作。

四是放线钢丝绳在线监测拉力传感器研制。将拉力传感器与放线走板、旋转连接器有效结合是设计难点。需要研制出满足放线走板施工的测力传感器，利用电阻应变片及电桥电路原理，实现拉力值的测定，其中包括的难点有弹性元件的选择，应变片的粘贴方法等。

五是感知数据的采集和处理。所采用的传感器多处于作业环境恶劣，承载情况复杂，有时处于高电压、强电磁干扰等条件，因此需研究传感器的数据采集和信号传输性能，保证其适用性、抗电磁干扰等方面能满足要求。

六是通信组网方式的研究。测力传感器的信号传输方式需要采用LORA 网关、中继器或4GTDU组成，近端传送和远端传送相结合的方式。测力传感器采集的感知数据传送到塔身LORA 网关，再从中继器串联或4GTDU 集中器传送到控制端，需要综合对比分析合理选择通信传输方式[3]。LoRa 模块和安装于测力传感器处，LoRa网关和中继器安装于放线中间的铁塔上，各个敷设点可覆盖大约2km距离范围，采用锂电池供电。

七是后台控制软件的功能实现与应用的研究。后台控制软件主要完成前端拉力测试的状态展示与事件的应用处理等功能。状态展示包括控制管理、报警管理、系统配置管理等内容的展示，应用处理包括对参数设置、自动告警、系统设置、统计分析等内容。后台控制软件不仅要实现上述功能，还要在操作界面上人性化，简洁易用，逻辑严谨，因此需要对软硬件结合进行深入研究。

八是开展抱紧装置模拟试验。通过模拟现场工况，对研制的抱紧装置进行模拟现场场景下的应用测试，验证其工作的有效性，针对不足持续完善。

3.2 张力架线牵引用钢丝绳断线抱紧系统研究技术经济指标

一是放线钢丝绳断线情况调查。二是开展放线钢丝绳力学试验研究。架线牵引钢丝绳预防断裂检测及锁紧装置系统研究试验报告。三是开展牵引用钢丝绳断线锁紧装置设计。架线牵引钢丝绳预防断裂检测及锁紧装置系统样机一套，包括钢丝绳在线测力传感器、锁紧装置样机、控制应用系统。四是放线钢丝绳在线监测拉力传感器研制[4]。五是感知数据的采集和处理。六是通信组网方式的研究。七是后台控制软件的功能实现与应用的研究，研究出后台预警、控制及应用系统用户软件操作平台。八是开展锁紧装置模拟试验。提供锁紧装置现场模拟试验方案，配合完成相关现场模拟试验。

3.3 张力架线牵引用钢丝绳断线抱紧系统研究有关的技术问题

一是放线滑车钢丝绳轮在滑车中间处，与边轮间距较小，一直处于旋转状态，相关传感器很难进行设计布置安装；二是钢丝绳抱紧机构在放线过程中需要在能够通过钢丝绳，当出现连接器具或走板时，也要求能够顺利通过；三是钢丝绳抱紧机构需要在钢丝绳断裂后，能够承载巨大的冲击载荷，并锁紧钢丝绳；四是通过监测放线滑车所受钢丝绳的压力大小及轮速，判断钢丝绳是否断裂，需要进行相关现场断线试验验证；五是对抱紧机构的控制执行逻辑，需要进行详细梳理，防止出现未考虑到的情况，不能进行钢丝绳锁紧或误动作[5]。

4 结语

按照我国架线施工规定，330kV 以上电力线路工程必须采用张力架线。采用张力架线不但大大提高了工效、加快了工程进度，而且也显著提高了工程质量。随着我国大截面导线的广泛使用和特高压工程跨越式发展，放线所需的牵引力也越来越大，已从500kV 线路的30kN 上升到300kN。牵引所用的钢丝绳直径从13mm 上升到24mm。我国张力放线技术水平已世界领先，其牵张设备也已全部国产化。但是由于部分张力放线需要在山区进行，此种环境下如果牵丝绳发生断裂，很难确定其准确的位置，虽然我国也有送变电公司开展对防止牵丝绳断裂研究，但是还满足不了目前张力放线普遍要求。因此，未来加强对输电线路张力架线牵引用钢丝绳断线的抱紧系统研究至关重要。