王恩光

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)風(fēng)電發(fā)展有限公司，北京 100080；2.中船風(fēng)電投資（北京）有限公司，北京 100080）

0 引言

隨著社會(huì)建設(shè)的快速發(fā)展，架空輸電線路的遷改工程日益增多，新、舊線路相接時(shí)需對(duì)接舊檔重新緊線，接舊檔的架線設(shè)計(jì)將對(duì)現(xiàn)狀桿塔及基礎(chǔ)的強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響，直接關(guān)系到線路的安全運(yùn)行。但在工程實(shí)踐中，由于部分線路投運(yùn)年代久遠(yuǎn)、資料存檔不全等因素，導(dǎo)、地線應(yīng)力資料往往難以獲得，給設(shè)計(jì)工作帶來了困難。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在的問題

在工程實(shí)踐中，當(dāng)現(xiàn)狀線路導(dǎo)、地線應(yīng)力資料無法獲取時(shí)，為滿足現(xiàn)狀桿塔和基礎(chǔ)的強(qiáng)度要求，針對(duì)接舊檔一般采取經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法；當(dāng)條件受限時(shí)，采取實(shí)測(cè)弧垂反推應(yīng)力法，但二者均存在不同程度的局限性。

1.1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

方案設(shè)計(jì)時(shí)，將新建桿塔立在現(xiàn)狀桿塔附近，以保證現(xiàn)狀桿塔的檔距及張力不發(fā)生較大變化；施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，接舊檔按原運(yùn)行張力架線，不再出具接舊檔的架線弧垂表，要求竣工后現(xiàn)狀直線塔的懸垂串處于豎直向下狀態(tài)即可。

該做法實(shí)質(zhì)上是放棄了接舊檔導(dǎo)、地線應(yīng)力的計(jì)算，轉(zhuǎn)而依賴設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀判斷，容易誤判造成設(shè)計(jì)缺陷，同時(shí)也限制了遷改方案的靈活性。

接舊塔為耐張塔時(shí)，因接舊檔導(dǎo)、地線張力荷載未知，無法判斷接舊塔的張力差情況，為保證強(qiáng)度滿足要求，接舊耐張塔一律使用終端塔的做法，造成極大的浪費(fèi)。而當(dāng)接舊檔為孤立檔時(shí)，無法通過觀察現(xiàn)狀懸垂串的豎直狀態(tài)來判斷導(dǎo)、地線是否達(dá)到原運(yùn)行張力，如參考原運(yùn)行弧垂架線，則因遷改前后檔距的變化而存在較大誤差，留有極大的設(shè)計(jì)隱患。

1.2 實(shí)測(cè)弧垂反推應(yīng)力法

為補(bǔ)充經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的不足，部分設(shè)計(jì)人員通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)弧垂，反推運(yùn)行應(yīng)力，但常常以環(huán)境溫度代替導(dǎo)、地線實(shí)際線溫。此種做法僅適用于負(fù)荷較小或處于冷備用狀態(tài)的輸電線路，當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，電流的熱效應(yīng)使得導(dǎo)線溫度明顯高于環(huán)境溫度，導(dǎo)線溫升將不可忽略。加之作業(yè)過程操作不規(guī)范，經(jīng)常導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差太大，失去參考價(jià)值，甚至誤導(dǎo)設(shè)計(jì)。

2 計(jì)及導(dǎo)線溫升的應(yīng)力計(jì)算

隨著高分辨率紅外測(cè)溫技術(shù)的成熟與普及，通過該技術(shù)測(cè)量導(dǎo)線溫度，并結(jié)合運(yùn)行單位提供的線路負(fù)荷臺(tái)賬進(jìn)行線溫驗(yàn)證，可大大提高導(dǎo)、地線運(yùn)行應(yīng)力計(jì)算的精度。

2.1 測(cè)量準(zhǔn)備

為減小誤差，測(cè)量時(shí)需注意以下事項(xiàng)：

（1）為減小偶然誤差，需對(duì)觀測(cè)檔內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的弧垂進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)各點(diǎn)的弧垂反推出同一工況下的應(yīng)力值，取平均值后，再以此作為已知工況計(jì)算其他工況的應(yīng)力值。

（2）對(duì)于連續(xù)檔，不宜選取與代表檔距相差極大的檔距作為觀測(cè)檔，且觀測(cè)檔導(dǎo)線對(duì)地距離不宜太高，否則不便測(cè)量線溫。

（3）受測(cè)溫設(shè)備鏡頭分辨率限制，線溫測(cè)量點(diǎn)盡量選在導(dǎo)線正下方，并且距離系數(shù)K（K=S/D，指測(cè)溫設(shè)備到導(dǎo)線的距離S與導(dǎo)線直徑D的比值）滿足測(cè)溫設(shè)備分辨率要求。

（4）在無風(fēng)、無冰天氣下展開測(cè)量工作，如遇陣風(fēng)需停止測(cè)量工作；導(dǎo)線弧垂和線溫的測(cè)量工作同時(shí)進(jìn)行，并記錄測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度、測(cè)量時(shí)間。

以某待遷改的220 kV老舊線路為例，查詢運(yùn)維臺(tái)賬得知，線路投運(yùn)于2003年，遷改段所用導(dǎo)線型號(hào)為2×LGJ-400/35，地線為JLB4-120，原線路設(shè)計(jì)的主要?dú)庀髼l件：高溫40℃，低溫-20℃，年平均10℃，覆冰5 mm，最大風(fēng)速25 m/s（依據(jù)舊版規(guī)范，對(duì)地距離15 m高）。現(xiàn)狀線路導(dǎo)、地線參數(shù)如表1所示。

主要設(shè)計(jì)氣象條件如表2所示。

2.2 測(cè)量記錄

綜合考慮工期安排、疫情管控以及當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r，定于2021年5月初完成測(cè)量，記錄現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

2.3 線溫復(fù)核

因地線中僅有微弱的感應(yīng)電流，溫升可忽略不計(jì)，故可認(rèn)為地線線溫與環(huán)境溫度相同，根據(jù)表3記錄數(shù)據(jù)，導(dǎo)線因電流熱效應(yīng)溫升數(shù)值在20～25℃，最大溫升發(fā)生在8#觀測(cè)點(diǎn)，達(dá)到25.1℃。

經(jīng)向電力公司相關(guān)人員了解，實(shí)測(cè)期間本線路所帶負(fù)荷為208.97～325.67 MVA（對(duì)應(yīng)子導(dǎo)線電流為274.21～427.35 A）。

根據(jù)《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50545—2010）條文說明第5.0.6章節(jié)的相關(guān)公式，可推算出導(dǎo)線溫升為18～29℃，與實(shí)測(cè)線溫基本相符，證明了線溫測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。

2.4 應(yīng)力計(jì)算

2.4.1 連續(xù)檔

以某觀測(cè)檔一端電線懸掛點(diǎn)作為坐標(biāo)O點(diǎn)，測(cè)得距離坐標(biāo)O點(diǎn)水平距離x處的弧垂為f，將觀測(cè)檔距下的弧垂折算至代表檔距下的弧垂：

然后求出不同觀測(cè)點(diǎn)的最低點(diǎn)的應(yīng)力：

式中：σ為測(cè)量時(shí)弧垂最低點(diǎn)的應(yīng)力值（N/mm）；x為弧垂觀測(cè)點(diǎn)至坐標(biāo)O點(diǎn)的水平距離（m）；γ為實(shí)測(cè)時(shí)電線的比載[N/（m·mm）]，取電線自重比載。

根據(jù)公式（1）（2），通過檔內(nèi)各點(diǎn)的觀測(cè)弧垂反推觀測(cè)檔的應(yīng)力值。需要注意的是，由于測(cè)量不同觀測(cè)點(diǎn)時(shí)線溫有所差異，故需將反推的應(yīng)力值統(tǒng)一折算至同一工況下，所用公式如下：

式中：σ、σ分別為已知工況、待求工況弧垂最低點(diǎn)的電線應(yīng)力值（N/mm）；γ、γ分別為已知工況、待求工況電線的比載[N/（m·mm）]；E為電線的彈性模量（N/mm）；α為電線的膨脹系數(shù)（1/℃）；t、t分別為已知工況、待求工況電線的溫度（℃）。

本文以折算至年平工況為例，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4可知，導(dǎo)、地線的年平均運(yùn)行應(yīng)力分別取48.45 N/mm、107.30 N/mm，然后根據(jù)公式（3），計(jì)算出觀測(cè)檔在其他工況下的應(yīng)力，如表5所示。

由表5可知，導(dǎo)線的最大運(yùn)行應(yīng)力為覆冰工況，等效安全系數(shù)為3.51，年平工況運(yùn)行應(yīng)力值為保證拉斷力的20.87%；地線的最大運(yùn)行應(yīng)力為大風(fēng)工況，等效安全系數(shù)為4.03，年平工況的運(yùn)行應(yīng)力值為保證拉斷力的17.54%。

低溫工況和年平工況的比載相同，溫度相差30℃，根據(jù)表5算得二者導(dǎo)線應(yīng)力相差12%，實(shí)測(cè)期間導(dǎo)線平均溫升23.0℃，粗略推算，如忽略導(dǎo)線溫升將造成導(dǎo)線應(yīng)力計(jì)算誤差約9%，會(huì)給設(shè)計(jì)工作帶來較大干擾。

2.4.2 孤立檔

以電線懸掛點(diǎn)作為坐標(biāo)O點(diǎn)，弧垂最低點(diǎn)的應(yīng)力為：

式中：γ為絕緣子串比載[N/（m·mm）]；λ為絕緣子串水平投影長(zhǎng)度（m）。

已知工況和待求其他工況應(yīng)力關(guān)系為：

式中：σ為待求工況下應(yīng)力（N/mm）；t為待求工況下溫度（℃）；K、K分別為已知工況和待求工況線長(zhǎng)參數(shù)，可用公式（6）計(jì)算。

式中：l為扣除兩側(cè)絕緣子串的檔距長(zhǎng)度（m）；G為絕緣子串荷載（N）；A為電線截面（mm）；W為電線單位截面上的荷載（N/mm）；γ為電線水平投影比載[N/（m·mm）]。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，該孤立檔導(dǎo)線為雙聯(lián)耐張串，每聯(lián)采用18片，參考近似串型，預(yù)估導(dǎo)線耐張串串重330 kg，串長(zhǎng)4.0 m，地線耐張串按串重6.5 kg，串長(zhǎng)0.38 m計(jì)算。

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入公式（4），計(jì)算實(shí)測(cè)溫度下的導(dǎo)、地線應(yīng)力值，并根據(jù)公式（5）（6）將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一折算至年平工況下，如表6所示。

值得注意的是，本文所述通過查詢實(shí)測(cè)期間負(fù)荷，推算電流熱效應(yīng)引起導(dǎo)線溫升的方法具有一定的局限性：一方面，不同測(cè)量時(shí)刻日光對(duì)導(dǎo)線的日照強(qiáng)度、垂

然后再根據(jù)公式（5）（6），計(jì)算觀測(cè)檔在其他工況下的應(yīng)力，如表7所示。

由表7可知，導(dǎo)線最大運(yùn)行應(yīng)力為覆冰工況，等效安全系數(shù)為3.63，年平工況運(yùn)行應(yīng)力值為保證拉斷力的20.53%；地線最大運(yùn)行應(yīng)力為大風(fēng)工況，等效安全系數(shù)為4.65，年平工況運(yùn)行應(yīng)力值為保證拉斷力的15.67%。

低溫工況和年平工況的比載相同，溫度相差30℃，根據(jù)表7算得二者導(dǎo)線應(yīng)力相差17%，實(shí)測(cè)期間導(dǎo)線平均溫升23.4℃，粗略推算，如忽略導(dǎo)線溫升將造成導(dǎo)線應(yīng)力計(jì)算誤差約13%，達(dá)到不可接受的程度。

3 結(jié)語

本文給出了通過測(cè)量導(dǎo)、地線線溫及弧垂，反推各工況運(yùn)行應(yīng)力的詳細(xì)過程，為接舊檔的架線設(shè)計(jì)、現(xiàn)狀桿塔校驗(yàn)提供了重要依據(jù)。根據(jù)推算，如忽略導(dǎo)線溫升，反推的導(dǎo)線應(yīng)力計(jì)算誤差可達(dá)10%以上，超過可接受的誤差范圍。本文引入紅外測(cè)溫技術(shù)測(cè)量導(dǎo)、地線的實(shí)際線溫，大大提高了反推應(yīng)力的計(jì)算精度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)計(jì)算以環(huán)境溫度代替導(dǎo)線溫度的不足。直于導(dǎo)線的風(fēng)速等計(jì)算參數(shù)有所區(qū)別，且對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大；另一方面，導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)過程有一定的遲滯性，線路所帶負(fù)荷與實(shí)測(cè)線溫在時(shí)間上不是嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在本文中僅用作線溫測(cè)量的佐證數(shù)據(jù)。