大跨越输电线路导地线力学计算软件研究

孟遂民 王 爽 郭 昊

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

在交直流架空输电线路跨越通航江河、湖泊、海峡时，档距较大（一般在1 000m 以上）、塔的高度较高（一般在100m 以上），发生故障时将严重影响航运、交通，修复也比较困难［1］，因此，大跨越耐张段的安全可靠性尤为重要.大跨越输电线路导地线力学的一般计算方法是，以平均高度法计算风荷载、以代表档距法及状态方程式等进行导地线应力计算.该方法建立在一些假设的基础上，其计算存在一定的误差.大跨越输电线路档距大，弧垂经常达到百米以上，较小的应力误差将引起弧垂很大的变化，会严重威胁跨越档的安全运行.跨越档杆塔高、档距大，大风往往成为控制气象，准确计算有风气象条件下导地线的力学特性特别重要.而导地线各点高度不同，各点的风压也不同，采用积分法计算导地线各档所受的风荷载，进而计算导地线应力，这将更符合实际情况.气象条件变化时，大跨越耐张段各档应力不再相等，悬垂串偏斜，悬点位置变化造成各档档距发生变化，因此，不再符合代表档距法的计算原则，需要寻找精确的计算方法.由于计算复杂，必须开发相应软件借助计算机进行求解.

1 关键问题处理

1.1 控制气象条件的确定

一般情况下，导线的可能控制气象条件是最低气温、最厚覆冰、最大风速、年均气温.对大跨越档而言，其所受的风荷载又与控制条件有关，因此需要反复试算，才能确定大跨越耐张段的控制气象条件.由于上层导线承受风荷载最大，因此将以上导线作为研究对象.

大跨越的杆塔位置通常是由地质地形条件确定的，即各档档距一般是已知的，意味着其代表档距的近似值是已知的.确定控制气象条件的步骤是：

1）计算代表档距，初定控制气象条件；

2）由控制气象条件推导出最大弧垂发生气象（最高工作温度或者覆冰无风）下的弧垂；

3）考虑跨越档航道位置、航船桅杆高度、最高航行水位、电气限距、安全裕度以及五年一遇、百年一遇洪水位和相应电气限距，用最大弧垂曲线模板，初定（优化）跨越塔高；

4）初定跨越塔高后，导线各点对地（水面）高度已知，可应用精确计算方法计算风荷载，得到新的风压比载；

5）采用新的风压综合比载，以年均气温为第一状态，精确计算覆冰有风、基本风速、最低气温气象条件下各档应力，再次判断控制气象条件，返回步骤2）再行计算，反复进行，直至控制气象条件和两跨越塔塔高和不变为止.

1.2 导地线风荷载的精确计算

导地线所受风荷载可由式（1）计算.

式中，αf为风压不均匀系数；μsc为导地线体型系数；βc为500kV 及以上线路风荷载调整系数，仅用于计算架空线作用于杆塔上的风荷载；β为修正系数；z 为粗糙度指数；d 为导地线的计算直径；γ为导地线的均布比载；σ0为导地线的水平应力；Δh为塔基面高出水位的距离；h1为左跨越塔导线悬点高度；l为档距.

整档导地线风荷载的计算步骤是：

1）先按无风情况算得导地线的纵向应力，得到悬挂曲线方程；

2）沿线长积分计算档内导地线所受风荷载.利用式（1），采用梯形法进行积分计算：先把档距进行n 等分，对每一等分进行风荷载计算，将所有等分风荷载求和；再将档距进行2n 等分，进行风荷载计算，反复进行.收敛条件是：n等分的风荷载值与2n 等分的风荷载值之差不大于预先设定值［2］；

3）进行风偏后风荷载的修正.风偏后，导地线变高，风荷载将进一步增大.将上步算得的风荷载均布在导地线上，利用状态方程式求得有风时的纵向张力，得到风偏后导地线的垂直平面投影，再从步骤2）反复进行；

4）直至前后2次得到的导地线纵向张力差满足要求.

为便于对导地线应力的进一步计算和处理，将精确计算得到的风荷载P，按该档线长均布折算为风压比载.

1.3 各气象组合下的张力精确计算

当一种气象状态变到另一种气象状态时，由于温度、比载等条件的改变，将引起各档应力改变，绝缘子串顺线路方向偏斜，从而导致档距和高差改变.由于绝缘子串偏斜对高差变化影响很小，在计算过程中，可忽略高差变化.绝缘子串偏斜后，在新的状态下达到平衡时，耐张段各档距之和仍应不变，各档档距改变量之和应为零［3］，据此，在全部运用悬链线公式的基础上，考虑架空线的热胀冷缩和弹性伸长，认为年均气象下悬垂串铅垂，由精确计算方法求得各气象组合下各档的导地线张力［1］.

1.4 导地线的不均匀脱冰

根据设定的脱冰档和脱冰系数，用冰重比载乘以脱冰系数，进行脱冰档不均匀脱冰计算，不脱冰档覆冰情况不变.以年均气象为第一状态，由精确计算方法求取不均匀脱冰下各档的导地线张力.

1.5 塔头荷载计算

将塔头荷载分解为垂直荷载、横向水平荷载、纵向水平荷载.

塔头垂直荷载包括导线、地线、绝缘子串和金具的重力荷载.塔头横向水平荷载包括导线、地线、绝缘子串和金具的风压，得到导地线各点风荷载后，通过力矩平衡方程，计算该档架空线作用于线夹处的风荷载.正常运行时跨越塔塔头的纵向水平荷载为导线、地线的不平衡张力，根据张力的精确计算得到.

2 软件系统设计

2.1 总体结构及开发工具

软件总体结构分为5个模块：通用数据库模块、工程配置模块、计算功能模块、结果输出功能模块、帮助功能模块.图1为软件的总体结构图，图2为软件的数据流图.

Visual Basic 6.0（简称VB）是一种面向对象和可视化的高级程序设计语言，主要具备效率高，功能强，简单易学的优点；可以实现图形用户界面的可视化开发；提供的与各数据库连接接口，可快速对数据库读写操作；提供的与Microsoft Office连接接口，数据传递方便，可直接生成Excel文档；提供Active控件，程序员可根据需要采用该控件满足程序特定要求［4］.因此，选用Visual Basic语言作为本软件开发工具.

2.2 软件功能模块

2.2.1 通用数据库模块

该模块共分气象条件参数、导线型号参数、地线型号参数、电气安全距离4个参数库文件.在Access 2003中分别创建相应的4 个数据表，输入相应的字段名，设置好字段的数据类型，输入相应的数据后保存退出［5］.如在创建“导线型号参数”数据表后，输入“导线型号”、“计算截面（mm2）”、“外径（mm）”、“计算拉断力（N）”、“计算质量（kg／km）”、“温膨系数（1／℃）”、“弹性模量（N／mm2）”字段名，再将字段“导线型号”设置为文本格式，其他的字段设置为数字格式，输入对应的数据后保存退出即可.

在通用数据库文件创建完成后，对每一个数据表，添加一个窗体，应用ADO 控件和Datagrid数据表格控件实现与数据库的联接，同时应用addnew、delete增加添加、删除、和更新功能［6］.编程时，首先需用Connection 对象与数据库建立联系，然后用Recordset对象来操作、维护数据，利用Command对象实现存储过程和参数的查询.在使用过程中，用户对参数的操作均通过界面进行，不必直接操作数据库.

2.2.2 工程配置模块

为了使用户输入数据更加方便快捷，窗体中采用了VB内部控件中的列表框，供用户在其中选择相应参数，而不需手动输入数字.并通过if语句使不同的列表框实现关联，减少操作步骤，提高效率.如当选择的电压等级显示为500kV 时，导线分裂数自动选择并显示为4，当然用户可以进行修改.

工程配置模块共分为4项设置：①线路配置，设置导地线型号及相应参数、线路脱冰系数、计算降温度数；②气象设置，设置线路所在地区的气象条件，如果是典型气象区，可直接选择，否则需要自行输入相关参数；③跨越配置，设置大跨越的航道位置参数（跨越位置、航道位置、航道宽度）、桅杆及水位高程、安全距离要求、塔头参数、塔位参数、绝缘子串参数；④跨越形式设置，设置大跨越耐张段的布置形式、回路数、导线的排列方式［7］.

2.2.3 计算功能模块

计算功能模块分为7 部分：①导线力学特性计算：计算导线各档、各气象条件下的比载、张力等；②地线力学特性计算：计算地线各档、各气象条件下的比载、张力等；③塔头荷载计算：计算每基杆塔在各气象条件下的纵向水平荷载、横向水平荷载、垂直荷载［8］；④绝缘子强度选择计算：计算正常运行工况下所受到的最大荷载，最大断线张力或不平衡张力、断联情况下所受到的最大荷载，常年荷载，以及稀有覆冰、稀有风速等验算工况下的荷载；⑤悬垂串风偏计算：计算悬垂串的横向风偏角和纵向张力偏角［9］；⑥不平衡张力计算：计算正常覆冰工况下，导、地线在某一档全部或部分脱冰情况下，各档的张力；⑦杆塔呼高优化计算：根据实际的线路地形条件、塔基高程、安全运行和通航要求，对跨越塔塔高进行优化，作为设计参考.

在计算时，用户首先需新建工程，然后完成工程配置中相应参数的输入，再进行相关计算.运用VB较易实现Excel数据表的数据读写，软件将工程所有计算结果都保存在相应的Excel文件中.软件具有记录已计算工程结果数据的功能，若需查看或修改某些参数后重新进行计算，只需在新建工程的列表框中选择原有的工程名，修改相应参数，然后依次进行计算即可，程序会自动读取、替换原有计算结果.

2.2.4 结果输出功能模块

结果输出功能模块分为3 个部分：①计算说明书.在计算完成后，点击“计算结果查询”菜单下的“计算说明书”命令，软件会自动读取存储在Excel文件中相应工程的计算结果数据，并生成特定格式的Word 计算说明书，运用CommonDialog 和 Web－Browser控件实现了将计算说明书文档嵌入VB 窗体.②导地线应力弧垂特性表.点击“导线计算结果查询”和“地线计算结果查询”命令即可生成相应的导、地线应力特性表、架线弧垂表、百米弧垂表.③塔头荷载图.采用Image控件实现了预先绘制的塔头图形显示在VB的窗体中，在塔头的适当位置用Textbox分别显示计算的塔头横向水平荷载、纵向水平荷载、垂直荷载的数值.

2.2.5 帮助功能模块

采用Visual CHM 编写该软件的帮助模块，为用户提供详细的软件操作方法、安装指南.

3 算 例

以某220kV 线路大跨越耐张段为例，用软件优化跨越塔高并计算了上导线荷载、张力.该大跨越耐张段导、地线分别采用AACSR／EST－410、OPGW－210.档距分布为：491m－1 260m－388m，采用耐－直－直－耐的跨越形式，跨越档最高通航水位5.77m，大风季节平均最低水位3m，四基塔塔基高程均为4m，导线的排列方式为双回路，垂直排列.导线每相采用双分裂布置.所用铁塔的上、中横担和中、下横担间距均为10m.导线计算用的气象条件见表1.

表1 计算气象条件

在两基锚塔呼高给定情况下，运用软件对两跨越塔的呼高进行了优化，确定的四基塔的呼高分别为：30m，121m，121m，30m.控制气象条件为年平均气温.上导线各工况各档荷载见表2.上导线各工况各档张力见表3.

表3 上导线各工况下各档张力 （单位：N／根）

4 结 语

基于Visual Basic的大跨越输电线路导地线力学计算软件具有以下特点：

1）采用模块化设计，数据与程序相互独立，界面友好，操作、维护简单.

2）通过大量计算和数据处理技术，计算机程序可直接生成计算说明书和导地线应力弧垂特性表，并绘制出塔头荷载简图，使用户可以清楚地查看计算结果，也提高了效率.

3）留有升级接口，具备扩展到计算特高压大跨越导、地线力学特性计算的功能.

4）用积分法和数值迭代计算法计算耐张段内各档风荷载，与常规的平均高度计算法相比，更加符合导、地线的真实受风情况，计算更准确.

［1］ 孟遂民，孔 伟.架空输电线路设计［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［2］ Suimin Meng，Wenjing Liu，ZhenHong Jia.A Study on the Conductor Mechanical Calculations of the Long Span Transmission Line［C］.2012International Conference on Power Electronics Engineering and Computer Technology，Yichang，China，2012：492－495.

［3］ 李 翔，赵全江，秦 岭.大跨越电线力学特性计算软件的开发和应用［J］.电力建设，2002，23（9）：33－35.

［4］ 李雁翎.Visual Basic程序设计［M］.2版.北京：清华大学出版社，2007.

［5］ 吴伟光，陈清江.架空输电线路计算软件的研究与开发［J］.电力建设，2002，23（10）：69－71.

［6］ 李 俊.架空输电线路电线力学计算软件的研究与开发［J］.湖北电力，2007，31（3）：46－50.

［7］ 中国电力企业联合会.GB 50545－2010.110kV～750kV架空输电线路设计规范［S］.北京：人民出版社，2010.

［8］ 汪大海，李 杰，谢 强.大跨越输电线路风振动张力模型［J］.中国机械工程，2009，29（28）：122－128.

［9］ 汪大海，李 杰.基于动张力均方根反应谱的大跨越输电线路设计风荷载计算方法［J］.振动与冲击，2012，31（9）：83－88.