承载索式跨越装置中承载索的施工设计及计算研究

王刚 李君章 詹晖 郑凯 郑晓广

摘 要：承载索式跨越装置由支撑装置、承载索和封网装置组成，是线路跨越施工中常用的跨越施工装置。承载索式跨越装置施工设计的核心是承載索的张力计算和规格选择。本文针对承载索的正常工况和事故工况下的受力及相互关系进行详细分析，给出了施工设计流程、计算方法及优化方法，为承载索跨越施工提供理论依据和安全保障。

关键词：承载索式跨越装置；施工设计；优化流程

中图分类号：U445.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0119-04

The Construction Design and Calculating Study of Carrying

Rope of Over-crossing Device

WANG Gang1 LI Junzhang1 ZHAN Hui1 ZHENG Kai2 ZHENG Xiaoguang1

（1.Hean Electric Power Transmission and Transformation Construction Company Limited，Zhengzhou Henan 450000；

2. State Grid Zhengshou Electric Power Supply Company，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The over-crossing device by carrying rope consists of supporting device，carrying rope and closed net， is commonly used in line crossing construction across the construction unit. The design of the over-crossing device by carrying rope is he core of tension calculation and choice of specification. In this paper under normal condition and accident conditions in a force and the mutual relationship of detailed analysis， construction design process was given， calculation method and optimization method， as to provide theoretical basis for over-crossing device by carrying rope construction and security.

Keywords： over-crossing device by carrying rope；construction design；optimize the process

随着社会经济和电力网的快速发展，输电线路建设过程中遇到的各种交叉跨越也较以往的线路工程急剧增加。在地形条件较差的山区，跨越物对地距离较高及同档有多处跨越物时，难以在现场搭设结构架封网型式的跨越装置，而承载索式跨越装置具有满足一定跨距情况下跨越高度较高、不受地形限制等优点，因此，其在输电线路跨越施工中被广泛采用。

承载索式跨越装置也被称为无跨越架不停电跨越架线[1-5]，由支撑装置、承载索和封网装置组成[3]。承载索式跨越装置施工设计的核心是承载索的张力计算和规格选择。

1 承载索式跨越装置的组成

1.1 支撑装置

支撑装置包括承载体（杆塔、钢管式脚手架、格构式组合钢架等）、悬吊钢丝绳、悬吊横梁及承载索滑车等。支撑装置的作用是承受各种工况下承载索产生的垂直分力及较小的水平分力。

1.2 承载索

承载索主要包括主承载索以及与承载索相连接的延长绳索、调整工具（手板葫芦、缓松器）和地锚。其工作特征是：在正常工况下承载封网装置以及在放线施工中引渡初级引绳临时落线的重量；在事故工况下承载封网装置以及事故发生时导线落线重量。导线落线的过程较为复杂，包括导线在空中下落过程、接触封网装置的冲击过程和冲击结束后的落线终止的静止状态三个阶段。由于封网装置的结构型式不同、材料的刚性差异，落线高度和落线位置的不同使得整个过程较为复杂，目前进行的相关研究和试验承载索的真实受力尚未有确定的和较为准确的计算方法。

1.3 封网装置

封网装置一般由端部撑杆、中间撑杆和尼龙封网组成。其工作特征是封网两端的端部撑杆承受落线的集中荷载，端部撑杆之间的封网部分承受落线的均布荷载。封网两端的拉网绳承受落线时的冲击荷载。封网装置的受力通过连接索、环扣传递到主承载索。

2 承载索式跨越装置施工设计流程

2.1 承载索的工况及关系

①承载索的工况。承载索的工况包括事故工况和正常工况两种。其中，正常工况是在跨越装置安装完成后，主承载索仅承载封网装置的重量和在放线施工中引渡初级引绳临时落线的重量；事故工况是在发生导线落线事故时，主承载索承载封网装置重量和导线落线的重量。

②承载索两种工况之间的关系。事故工况和正常工况之间的关系是承载索的无荷线长相等，即承载索在对应工况下的线长减去弹性伸长的长度是相等的。

2.2 承载索的控制条件

承载索的控制条件是在事故落线情况下封网装置到被跨越线路的地线间最小垂直距离满足安装规定的要求。通常以控制条件来计算对应正常工况下的条件。

2.3 承载索式跨越装置的施工设计流程

施工方案设计过程是以事故工况下的状态为控制条件确定正常工况的状态的过程。承载索式跨越装置的施工设计流程如图1所示。

2.3.1 录入相关参数。计算时，首先确定已知条件，已知条件主要包括以下几方面：①跨越档档距l、高差h；②被跨越物的位置x（距离左侧杆塔的距离）、被跨越物的高度h地；③承载索的悬挂高度hA、hB等；④事故工况下封网距离被跨越物的安全距离S[7-9]，详见《电力建设安全工作规程第2部分：电力线路》（DL 5009.2—2013）；⑤封网在事故工况下比承载索的降低值S1。具体参数如图2所示。

2.3.2 计算事故工况下的承载索弧垂。事故工况下承载索的弧垂[fx2]等于跨越物上方承载索的两个挂点间连线位置与承载索对应位置的高差[见式（1）]。

[fx2=hA+hlx-S1-S-h地] （1）

2.3.3 计算事故工况下承载索受力。根据已知事故工况下的荷载，利用事故工况下的计算公式计算出对应承载索受力。

2.3.4 计算事故工况下承载索无荷线长。利用事故工况下的线长计算公式，求出事故工况下的线长，将该线长减去弹性线长，就可以得出对应的事故工况无荷线长。

2.3.5 计算正常工况下承载索受力。利用事故工况下的无荷线长与正常工况下的无荷线长相等，直接求出正常工况下的承载索无荷线长。利用正常工况下的无荷线长计算公式，可以反算出正常工况下承载索的受力。

2.3.6 计算正常工况下承载索弧垂。根据正常工况下的荷载及承载索受力，利用对应的公式（具体计算公式详见3.2内容）可以求出正常工况下承载索的弧垂值。

2.4 承载索施工弧垂的控制

在搭设承载索跨越网时，通过精确控制正常工况下的弧垂保证事故工况下对跨越物的安全距离，确保跨越施工安全。

假如正常工况下的弧垂过大，则会造成事故工况下满足不了跨越施工的要求，影响跨越物的安全运行。假如正常工况下的弧垂控制过小，则会造成事故工况下弧垂过小和张力过大的情况，承载索受力过大，施工安全系数难以保证。

为此，施工设计时是事故工况决定正常工况，而施工时是正常工况保证施工工况。承载索式跨越装置的设计是方案设计的核心和施工的前提及保障，承载索的弧垂控制是确保跨越安全的保障措施。

3 承载索计算模型及公式

3.1 承载索计算模型

建立承载索计算模型，如图3所示。A、B为跨越档的两基铁塔承载索悬挂点，档距l，高差角为β，高差为h，被跨越线路的高度为h地，A塔的高度为hA，跨越点距离A塔的距离为x，封网起始点距离A塔分别为a1、a3，距离B塔b1、b3，封网中间位置距离A塔分别为a2，距离B塔b2。

承载索在正常工况及事故工况下的受力特点相同，均是档内多个集中荷载的作用。该模型可以参照中国电力出版社《电力工程高压送电线路设计手册（第二版）》第三章第三节表3-3-10表中的竣工情况（两侧绝缘子串相同n个集中荷载）的计算公式，只是将对应的串长和串重设为零，即没有耐张串的情况下n个集中荷载的情况。

3.1.1 事故工况下的荷载计算。事故工况下，承载索可以分为三段，中间段为封网段，其他两段为承载索段。封网段主要承受两端端部撑杆的集中荷载和导线荷载集中荷载q1、q3及事故导线荷载和封网荷载q2（由于封网长度相对于档距较小，可以认为均布荷载的作用效果与集中荷载的作用效果相同，故将均布荷载用集中荷载替代），其他两段均为承载索自身的荷载。

q1、q2、q3为事故工况下集中荷载Q1、Q2、Q3的单位截面荷载（q1=Q1/S，Q1=塔A侧端部撑杆和承托导线总重量的一半；q2=Q2/S，Q2=中间撑杆和所承托导线总重量的一半；q3=Q3/S，Q3=塔B侧端部撑杆和承托导线总重量的一半；S为承载索截面积），N/mm2；

3.1.2 正常工况下的荷载计算。正常工况下，承载索可以分为三段，中间段为封网段，其他两段为承载索段。封网段主要承受两端端部撑杆的集中荷载q1、q3及封网荷载和自重荷载q2，其他两段均为承载索自身的荷载。

q1、q2、q3为正常工况下集中荷载Q1的单位截面荷载（q1=Q1/S，Q1=塔A侧端部撑杆重量的一半；q2=Q2/S，Q2=封网重量的一半；q3=Q3/S，Q3=塔B侧端部撑杆重量的一半；S为承载索截面积），N/mm2；

3.2 计算事故工况下承载索受力

参照中国电力出版社《电力工程高压送电线路设计手册（第二版）》第三章第三节表3-3-10表中的竣工情况（两侧绝缘子串相同n个集中荷载）[9]的计算公式，将对应的串长和串重设为零，可以求出fx2：

[fx2=γxl-x2σcosβ+1σ2lxq1b1+q2b2+q3b3-lq1x-a1+q2x-a2] （2）

从而可以求出：

[σ2=γxl-x2fx2cosβ+1fx2lxq1b1+q2b2+q3b3-lq1x-a1+q2x-a2]（3）

其中，σ2表示事故工況下承载索应力，N/mm2；γ表示承载索比载，N/（m·mm2）；l表示跨越档档距，m；β表示承载索的高差角，°；tanβ=h/l。

3.3 计算事故工况及正常工况下应力状态方程系数

3.3.1 计算事故工况下应力状态方程系数K2

[K2=γ2Ecos3β24l2+12W1γβq1a1b1γβ+q1l+q2a2b2γβ+q2l+q3a3b3γβ+q3l+2lq1a1q1b2+q3b3+q2a2q2a3]（4）

其中，E表示承载索弹性模量，一般取值3 0000N/mm2；W1=γl/cosβ表示承载索单位截面荷载，N/mm2；γβ=γ/cosβ表示承载索水平投影比载，N/（m·mm2）；

3.3.2 计算正常工况下应力状态方程系数K1 [K1=γ2Ecos3β24l2+12W1γβq1a1b1γβ+q1l+q2a2b2γβ+q2l+q3a3b3γβ+q3l+2lq1a1q2b2+q3b3+q4b4+q2a2q3a3] （5）

3.4 计算正常工况下承载索受力H1

根据事故工况下的无荷线长和正常工况下的无荷线长相等，可以得到两种工况下的状态方程，如式（6）所示：

[K2σ22-σ2=K1σ21-σ1] （6）

其中，[σ1]表示正常工况下承载索应力，N/mm2。

根据式（6）可以求出对应的K1和H1：

[σ21σ1+K2σ22-σ2=K1] （7）

[H1=Sσ1] （8）

3.5 计算正常工况下承载索弧垂[fx1]

正常工况下承载索弧垂[fx1]的计算公式为：

[fx1=γxl-x2σ1cosβ +xq1b1+q2b2+q3b3-lq1x-a1+q2x-a2σ1l] （9）

3.6 计算正常工况下承载索距被跨线路地线距离S0

正常工况下承载索距被跨线路地线距离为：

[S0=hA+xtgβ-fx1-h地] （10）

3.7 计算正常工况比事故工况下承载索弧垂上升距离Vs

正常工况比事故工况下承载索弧垂上升距离为：

[Vs=fx2-fx1] （11）

至此，通过计算求出了正常工况下与事故工况下相比的距离上升情况，只有控制住正常工况的高度，才能保证事故时的安全应力。

4 承载索跨越装置设计方案优化

上述施工计算流程，只是利用事故工况求出了对应正常工况下的弧垂及高度控制等。但如果事故工况下的张力过大，则需要选择较粗的绳索，而现场有时不一定有能完全满足要求的绳索时，就需要采取措施降低对应事故工况下的张力。假如正常工况下的弧垂过高，正常放线施工将会磨碰承载索上的封网。为此，承载的受力有一个优化的过程。承载索跨越装置设计方案优化流程如图4所示。

4.1 录入拟选方案相关参数

初步拟定承载索跨越方案，根据初步拟定方案分别录入相关参数。

4.2 计算出事故工况下承载索受力

结合录入的地面及跨越曲线，在保证对跨越物安全距离的情况下计算出承载索事故工况下的受力。之后，判定承载索受力考虑安全系数是否能承载索的破断力，倘若小于承载索破断力则进行下一步计算；倘若大于承载索破断力，则应采取相应的措施，如提升承载索滑车挂点，或选用大规格的承载索。采取相关措施后，再次计算事故工况受力，倘若满足条件进入下一步计算，倘若仍不满足则方案不可行。

4.3 计算出正常工况受力及曲线

根据上一步骤确定的事故工况承载索受力，利用状态方程可求出正常工况承载索受力，通过承载索正常工况受力，可绘制出正常工况承载索曲线。结合已知的导线曲线与正常工况承载索曲线（仅跨越网段）进行比较判断。倘若跨越网段曲线低于对应的导线曲线，则说明跨越网不影响导线放线。倘若跨越网段曲线高于对应的导线曲线，则说明跨越网影响导线放线，应采取措施重新进行计算。采取的措施有：提升导线滑车挂点；提高导线张力；采用预紧方式压低跨越网的高度等。倘若采取措施后仍不能满足要求，则该方案不可行。

4.4 确定方案及选择工器具

在经过二、三步后，基本可以确定可行的方案。根据选定的可行方案，在多个方案中可以依照安全可靠、简便易行的原则选择相应方案，然后按照安规的要求确定配套工器具。

5 结语

本文以承载索式跨越装置为研究对象，对施工设计过程进行梳理，形成了以事故工况决定正常工况的施工设计流程；针对承载索受力特点，建立集中荷载计算模型，实现了利用事故工况求解正常工况，为施工提供依据；针对施工实际情况，提出了优化设计方案流程，通过优化步骤筛选最优的方案，在保证安全的前提下，选取简单、经济的施工方案。

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[6]国家能源局.电力建设安全工作规程第2部分——电力线路：DL 5009.2—2013[S].北京：中国电力出版社，2014.

[7]国家能源局.1000kV架空输电线路张力架线施工工艺导则：DL/T 5290—2013[S].北京：中国电力出版社，2013.

[8]国家能源局.±800kV架空输电线路张力架线施工工艺导则：DL/T 5286—2013[S].北京：中国电力出版社，2013.

[9]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].2版.北京：中国电力出版社，2003.