架空输电线路绝缘子串机械强度计算方法优化

张尚云

国电龙源节能技术有限公司上海分公司 上海 200333

引言

架空输电线路主要由杆塔、导线、地线、绝缘子、和金具等组成。其中绝缘子是其主要构件之一，其作用是在正常运行和过电压下承受各种荷载保证线路有足够的电气绝缘，架空输电线路上的绝缘子，由于杆塔的结构、绝缘子型式、导线型号、每相导线的根数及电压等级不同，将有不同的组装形式，总结起来可以分为悬垂组装和耐张组装两大类。随着架空线路输电电压等级提高，绝缘子的合理选用至关重要。本文结合实际案例数据对选择绝缘子时，绝缘子的机械强度计算方法进行分析，提出现有输电线路设计手册中计算方法的不足，对其进行优化，使得计算精度更高，以便更加精确的选择绝缘子型号。

1 绝缘子的机械强度计算

某66kV输电线路，经过山区，采用单导线LGJ-400/65，假定山区线路经过地区覆冰厚度为10mm，山区风速取32m/s，绝缘子重量取120kg，某塔水平档距为800m，垂直档距为600m。计算悬垂塔悬式绝缘子串的机械强度要求。绝缘子机械强度安全系数[1]见表1，LGJ型钢芯铝绞线的常用数据[2]见表2。

表1 绝缘子机械强度安全系数

表2 LGJ型钢芯铝绞线的厂用数据

1.1 绝缘子机械强度计算[3]

K×F≺Fu

其中:K为绝缘子机械强度安全系数；F为最大设计使用荷载(N)；Fu为绝缘子机械强度破坏荷载(N)；

1.2 悬式绝缘子最大设计使用荷载F计算[3]

(1)覆冰工况

其中:F1为导线覆冰时综合荷重(N)；P7为导线覆冰时的单位荷重(N/m)；lv为线路最大垂直档距(m)；G1为覆冰时绝缘子荷重(N)。P3为自重力加冰重力荷载(N/m)，P5为覆冰时风荷载(N/m)，其中覆冰时风速取10m/s，覆冰工况电线风压不均匀系数α取1，电线体型系数μsc取1.2。

(2)大风工况

其中:F2为导线大风时综合荷重(N)；P6为导线大风时的单位荷重(N/m)；lh为线路最大垂直档距(m)；G1为覆冰时绝缘子荷重(N)。P4为无冰时风荷载(N/m)，P1自重力荷载(N/m)，其中无冰时风速取32m/s，大风工况电线风压不均匀系数α取0.75，电线体型系数μsc取1.1。

综合覆冰工况和大风工况绝缘子机械破坏荷重Fu，取大者49.92kN。所选择绝缘子机械破坏荷重应大于49.92kN，可选择绝缘子串额定破坏荷重50kN产品。

2 绝缘子机械强度计算过程优化

电线横向风荷载通常近视认为是电线单位长度上的风压与杆塔两侧档距平均值(水平档距)乘积。电线垂直荷载通常近似认为是电线单位长度上的垂直荷载与杆塔两侧电线最低点间的水平距离之(垂直档距)乘积[3]。

结合以上电线风荷载和垂直荷载的定义分析悬式绝缘子覆冰工况公式:F=F1+G1，F1=P7×lv，也就是覆冰工况下荷重为覆冰时综合荷重加上绝缘子串重，覆冰时综合荷重为覆冰时综合荷载与垂直档距乘积。而综合荷载是绝缘子垂直方向的垂直荷载和水平方向的风荷载合成的荷载，合成荷载方向和垂直档距方向不同，这样直接相乘计算结果不精确。应分别用垂直方向的垂直荷载与垂直档距相乘后得垂直方向上的荷重，用水平方向的风荷载与水平档距相乘得水平荷重，然后两个方向的荷重再合成为综合荷重。另外其将综合荷重直接与绝缘子串重相加得出覆冰工况荷重，这样计算也过于粗略，应该在上述计算垂直方向的垂直荷重和水平方向的风荷重的过程中分别加上绝缘子串的重量，由于绝缘子串所受风荷载很小此处忽略。大风工况与此观点雷同此处不做赘述，优化后计算过程如下(其中部分正确数据直接取原计算结果):

(1)覆冰工况设计使用荷重:

覆冰工况绝缘子机械破坏荷重:

Fu≻K×F=2.7×16046.6

=43325.9N=43.4kN

(2)大风工况设计使用荷重:

大风工况绝缘子机械破坏荷重:

Fu≻K×F=2.7×15915.6

=42972.12N=42.98kN

综合覆冰工况和大风工况绝缘子机械破坏荷重Fu，取大者43.4kN。所选择绝缘子机械破坏荷重应大于43.4kN即可，可选择绝缘子串额定破坏荷重45kN产品。

由此可见优化后计算结果小于原计算结果。这种差异在水平档距和垂直档距相差较大时尤为明显。

3 结论

综上所述优化后绝缘子机械荷重计算更为精确，为设计过程中绝缘子串选择提供更加精确的数据，便于更为合理的选择绝缘子串。