借助VB编程实现 碳纤维复合芯导线弧垂计算软件设计与开发

田刚

摘 要：根据传统的弧垂计算公式，结合线路运行中的实际情况推导出了新的弧垂计算公式，即新型碳纤维复合芯导线的弧垂计算公式。文章从多方面介绍了在碳纤维复合芯导线弧垂计算中引入数学模型的内容;进一步分析了借助VB编程实现导线的应力和弧垂计算的方法;总结并归纳了借助VB编程在碳纤维复合芯导线上应用弧垂计算软件的可行性。该软件在计算机平台的基础上进行操作、简单易行，提高了工作效率和计算结果的精准率。

关键词：VB编程;复合芯导线;迁移点;弧垂计算软件

中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0076-04

Design and Development of Sag Calculation Software for Carbon Fiber Composite Core Conductor by means of VB Programming

Tian Gang

（Party School of Shaanxi Provincial Committee of C.P.C（Shaanxi Academy of Govemance）， Xi an 710061， China）

Abstract：According to the traditional sag calculation formula and combined with the actual situation of the line operation， a new sag calculation formula， namely the new type of carbon fiber composite core wire， was derived. In this paper， the content of introducing mathematical model into the calculation of sag of carbon fiber composite conductor is introduced from many aspects. The method of calculating wire stress and sag by VB programming is further analyzed. The feasibility of applying sag calculation software to carbon fiber composite conductor with VB programming is summarized. The software is simple and easy to operate on the basis of the computer platform， which improves the work efficiency and the accuracy of the calculation results.

Key words：VB programming; composite core conductor; migration point; sag calculation software

0 引言

随着我国经济的发展，电力工业也在快速增长，城网、农网需要改造来适应时代的发展。弧垂是衡量高压输电线路铺设安全运行的标准，它的大小对线路的安全运行至关重要。而传统的弧垂计算公式数据多、较为复杂，在进行操作时容易出现错误，而且计算周期很长。而碳纤维复合芯具有密度小（碳纤维复合芯的密度仅为普通钢芯的1/4）、抗拉强度大（碳纤维复合芯的抗拉强度可达2400MPa，可达普通钢芯的2倍）、耐热性好（碳纤维复合芯高温下的伸长率远小于普通钢芯）等特性。因此，需要借助计算机来进行弧垂计算软件设计。传统的导线只适用于普通的弧垂计算，并不适用于新的于碳纤维复合芯导线[1]。借助VB编程实现碳纤维复合芯导线弧垂计算软件设计与开发至关重要。

1 在碳纤维复合芯导线弧垂计算中引入数学模型

1.1 计算原理

保证导线的安全系数是架空导线应力和弧垂的基础要求，要在气候条件完全达标的条件下去利用导线的力学强度，并将其的应力达到最大值，在这些条件基础上再去求解导线的弧垂[2]。在应力值的基础上，利用辗转法（迭代法）去求解应力方程，再去计算线的弧垂，如公式（1）为架空线路的状态方程：

式（1）中、、bm、um表示已知情况下导线的应力、比载和温度;、bm、um表示未知情况下导线的应力、比载和温度;J为档距;T为导线的弹性系数;p为导线的线膨胀系数。从以上公式可以看出，决定导线比载和温度的是气候，而导线的比载、温度和档距间具有函数关系，同时影响着导线的应力。由此可以得出公式（2）：

公式（2）中，采用辗转法求解，经过多次计算得出，在求解出导线的弧垂值得出公式（3）[3]：

1.2 适合VB编程中的弧垂计算过程

碳纤维复合芯导线是将碳纤维复合芯和导体经特殊加工合制而成。在一定情况下，碳纤维复合芯与铝合金导体相比，其膨胀系数不高可以被忽略，而此时铝合金的应力接近于零，这一温度被称为拐点温度（迁移点温度）。当导线的温度小于迁移点温度时，碳纖维复合芯的应力与普通导线一样;当导线温度大于迁移点温度时，此时复合芯会承载导线上的全部张力，因此，其计算方法与普通导线的计算方法不同。

1.2.1 计算迁移点温度和应力

在计算迁移点温度与应力时，碳纤维复合芯导线的蠕动性和普通导线一样被忽略不计。在导线的弹性系不变时，当导线的温度大于迁移前温度时导线的伸长量受温度影响较大（温度伸长与导线应力变化引起的伸长之和）。如公式（4）所示：

J表示导线的伸长量;J1表示碳纤维复合芯的伸长量;J2表示导体的伸长量[4]。

在公式（4）的基础上引入导线伸长量得出公式（5）：

将U=Us+Ua带入公式（5）在除去Us可以得出公式（6）：

铝导体在温度到达迁移点时，其张力为0。因此Wa=0，将其带入公式（6）得出公式（7），uc表示迁移点温度，迁移点温度下导线的张力为Uc。

当导线=1时，其计算公式如下：

导线线长与伸长量在应力最大时的关系如下：

在迁移点温度下关系如下：

导线最开始的长度是相同的，在以上两种条件下得出公式（9）：

U01与Uc之间的关系可以由辗转法计算出，再根据U01去就算Uc。得出公式（10）：

公式（10）中，表示应力（温度为15℃时、比载为bn=b1）

根据公式（7）可以得出迁移点的温度公式，如下：

由公式（11）可以得出拐点温度[5]。以上公式中：U01表示温度为15℃时导线的张力;Uc表示拐点温度Uc的张力;ps表示迁移点一下的复合芯的线膨胀系数;pa表示Aluminum alloy conductor的线膨胀系数;Ts表示复合芯的弹性模量;Ta表示Aluminum alloy conductor的弹性模量;u0表示导线制造温度（15℃）;Uc表示迁移点温度;y1表示每米导线自重。

1.2.2 计算迁移点以上的导线应力与弧垂

当导线温度大于拐点温度时，此时导线的张力和温度如公式（12）：

公式（12）中，。

公式（12）中U2表示拐点一下的张力;u2表示拐点以上的任意温度。

由公式（12）可以计算出一定温度范围内的弧垂值，如公式（13）所示：

2 借助VB编程实现导线的应力和弧垂计算

2.1 弧垂计算软件的设计过程

借助VB编程实现导线的應力和弧垂计算，其设计过程如图1所示。系统工作时需要首先建立一“新建工程文档”，该文档由系统进行ID加密;其次，作业人员需根据新建工程的作业气象条件、环境温度、代表档距等设计条件对文档进行约束，由系统计算出架空导线的应力和弧垂以及运行时的各项参数等;最后，系统自动给出项目设计结果，提供直观的导线迁移点水平张力、温度等参数。该软件特别适合高温等严苛作业环境下的导线应力与弧垂计算，能够大幅降低设计人员计算作业难度与工作强度。

2.2 弧垂软件的参数设定

气象条件是线路设计的基础，要在气象条件确定的情况下（最高/最低气温、雷电、有无风等）进行试验，而且导线的安全系数也需要确定[6]。根据相关规定对城市电力网安全系数的要求，引入该计算软件，再根据气象条件计算出弧垂和比载等数据。

2.3 软件的实现

想要计算出导线的应力和弧垂情况，需要先将导线的参数和相应的气候条件输入计算软件，再去进行相对应的计算。

2.3.1 参数的选择

弧垂计算受多方面影响，其中气象参数与导线参数较为主要。在气象条件合适的情况下，拐点温度以下的弧垂值计算只需要输入导线参数即可，但是该计算的前提是计算出导线拐点温度水平应力，还可以进一步计算出拐点上下个导线的参数值。

2.3.2 软件的运行环境

该弧垂计算软件与普通软件相比，比较适用于高温环境下的导线应力与弧垂计算，属于新型的应力和弧垂计算的软件。该弧垂计算软件的基础是计算机操作平台，相对简单易学，界面容易操作。

2.3.3 软件的容错功能

该弧垂计算软件具有很好的容错功能，即使用户输入错误，也不会影响软件的使用，之后还可以将不正确的信息进行删除，在重新输入信息进行计算[7]。而且该软件非常智能具有记忆功能，可以节约用户时间。

2.3.4 输出结果

输出结果在弧垂软件计算结束后可以轻易的得出各种需要的计算结果，减少了其他数据的计算时间，提高了工作效率。

3 借助VB编程在碳纤维复合芯导线上应用弧垂

计算软件

碳纤维复合芯导线选用The ACCC - 240/35 wire，质量为757kg/km，截面积293m3，此时计算出的弧垂安全系数为3。将个参数输入到弧垂计算软件中计算机程序可以自动算出结果，节省了计算时间，而且该软件非常智能具有记忆功能，可以减少重复输入[8]。

如图2所示为弧垂计算软件所得出的结果而绘制的温度变化图，根据图中曲线可以明显发现碳纤维复合导线弧垂随温度变化的规律[9]。档距为100m时，此时的迁移点温度为80℃;当档距在迁移点温度以下时，弧垂随温度的升高而增大（温度上升10℃，弧垂大约增大0.03m）;当档距在迁移点温度以上时，弧垂随温度的升高也在增大，此时的增大距离为大约为0.006m。

4 结论

（1）文章借助VB编程推导出新型弧垂计算公式，并与普通的计算方式相比较得出，在迁移点温度以下和迁移点温度以上的计算方式不同。迁移点温度以下的和普通导线没有区别，迁移点温度以上的需要借助计算机编程应用新的弧垂计算公式。

（2）新型弧垂计算公式是在计算机基础上进行的，其操作简单、精准度高，而且该软件非常智能具有记忆功能，可以有效降低劳动力的浪费，可以节约用户时间[10]。

（3）碳纤维导线的弧垂数据值，准确的表达了弧垂变化规律，同时也为线路设计提供保障。

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