10 kV 架空避雷线安装架结构仿真分析

秦 忠 ，蔡 伟 ，江跃天 ，杨万锐 ，徐文华 ，杨冷杉 ，罗睿康 ，胡 洋

（1.云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650214; 2.云南电网有限责任公司丽江华坪供电局，云南 华坪 674800; 3.昆明理工大学机电学院，云南 昆明 650504）

架空配电线路是电力网的重要组成部分，其作用是输送和分配电能；架空配电线路是采用电杆将导线悬空架设，直接向用户供电[1]；架空配电线路具有架设简单、造价低、维修方便等优点。

早期国内配电线路在设计和建设期间均未考虑避雷线，随着各地供电企业对供电可靠性要求不断提高，10 kV 及以下电压等级遭受雷害的事故事件愈发受到关注，尤其是部分中小城市的山区、雷暴区容易出现绝缘子闪络、雷击断线等情况[2-5]，导致线路故障率长期居高不下，严重影响配电线路的安全稳定运行。

1 避雷线安装架概况

保证避雷线装载的安全可靠是配网线路安全及一切生产工作的前提，提高避雷线的防雷性能是防雷工程的最终目标[6-9]，例如文献[10]中对铁路接触网的避雷线架设方式进行防雷效果对比分析，结果表示不同方案下的防雷效果不同，根据现场雷害严重程度及投资进行方案选择。因而在配网输电线路上有必要围绕避雷线装载进行结构设计并继续研究。

10 kV 架空配电线路加装避雷线作为针对强雷区配网防雷的一种有效手段，虽然输电线路架设避雷线与配电线路在线路尺寸、电压等级、绝缘要求、机械性能等方面有很大差异[11-12]，但仍然在研究方法和研究内容上对配网加装避雷线有借鉴意义。本文将从机械安全面展开研究，对安装架的力学性能进行仿真分析。

2 仿真模型建立

2.1 三维模型及其受力分析

由设计要求，在顶部安装件和B 相绝缘子处须安装避雷线，安装避雷线处承受避雷线重力。抱箍螺栓 1，中横担螺栓 2 加载预紧力。所以简化模型后，应力分析主要针对避雷线重力对顶部安装件和中横担的影响。如图2 所示。

图2 门型电杆建模

避雷线质量计算：根据资料显示，1×7 镀锌钢绞线质量参数为1100 kg/km。在城镇中一般电杆间距为40～60 m。选定距离为50 m。忽略风力和避雷线的弧垂对线距的影响对力进行大致计算。50 m 的避雷线总质量为：50 m×1100 kg/km = 55 kg。

一段50 m钢绞线质量预估为55 kg，重力550 N，按500 N 进行分析。平均每根电杆受50 m钢绞线合力为500 N。

图3 单杆电杆受力简图

图4 门型电杆受力简图

2.2 仿真参数设置

电塔水泥杆高度12 m，避雷线采用25 mm2的钢绞线。根据M20螺栓强度，可加载400 N的预紧力。水泥杆与钢材的静摩擦系数为 0.6。电塔水泥杆参数、横担等力学结构为Q235钢参数、绝缘子（陶瓷）参数如表1 所示。

表1 几种材料的力学参数

3 单杆电杆应力分析

3.1 顶部安装件应力分析

分析顶部安装件受力，探究在该设计结构下的应力分布及微位移。如图5 所示为顶部安装件受力简图，如图6 所示为顶部安装件载荷图。

图5 （a）不同时刻电缆磁通密度分布图

图6 安装件载荷图

3.1.1 应力分析

结果如图7 所示，顶部安装件应力分布情况。顶部安装件由螺栓连片螺栓和底座构成。螺栓受钢绞线重力载荷，在图示蓝色区域应力较小在8×105 N/m2以下，螺栓受力处为青色，在螺栓连片与底座连接处为红色表明此处应力较大。总体显示最大应力为5.515×106 N/m2, 小于钢材屈服力 6.204×108 N/m2。该结构受力较为均匀，且满足许用应力。符合工程条件。

图7 顶部安装件应力分布图

3.1.2 应变分析

通常来说，材料在外力的作用下，会发生一定量的变形。如图8 所示，顶部安装件的变形情况。蓝色，青色部分位移较小，在0.0007 mm 以下。最高变形量为螺栓连接部分，红色最高部分向下变形位移0.001 mm 及以下。

图8 顶部安装件位移变形

3.2 中横担应力分析

如图9 所示为中横担受力简图。在右侧B 相绝缘子上加载500 N。

图9 横担受力

3.2.1 应力分析

结果如图10 所示，中横担及其连接螺栓应力分布情况。绝缘子受钢绞线重力载荷，图示蓝色区域应力较小在 2×107 N/m2以下，螺栓受力处为红色，青色，表明此处应力较大，结构可以继续优化。总体显示最大应力为8.347×107 N/m2，小于钢材屈服力6.204×108 N/m2。该结构受力较为均匀，且满足许用应力。符合工程条件。

图1 单杆电杆建模

图10 中横担应力分布

3.2.2 应变分析

如图11（放大变形）和图12所示，顶部安装件的变形情况。蓝色，青色部分位移较小，在0.7 mm以下。最高变形量为横担边缘绝缘子处，红色最高部分向下变形位移1 mm及以下。

图11 中横担变形位移（放大变形）

图12 中横担变形位移

4 门型电杆应力分析

在设计中，顶部安装件和A、B、C 相绝缘子处须安装避雷线，简化避雷线，即安装避雷线处承受避雷线重力。

所以简化模型后，应力分析主要针对避雷线重力对顶部安装件和横担的影响。如图13、图14 所示。

图13 横担受力

图14 安装件受力图

4.1 应力分析

结果如图15 所示，顶部安装件应力分布情况。顶部安装件由螺栓连片螺栓和底座构成。螺栓受钢绞线重力载荷。在图示蓝色区域应力较小在 2.16×106N/m2以下，螺栓受力处和横担绝缘子处为青色，在底座中间处为红色，表明此处应力较大。总体显示最大应力为1.297×107N/m2，小于钢材屈服力6.204×108N/m2。该结构受力较为均匀，且满足许用应力。符合工程条件。

图15 安装件应力结果

4.2 位移分析

如图16 所示，顶部安装件的变形情况。蓝色，青色部分位移较小，在0.16 mm 以下。最高变形量为顶部安装架红色处，红色最高部分向下变形位移0.24 mm 及以下。

图16 安装件变形位移

5 结束语

本文对单杆电杆和门型电杆的受力情况进行简化分析，便于建模，针对结构的应力分布和变形量进行分析，从而判断是否能在实际中初步使用。

单杆电杆：基本符合应力要求。大部分面积应力较小，应力较大有2 处：顶部安装件承载钢绞线的螺栓连片；中横担的绝缘子一侧的连接螺栓。局部应力显著，但是仍低于钢材屈服力，理论上可以使用。针对2 处可以更进一步优化，以便在实际中提高使用寿命。钢材的极微小变形属于正常，没有出现部分变形过大的情况。

门型电杆：基本符合应力要求。大部分面积应力较小，应力较大的有2 处：顶部安装件中承载钢绞线的连接螺栓连片；顶部安装件底座。底座因使用门型电杆，钢板距离过长，中间局部受力导致应力集中，位移变形最大为0.2 mm。最高应力小于钢材屈服力，理论上可使用。针对于底座的应力集中情况可在两侧进行安装三角形支架初步解决。