引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,輸電線路的新建與遷改呈現(xiàn)逐年增多的趨勢。因而,作為電網(wǎng)建設生命周期中的關(guān)鍵一環(huán),做好施工驗收階段工作對架空輸電線路安全穩(wěn)定運行起著重要作用。為了保證架空輸電線路建成后的安全運行,減少桿塔所受的不平衡張力以及滿足導地線與交叉跨越物之間的安全距離,必須對架空輸電線路的弧垂進行嚴格控制。當前對于架空輸電線路弧垂的觀測校核方法有等長法與角度法,這兩種方法的操作均較為復雜,且對人員技能要求較高。隨著無人機以及激光LiDAR技術(shù)的推廣應用,通過分析機比LiDAR點云數(shù)據(jù),進行弧垂驗收校核成為可能。

1電力線控制應力計算

電力線弧垂最低點水平應力是決定弧垂大小的主要因素,隨著氣象條件變化,其值也在變化,必定存在一種氣象條件,使該應力最大,這一氣象條件稱為電力線控制條件,對應的應力稱為電力線控制應力。一般情況下電力線可能的控制條件有低溫、大風、覆冰、高溫、年平等,究竟哪種氣象條件為電力線的控制條件,取決于檔距大小。根據(jù)導線許用應力定義,前4個工況下的導線許用應力均為σm,年平工況條件下導線的許用應力為σp,則有:

導線許用應力:

年平均使用應力:

式中:K₀為年平系數(shù),取值通常為0或1:T_b為計算拉斷力(N）:K為安全系數(shù),取值不小于2.5:A為導線截面積(mm²）:K_p為年平均系數(shù),取值不小于4。

1.1比載計算

作用在電力線上的分布荷比包括自重、冰重、風荷比等。根據(jù)作用方向的不同可分為垂直比載、水平比載、綜合比載,其計算公式如表1所示。

1﹒2控制應力計算

求解控制應力之前,首先得判斷線路的控制條件?？刂茥l件判別方法有圖解法、列表法以及試推比較法,由于圖解法與列表法在進行編碼計算時編碼過程較為復雜,且當前普通計算機計算能力較之以前也有大幅度提升,因而本文采用試推比較法進行電力線控制應力的判別。試推比較法基本理論可表述如下:

首先假設其中某個條件為有效控制條件,利用狀態(tài)方程式(3）推求其他可能控制條件下的應力值。若均不超過各自的應力許用值,則假設正確:若其中某個條件下的應力超出其限度值,則應以該條件作為有效控制條件:若有多個條件的應力超限,則以超限最多的條件作為假定控制條件,重新進行計算。通過上述步驟即可判斷出線路控制條件及其對應的控制應力。在求得控制應力之后,通過狀態(tài)方程式(3）即可求解出其他任意工況條件下電力線的應力值。

式中:σ₀₂、σ₀₁分別為兩種狀態(tài)下架空線弧垂最低點處應力:α、E分別為架空線的溫度膨脹系數(shù)和彈性系數(shù):γ₂^'2、y₁^'2分別為兩種狀態(tài)下架空線綜合比載:l_r為連續(xù)檔耐張段的代表檔距:β_r為高差角:t₁、t₂分別為兩種狀態(tài)下架空線的溫度:η₁、η₂分別為兩種狀態(tài)下架空線風偏角。

2懸鏈線方程與弧垂計算

2.1懸鏈線方程

原始的電力線懸鏈線方程及其導出的有關(guān)公式中都涉及雙曲函數(shù),計算較為復雜。工程計算中常使用簡化公式,其中精度較高且廣泛應用的為斜拋物線法,根據(jù)斜拋物線法,選取線路方向為坐標系x軸,平行于比載方向為y軸,則簡化后的懸鏈線方程表達式如下:

式中:β為電力線高差角:γ為電力線比載:ι為電力線檔距:σ₀為電力線弧垂最低點水平應力。

結(jié)合式(4）,根據(jù)弧垂定義,則可得到電力線任意一點的弧垂為:

對式(5）關(guān)于x求導,并令x=0,則可知最大弧垂發(fā)生在檔距中央及x=ι/2處,且最大弧垂表達式為:

2.2電力線弧垂計算

在自然環(huán)境中電力線一方面受到自重、冰重產(chǎn)生的垂直比載作用,另一方面還經(jīng)常受到橫向風荷載的作用。在二者的綜合作用下,原來位于垂直平面內(nèi)的架空線向風壓方向偏擺。因而,在實際工程應用中,經(jīng)常將電力線弧垂分別投影到垂直平面及水平平面進行計算。

2.2.1垂直投影面內(nèi)電力線弧垂

在垂直投影面內(nèi),電力線所受比載沿斜檔距方向均布,符合式(5）導出條件,因而電力線在垂直投影面內(nèi)的弧垂可表示為:

式中:γ_v為電力線垂直比載。

2.2.2水平投影面內(nèi)電力線弧垂

在水平投影面內(nèi),兩懸掛點在水平比載作用線上的投影間距為零,可直接得到風偏后電力線在水平投影面內(nèi)的弧垂計算公式:

式中:γ_h為電力線水平比載。

3電力線弧垂校核

3.1電力線點云弧垂提取

首先,對電力線點云按空間特征進行分割處理,將電力線點云分割為單根電力線點集:其次,對分割后的電力線點集采用二維Hough變換和最小二乘擬合的方法,計算電力線在XOY、線路走向垂直投影面內(nèi)的中心線方程:然后,基于空間曲線相交原理確定懸垂掛點位置,基于導線與桿塔相連確定耐張塔掛點位置:最后,根據(jù)弧垂定義,結(jié)合電力線空間曲線方程與懸掛點坐標,可求得電力線任意點弧垂。其對應流程圖如圖1所示。

3.2電力線施工驗收弧垂校核

利用本文所述理論對新建線路電力線進行弧垂校核。該新建線路采用LGJQ-400/35型導線,設計安全系數(shù)K=2.5,其導線詳細參數(shù)可通過查表得到。機載LiDAR掃描時的環(huán)境溫度為18℃,實時風速為0.5m/s。其所在氣象區(qū)各工況條件如表2所示。

4結(jié)語

本文以電線力學理論為基礎(chǔ),提出了一種通過機載LiDAR點云數(shù)據(jù)進行電力線施工驗收弧垂校核的方法。該方法的應用能有效降低電力線施工驗收過程中弧垂的觀測難度,對于提升施工驗收效率和保障人員安全具有重要意義。但本文電力線施工驗收弧垂校核模型也有不足之處,電力線弧垂模擬精度和有效性有待進一步驗證,下一步工作應考慮導線載流量、絕緣子串對導線弧垂的影響,同時也應考慮自電力線掛線至檢驗期間,由于電力線塑性伸長而造成的弧垂增大值,且應更多結(jié)合設計經(jīng)驗理念,進一步提高模型精度。