0引言

架空線路因其經濟性與施工便捷性,在輸配電網中占據主導地位。作為架空線路建設的關鍵環(huán)節(jié),緊線施工質量直接關系到電力系統(tǒng)的運行安全性和供電可靠性[1-2]。其中,緊線施工對導線弧垂的影響最為直接,架空導線的弧垂不僅反映了自身所處的力學狀態(tài),還直接影響著電氣絕緣安全距離,因而一直是輸配電線路設計研究的焦點[3]?；〈惯^大,可能導致對地或交叉跨越距離不足,引發(fā)放電跳閘甚至人身安全事故;弧垂過小,則會導致導線應力過大,降低其機械強度冗余,在惡劣氣象條件下易發(fā)生斷線事故。緊線施工是確定導線最終弧垂的關鍵工序,其核心在于對導線張力的精確控制。施工張力的大小直接決定了導線在自重及其他荷載作用下的平衡形態(tài),即弧垂值。然而,在實際施工中,受觀測手段、設備精度、環(huán)境因素(風速、溫度)及人為操作水平的影響,張力控制往往存在一定誤差。這種張力控制的精度偏差,將不可避免地傳遞至最終的導線弧垂,進而影響線路的安全距離,構成潛在風險。因此,系統(tǒng)研究張力控制精度對導線弧垂及安全距離的影響,對提升施工質量、保障線路長期安全運行具有重要的工程實踐意義。

1導線張力-弧垂敏感性分析

1.1 導線弧垂的基本計算方式

以具有普遍意義的不等高懸點架空線路為研究對象,其示意圖如圖1所示,A、B為懸點,兩點連線與水平面夾角為β,檔距為l,高差為Δh。

為簡化計算,假設架空線比載沿著線長呈均勻分布,在此前提下,其弧垂、線長和應力等有關公式具有懸鏈線的特點,在工程實際中,架空線的線長與斜檔距(兩懸點間的距離)非常接近,前者比后者長千分之幾,因而假定架空線的比載沿斜檔距均布自然不會產生大的誤差,在這種假設下導出的架空線弧垂、線長和應力的有關公式稱為斜拋物線公式[4]。任一點弧垂?x、檔距中央弧垂?1/2 由公式(1)(2)計算:

式中:γ為導線單位長度自重荷載;σx為任一點導線水平張力。

令式(1)對x的導數為零,求得最大弧垂發(fā)生在檔距中央,其最大弧垂與檔距中央弧垂重合,即:

由式(1)~(3)可知,導線的弧垂與懸點的高差無直接關系,因此對同樣檔距的架空線路,當檔距中央弧垂相等時,等高懸點(β=0,Δh=0)與不等高懸點對應點的弧垂相等。

1.2 導線弧垂對張力偏差的敏感性分析

由弧垂公式可知,在檔距l(xiāng)和導線單位長度自重γ確定的情況下,導線弧垂?m與水平張力σx成反比關系,意味著張力偏大(σx實際 >σx設計)會導致實際弧垂小于設計弧垂(?x實際<?x設計),張力偏小(σx實際<σx設計)時實際弧垂大于設計弧垂(?x實際>?x設計),從而影響導線的平衡形態(tài)?；〈蛊盍喀?span>?x與導線水平張力偏差量Δσx的關系可由弧垂公式微分推導得出:

即:

即張力偏差5%就會導致約5%的弧垂偏差,所以,導線張力控制的精度一定程度決定了導線弧垂的偏差值,從而影響安全距離。

1.3 多條件耦合影響機制

導線的張力不單單取決于材料本身性質,還受多種環(huán)境條件的影響,例如溫度、風荷載、覆冰等,其影響機制存在復雜的非線性耦合特點。溫度的影響主要源于材料的熱脹冷縮,溫度變化改變導線長度,從而改變導線張力:

式中:ΔL、α、L、Δt、Δσ、E、A分別為導線自由伸縮量、導線線膨脹系數、導線原長度、溫度變化、張力變化、導線彈性系數、導線截面積。

其影響機制為:溫度上升→導線膨脹→水平張力下降→弧垂增大;溫度下降→導線收縮→水平張力增大→弧垂減小。如式(7)所示,水平張力變化與溫度變化呈近似線性關系。

風荷載的影響可由伯努利方程解釋:

式中:P風為風荷載;cd為圓柱體阻力系數;pa為空氣密度;0為風速。

為方便分析,通過導線直徑d和截面積A將風荷載轉化為風壓比載γ風 :

覆冰的影響主要是增加導線的單位長度荷載:

式中:m冰、p冰分別為冰的質量、密度;r、t分別為導線直徑及覆冰厚度。

類似地,將覆冰荷載轉化為覆冰比載γ冰 :

式中:g為冰的重力加速度;A'表示導線覆冰荷載的作用截面積。

綜上所述,環(huán)境條件通過影響導線自由伸長量、風荷載和覆冰厚度影響比載,從而影響導線張力和弧垂。

1.4 多條件耦合影響量化分析

為量化分析各條件及其耦合作用對導線弧垂的影響,本文采用道亨軟件推薦的應力弧垂計算程序進行典型案例計算。導線型號JL/G1A-70/10,基準工況為等高懸點,檔距50 m,風速5 m/s,覆冰厚度5 mm,氣溫T=-5℃ ,然后單一改變某個指標(+20%、+40%、+60%、+80%、+100%),觀察弧垂的變化,結果如圖2所示。

從圖2可知,對于特定型號導線,相同變化幅度情況下,各指標對張力及弧垂的影響程度排序為:檔距>覆冰>氣溫≈風速。為進一步分析各指標變化對導線弧垂的影響,在基準工況基礎上加大單一指標的變化幅度,計算弧垂變化率(基準工況時,弧垂0.2 m),結果如表1所示。

根據表1數據,各指標對導線弧垂的影響程度差異顯著。其中檔距變化的影響最為突出,當檔距增加50 m時,弧垂變化率高達285%,且隨著檔距進一步增大,弧垂變化率呈指數級上升 (+200m時達2150%),表明檔距是弧垂變化的最敏感因素。覆冰厚度的影響次之,覆冰每增加5 mm,弧垂變化率在65%~390%,其影響雖不及檔距,但仍較為顯著。氣溫和風速的影響相對較小,氣溫升高5℃ ,弧垂僅增加5%,即使氣溫上升20℃ ,變化率也僅為35%;風速的影響稍強于氣溫,風速增加20 m/s時弧垂變化率為80%,但仍遠低于檔距和覆冰的影響?？傮w來看,弧垂對檔距變化的敏感性最高,覆冰次之,而氣溫和風速的影響相對有限。

在架空線路工程設計和安全校核中,導線張力的控制精度對弧垂穩(wěn)定性至關重要,需綜合考慮材料特性和環(huán)境因素的影響,其中檔距增大對弧垂的影響最為顯著,如檔距增加200 m可導致弧垂變化率高達2150%,因此必須嚴格控制最大檔距并優(yōu)化桿塔布局;同時,覆冰疊加低溫的極端工況會大幅增加導線張力,如覆冰增厚20 mm可使弧垂增加390%,需作為關鍵校核條件以防止斷線或倒塔事故;高溫工況雖僅使弧垂溫和上升(如氣溫升高20℃時弧垂增加35%),但仍需校核對地安全距離;此外,風速變化、覆冰與溫度耦合效應等因素也需納入動態(tài)分析,通過多工況耦合評估確保導線在復雜環(huán)境下的可靠性,最終實現導線張力及弧垂的精準控制,確保電網的安全運行。

2 安全距離校驗及導線張力控制流程

安全距離是指導線與地面、建筑物、樹木、鐵路、道路、河流、管道、索道及各種架空線路的距離,有關架空輸配電線路設計規(guī)范對架空導線的安全距離作了詳細規(guī)定[5]。實際安全距離D實際與設計弧垂?x設計的關系可由下式表述:

式中:H為導線懸點對地高度;Δh為懸點高差。

當導線張力控制精度不夠,實際弧垂偏離設計弧垂過大時,實際安全距離會出現較大浮動,當弧垂正向偏差(Δ?x >0)使得D實際=D設計—Δ?x <Dmin ,即認為安全距離不滿足要求。

為避免安全距離校核不滿足最低安全距離要求的情形,設計了架空線路施工的張力—弧垂閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖3所示,該系統(tǒng)分為桿塔結構、測量系統(tǒng)和液壓伺服機構三個部分,核心 目標是精確控制架設過程中導線的弧垂和張力,確保其符合設計要求,保障線路的安全運行性能(如對地距離、電氣間隙)并優(yōu)化導線的機械應力狀態(tài)。

系統(tǒng)核心流程始于實時監(jiān)測:安裝在桿塔橫擔下方的激光測距儀持續(xù)測量導線形態(tài)并提供弧垂計算實測數據,同時張力傳感器直接監(jiān)測導線張力,這兩項關鍵數據實時傳輸至控制柜。控制柜內的算法將實測值與預設目標值進行比對,一旦檢測到偏差(如弧垂過大意味著張力不足,張力過大則導致弧垂過小),立即計算出精確的液壓指令。該指令驅動液壓伺服機構(含伺服閥和油缸),產生強大的可控液壓動力作用于張力機的核心部件牽引繩盤:當需增大張力(減小弧垂)時,液壓系統(tǒng)驅動繩盤制動收緊導線;當需減小張力(增大弧垂)時,則控制繩盤釋放導線。牽引繩盤的調整動作直接改變導線張力,張力變化隨即引起導線弧垂形態(tài)的同步改變;新的弧垂和張力數據立刻被激光測距儀和張力傳感器再次捕獲,并反饋回控制柜,從而形成一個持續(xù)循環(huán)的“測量(弧垂、張力)→比較決策(控制柜)→執(zhí)行(液壓指令→伺服機構→牽引繩盤調整)→效果反饋”閉環(huán)。高度自動化的閉環(huán)機制能有效動態(tài)抵抗風速變化、溫度升降等干擾,將弧垂和張力穩(wěn)定在目標值附近,大幅提升架線精度、效率和安全性,尤其適用于高標準工程,克服了人工調整的誤差和滯后問題。

3 結論

1)作為輸配電網架空線路建設的關鍵環(huán)節(jié),緊線施工是確定導線最終弧垂的關鍵工序,其核心在于對導線張力的精確控制,張力控制偏差與導線弧垂偏差呈線性相關關系,張力控制的精度一定程度上決定了導線弧垂的精度,從而影響安全距離。

2)導線的張力控制除受設備精度、人為操作水平影響外,還受檔距及多種環(huán)境條件的影響,例如溫度、風荷載、覆冰等,其影響機制存在復雜的非線性耦合特點,溫度通過改變導線自由伸長量影響其張力和弧垂,而風荷載和覆冰厚度則通過改變導線比載影響其張力和弧垂。量化分析結果表明,張力及弧垂對各指標變化的敏感性差異顯著,其中檔距變化的影響最為突出,隨檔距增大,弧垂變化率呈指數級上升,覆冰厚度的影響次之,而氣溫和風速的影響相對有限。

3)為避免安全距離校核不滿足最低安全距離要求的情形,設計由桿塔結構、測量系統(tǒng)和液壓伺服機構三個部分組成的張力-弧垂閉環(huán)控制系統(tǒng),通過“測量(弧垂、張力)→比較決策(控制柜)→執(zhí)行(液壓指令→伺服機構→牽引繩盤調整)→效果反饋”閉環(huán),實現導線張力的精確控制。

[參考文獻]

[1]殷建,蔡學強,陳昊.10kV電力配網工程施工技術問題與處置措施研究[J].電力設備管理,2025(5):185-187.

[2] 陳文卓,唐波,李凱,等.張力架線緊線施工弧垂自動測量設備的研制 [J].國外電子測量技術,2023,42 (7):80-87.

[3]劉靜,程洋,操松元,等.一種基于現場點云及環(huán)境參數的導線弧垂測試計算方法[J].中國測試,2024,50(增刊1):38-43.

[4]唐波,孟遂民,鄭維權,等.架空輸電線路設計[M].3版.北京:中國電力出版社,2023.

[5]110 kV~750 kV架空輸電線路設計規(guī)范 :GB50545—2010[S].

《機電信息》2025年第20期第1篇