第五章架空线的不平衡张力

126第五章架空线的不平衡张力第一节概述一、架空线不平衡张力的概念凡杆塔左右两邻档因架空线张力不等而承受的张力差，均称为不平衡张力。在线路进行安装、检修的情况下，也会使直线杆塔承受不平衡张力。线路中正常运行、安装、检修情况下产生的不平衡张力，称为正常情况下的不平衡张力。断线杆塔所承受的断线张力，属事故情况下的不平衡张力；由事故断导线后导线的不平衡张力又导致地线产生反作用的不平衡张力，称为地线支持力。电力线路的设计要考虑在施工、运行和检修时都要保证导线、杆塔和被跨越设施的安全，在发生事故时要尽量减少损失和保证重要跨越设施的安全。因此，必须根据线路通过地区的实际情况，计算导线出现不平衡张力情况时的导线张力、弧垂和杆塔承受的不平衡张力，以确定杆塔的强度、导线悬挂点高度等参数，力求设计有较高的安全性和经济性。作为杆塔荷载设计的重要内容，《110~750kV架空输电线路设计规范GB50545-2010》对导线和地线的断线张力和不平衡张力做了具体规定：1.10mm及以下冰区，导、地线断线张力(或分裂导线不平衡张力)的取值应符合表5-1-1规定的导、地线最大使用张力的百分数，垂直冰荷载取100%设计覆冰荷载。表5-1-110mm及以下冰区，导、地线断线张力(或分裂导线不平衡张力)（%）地形地线悬垂塔导线耐张塔导线单导线双分裂导线双分裂以上导线单导线双分裂及以上导线平丘10050252010070山地100503025100702.10mm冰区不均匀覆冰情况的导、地线不平衡张力的取值应符合表5-1-2规定的导、地线最大使用张力的百分数，垂直冰荷载按75%设计覆冰荷载计算。相应的气象条件按-5℃、10m/s风速的气象条件计算。表5-1-2不均匀覆冰情况的导、地线不平衡张力（%）悬垂型杆塔导线地线耐张型杆塔导线地线10203040二、导线的断线张力运行经验指出，架空线路的断线多以短路烧断、机械损伤或撞断、拉断等形式出现。引起断线的原因，多为与线路无关的外因（占全部断线事故的40%），外因有枪击、飞机和船桅碰撞，矿山爆破炸伤等。除此之外，雷击、振动和超过设计值较多的风、冰荷载，以及施工与维护不良等，也有造成断线事故的。不过，大导线和地线的断线次数是较少的。在线路设计时，如果没有考虑防范导线断线造成的各种可能，那么在运行中一旦发生了断线，就将使事故扩大，以致造成整个耐张段甚至全线路倒杆，修复工作量很大。因此，设计线路杆塔时，应考虑一根至两根导线与地线折断时的事故情况。断线的根数依杆塔的型式而定。计算断线张力的目的，除了为杆塔的强度设计提供荷载外，还为交叉跨越档的限距校验提供张力，以便计算弧垂。此外，在线路运行中也用以分析实际发生的断线事故。对于非直线型杆塔（如耐张杆塔、转角杆塔等），当邻档断线时，杆塔所受的不平衡张力，就是另一侧导线在事故前的正常张力值，因为这些杆塔一般都是刚性的，导线的悬挂点可以认为是不偏移的。因此本章主要研究直线杆塔的断线张力计算。127图5-1-1线路断线后的情况对于装设针式绝缘子和瓷横担绝缘子的直线杆塔，也不需要按断线情况设计，这是因为针式绝缘子的铁脚是个薄弱环节，在断线时铁脚可能被拔脱或损坏，瓷横担绝缘子的强度比针式绝缘子的铁脚更低，在断线时更容易损坏。装设针式绝缘子和瓷横担绝缘子的直线杆塔，导线都是用绑线固定在绝缘子上，导线也可能在绑扎处滑出。所以，只对那些使用悬式绝缘子的直线杆塔，才需要计算断线张力。断线张力是指架空线断线后的残余张力。断线发生以后（见图5-1-1），断线档的张力为零，而剩余各档，由于直线杆塔的挠曲和悬垂绝缘子串的偏斜，导致导线松弛，因而张力减少，故断线张力亦称残余张力。从图5-1-1上看出：断线后剩余各档的残余张力不是均匀分布的，离断线档最近的杆塔所受的不平衡张力（即称断线张力，实为断线档相邻档的残余张力）最大，因而绝缘子串的偏斜角也最大。而远离断线档各杆塔的悬垂串的偏斜角，因不平衡张力的不断衰减而逐档减小。经研究得知，剩余档距数不同，则断线张力最大值也不同。剩余档数多，支持不平衡张力的杆塔多，故各杆塔分配的不平衡张力值就小，各档张力衰减得慢，残余张力相对地就大，反之剩余档距越少，其各档的残余张力就越小。若断线后只余一档时，悬垂串偏斜所引起的悬点偏移δ，全部促使导线松弛而弧垂大增，导线张力大大衰减，故直线杆塔所受断线张力很小。但剩余档距超过五档时，第五档之后的导线张力衰减很小。故当遇到剩余档超过五档时，工程计算中允许按五档考虑。设计杆塔时，断线档应选在耐张段的两端档，因该档断线时，直线杆塔所受的断线张力最大。当校验跨越档的限距时，断线档应选在被校跨越档的相邻档，因该档断线时跨越档的弧垂较大。在设计采用相分裂导线的杆塔时，如需要求断线后作用在直线杆塔上的较大不平衡张力差，可假定断线发生在靠耐张塔的一档内，且剩余档数在五档以上。当需要求断线档内剩余子导线的较大张力，以检查其安全性时，可假定断线发生在靠耐张段的中间一档内，且其两侧档数都在五档以上。影响断线张力的因素很多，工程计算中都按断线后的稳态情况考虑。三、导线的不平衡张力架空线路在安装时，应使悬垂串均处在垂直位置，各直线杆塔不存在张力差，但在正常运行中由于以下几种情况，将使耐张段中各档距中的导线和地线张力相差悬殊，致使各直线杆塔承受较大的不平衡张力。（1）耐张段中各档距长度、悬点高差相差悬殊，当气象条件变化后，引起各档张力不等。（2）耐张段中各档不均匀覆冰或不同时脱冰时，引起各档张力不等。特别是不均匀脱冰，常常在重冰区引起断导线、倒塔、导线跳跃到横担以上等严重事故。（3）线路检修时，采取先松下某悬点的导线后挂上某悬点的导线，造成两档张力不等，如图5-1-2所示（图中虚线为检修的耐张段）。（4）耐张段中在某档进行飞车作业、绝缘梯作业等悬挂集中荷载时所引起的不平衡张力。图5-1-2线路检修时各档张力的关系（5）高差很大的山区，尤其是重冰区的连续倾斜档中，山上侧档距和山下侧档距张力不等。耐张杆塔的不平衡张力，有以下几种情况：（1）由于两侧代表档距不等而产生不平衡张力；（2）由于两侧导线或地线截面大小不同而产生不平衡张力；（3）耐张杆塔位于两个气象区的分界处，由于温度、风速、覆冰厚度不同而产生不平衡张力。四、地线的不平衡张力在直线杆塔产生不平衡张力时，与导线比较，地线的不平衡张力有其特点。一是金具悬垂串长度较短，当直线杆两侧张力不等时，地线金具串顺线路方向偏斜较小，不平衡张力较大。二是钢筋混凝土电杆刚度小，杆塔顺线路方向偏斜较大，不平衡张力较小。铁塔刚度大，杆塔顺线路方向偏斜小，不平衡张力较大。五、不平衡张力的计算方法不平衡张力的计算方法，是随着计算工具的进步而改进的。曾经被普遍应用的方法是图解法和利用图表的简化计算法。图解法可以求出发生不平衡张力情况时各档的张力和各直线杆塔承受的不平衡张力，因为要经过计128算、作图和图解三个步骤，工作量大，假设数据时还需要足够的经验才能较快地得出结果。计算公式、作图质量和读图准确性都是影响图解准确性的因素。仅以作图来说，架空线路的档距一般都不是相等的，为了减少工作量，当耐张段档距和高差相差不大时，选取代表档距和不考虑高差的影响，造成人为误差。在作好计算图后，图解过程也是一个试凑过程，要假设不同的数据进行计算，即使用优选法，其计算的工作量也是不可小觑的。利用图表的简化计算法也是以代表档距或某一档的档距进行计算的，没有考虑实际的档距和悬挂点高差的变化，也会造成误差。计算断线张力的衰减系数法的系数是以杆塔未发生挠曲的条件计算的，不能用于无地线、柔度大的直线杆塔上，且只能求得与断线点相邻的一档的张力。计算地线最大和最小支持力的支持力系数通用曲线只能用于钢绞线架设的地线，而实际采用的地线的种类还有其它复合型绞线，如铝包钢绞线，大钢比的钢芯铝绞线，OPGW复合光缆等，都需要采用其它方法计算。随着计算机的广泛应用，对架空线的不平衡张力的计算精确度也有了更高要求。设计院普遍采用计算机编制程序求解，因为编制程序需要程序设计的专业知识，在基层从事电力线路工作的专业技术人员能够应用程序设计的很少，使这种方法难于普及。本书只介绍既有较高的准确性又便于基层应用的用Excel工作表计算不平衡张力的方法。一个耐张段的架空线在安装（或检修）紧线时，总是尽量把各档的水平张力调整到相等数值，各直线杆塔的悬垂绝缘子串处于与地平线垂直状态。紧线完成后，在线路正常运行时，随着气温、覆冰等气象条件的变化，各档的张力也随着变化而产生不平衡张力，导致悬垂绝缘子串的偏移和杆塔的挠曲。由于绝缘子串的偏移和杆塔的挠曲，引起各档导线的实际档距和悬挂点高差的变化。架空线的不平衡张力就是通过这些变化与张力的关系来计算的。事故断线时，线路运行了一段时间，已经出现悬垂绝缘子串的偏移和杆塔的挠曲。因此，计算各档的残余张力也应以安装紧线作为初始条件。在进行线路设计时，不可能确定线路实际的安装紧线条件，可以按照规程规定的安装气象条件作为初始条件进行计算。在分析线路发生的事故时，则应以线路竣工资料中的紧线记录作为初始条件。以安装紧线为初始条件进行计算时，若规定档距增长时其增长量为正，档距缩短时其增长量为负，则线路中各档不平衡张力的计算公式相同，只是决定计算结果的边界条件不同。正常情况下的不平衡张力以耐张段内各档的档距变化量之和为0作为边界条件，事故情况下的不平衡张力以断线档的张力为0作为边界条件。这样，计算两种情况下不平衡张力的Excel工作表的结构也相同，只需按照实际的线路数据和边界条件进行计算，就可以得到需要的结果。第二节刚性杆塔固定横担线路不平衡张力的计算自立式铁塔的刚度大，有地线的水泥杆由于有地线的支持作用，可不考虑杆塔挠度。以拉线承载水平力的杆塔，拉线点至上导线的距离不大，即使产生挠曲，其数值也较小，也可不考虑杆塔挠度。在这些情况下，可以采用比较精确的悬链线公式计算档距变化与导线张力的关系。一、线路产生不平衡张力时的几种关系在发生不均匀覆冰、断线或导线上人工作等情况时，连续档各档的张力有显著的差别，不能用代表档距法近似计算各档的张力。为了检查各直线杆塔可能出现的不平衡张力，绝缘子串的偏角或档内弧垂等，需要精确计算各档的张力。为此需要掌握以下几种关系。（一）按架空线长度的悬链线公式计算的档距变化与导线张力的关系在架设输电线路的导线时，一般采用降低温度的方法以补偿初伸长。设导线的补偿降温为⊿tj(=εj/α)，架线张力为T0，导线垂直单位荷载为p0，架线时气温为t0，悬垂绝缘子串处于中垂位置，第i档的档距为li0，高差为hi0，高差角为φi0。由第二章的分析，第i档架线时的原始线长（Ti0=0，t=0℃，εj=0时）为222000000000000000000000000222()[1()][()]222222iiiiiijiiTplTTplhplLhshttlshchTplpTEApTTshpT产生不平衡张力情况时气温为t，导线的初伸长已全部拉出，即塑性伸长率为0，第i档的导线张力为129Ti，导线垂直单位荷载为pi，档距增长为li=li0+⊿li，导线长度增长为Li=Li0+⊿Li，高差角变为φi。该状态下第i档架线时的原始线长为22200222()[1()][()]222222iiiiiiiiiiiibjiiiiiiiiiiiTplTTplhplLhshtttlshchTplpTEApTTshpT同一档的原始线长是相同的，由此可写出第i档的导线状态方程为22200000000000000000000000222()[1()][()]222222iiiiijiiTplTTplhplhshttlshchTplpTEApTTshpT2220222()[1()][()]222222iiiiiiiiiiibjiiiiiiiiiiiTplTTplhplhshtttlshchTplpTEApTTshpT（5-2-1）式中li=li0+⊿li（5-2-2）hi=hi0+⊿hi（5-2-3）为便于Excel程序的应